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Die Erfindung betrifft ein Speichersystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Speichersystem, 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 650V, 900V oder 1200V) 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. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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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 oder mehrere elektrische Antriebsmaschinen eines Antriebssystems des Fahrzeugs zu betreiben. Des Weiteren kann bei Bremsvorgängen ggf. elektrische Leistung durch die ein oder mehreren elektrischen Maschinen 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). Die Ladespannung kann zwischen 800V und 1000V liegt. Die Fahrspannung kann zwischen 400V und 500V liegen.
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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. Die Schalteinheit kann ferner eingerichtet sein, die N Speichermodule jeweils einzeln mit dem Antriebssystem des Fahrzeugs zu koppeln oder von dem Antriebssystem des Fahrzeugs zu entkoppeln.
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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) oder alle N 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) und/oder einer Spannung des ersten Speichermoduls und eines Ladezustands und/oder einer Spannung des zweiten Speichermoduls in Vorbereitung auf ein Parallel-Schalten des ersten Speichermoduls mit dem zweiten Speichermodul zu reduzieren. Dabei kann insbesondere das Antriebssystem des Fahrzeugs bei Stillstand des Fahrzeugs (nur mit einem Teil der Speichermodule des Speichersystems) betrieben werden, um den Unterschied von Ladezuständen bzw. Spannungen des ersten Speichermoduls und des zweiten Speichermoduls zu reduzieren. Durch eine Reduzierung des Unterschieds der Ladezustände bzw. der Spannungen zwischen den N Speichermodulen kann ein sicheres Umschalten von einer Serienschaltung (zum Laden der Speichermodule) zu einer Parallelschaltung (zum Antrieb des Fahrzeugs) erfolgen. Insbesondere kann so gewährleistet werden, dass die Spannungen an den Klemmen der N Speichermodule bei Umschalten relativ nah beieinander liegen. 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 und/oder die Spannung des ersten Speichermoduls und in Bezug auf den Ladezustand und/oder die Spannung des zweiten Speichermoduls zu ermitteln. Die Information in Bezug auf die Ladezustände bzw. die Spannungen kann z.B. durch direkte 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 bzw. die Spannungen 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 bzw. die Spannungen durch die Steuereinheit veranlasst werden. Insbesondere können dabei die durch die Information angezeigten Ladezustands- und/oder Spannungs-Unterschiede reduziert werden.
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Die Steuereinheit kann z.B. eingerichtet sein, (auf Basis der o.g. Information) zu ermitteln, dass im Anschluss an einen Ladevorgang das erste Speichermodul einen höheren Ladezustand bzw. eine höhere Spannung aufweist als das zweite Speichermodul. Die Schalteinheit des Speichersystems kann dann derart angesteuert werden, dass das zweite Speichermodul von dem Antriebssystem des Fahrzeugs entkoppelt ist und das erste Speichermodul mit dem Antriebssystem gekoppelt ist. So kann das Antriebssystem des Fahrzeugs bei Stillstand des Fahrzeugs mit elektrischer Energie aus dem ersten Speichermodul (und nicht aus dem zweiten Speichermodul) betrieben werden, um den Unterschied der Ladezustände bzw. der Spannungen des ersten und zweiten Speichermoduls zu reduzieren. Mit anderen Worten, das Antriebssystem des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus dem ersten Speichermodul betrieben werden, so dass der Ladezustand bzw. die Spannung des ersten Speichermoduls an den Ladezustand bzw. die Spannung des zweiten Speichermoduls angenähert werden.
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Die Steuereinheit kann weiter eingerichtet sein, zu bestimmen, dass der Unterschied des Ladezustands bzw. der Spannung des ersten Speichermoduls und des Ladezustands bzw. der Spannung des zweiten Speichermoduls kleiner als oder gleich wie ein Unterschieds-Schwellenwert ist. Dabei kann der Unterschied-Schwellenwert derart sein, dass bei einem Parallel-Schalten der Speichermodule bei Vorliegen eines dem Unterschied-Schwellenwert entsprechenden Ladezustands- bzw. Spannungs-Unterschieds keine schädigenden Ausgleichsströme fließen. Wenn festgestellt wurde, dass der Ladezustands- bzw. der Spannungs-Unterschied ausreichend reduziert wurde, kann die Schalteinheit veranlasst werden, das erste Speichermodul parallel zu dem zweiten Speichermodul und ggf. parallel zu dem Antriebssystem anzuordnen (z.B. für eine Fahrt des Fahrzeugs).
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Das Antriebssystem kann eine erste Antriebsmaschine zum Antrieb einer ersten Achse (z.B. einer Hinterachse oder einer Vorderachse) des Fahrzeugs umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die erste Antriebsmaschine zu veranlassen, ein erstes Antriebsmoment auf die erste Achse des Fahrzeugs zu bewirken, um den Unterschied der Ladezustände bzw. der Spannungen des ersten und zweiten Speichermoduls zu reduzieren. Durch Bewirken eines ersten Antriebsmoments kann elektrische Energie aus dem ersten Speichermodul verbraucht werden, um den Ladezustand bzw. die Spannung des ersten Speichermoduls an den Ladezustand bzw. die Spannung des zweiten Speichermoduls anzunähern.
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Das Fahrzeug kann eine Radbremse für zumindest ein Rad des Fahrzeugs umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Radbremse zu veranlassen, ein Bremsmoment auf das Rad zu bewirken, während die erste Antriebsmaschine ein erstes Antriebsmoment auf die erste Achse bewirkt. So kann zuverlässig gewährleistet werden, dass die Angleichung der Ladezustände bzw. der Spannungen der Speichermodule bei Stillstand des Fahrzeugs erfolgt.
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Das Antriebssystem kann eine zweite Antriebsmaschine zum Antrieb einer zweiten Achse des Fahrzeugs umfassen (z.B. einer Vorderachse bzw. einer Hinterachse). Das Fahrzeug kann somit einen Allradantrieb umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die zweite Antriebsmaschine zu veranlassen, ein zweites Antriebsmoment auf die zweite Achse des Fahrzeugs zu bewirken, um den Unterschied der Ladezustände bzw. der Spannungen des ersten und zweiten Speichermoduls zu reduzieren. Durch den Betrieb mehrerer Antriebsmaschinen können Ladezustands- und/oder Spannungs-Unterschiede mit erhöhter Geschwindigkeit angeglichen werden.
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Dabei kann das zweite Antriebsmoment dem ersten Antriebsmoment entgegenwirken. Insbesondere können sich das zweite Antriebsmoment und das erste Antriebsmoment gegenseitig aufheben. So kann zuverlässig gewährleistet werden, dass die Angleichung der Ladezustände bzw. der Spannungen der Speichermodule bei Stillstand des Fahrzeugs erfolgt.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die erste Antriebsmaschine und/oder die zweite Antriebsmaschine in einem gegenüber einem Antriebsmodus vertrimmten Verbrauchsmodus zu betreiben, um den Unterschied der Spannungen bzw. der Ladezustände des ersten und zweiten Speichermoduls zu reduzieren. Dabei kann der Energieverbrauch einer Antriebsmaschine zur Erzeugung eines bestimmten Antriebsmoments im Verbrauchsmodus höher sein als im Antriebsmodus. Eine Antriebsmaschine kann somit zur Angleichung der Spannungen bzw. der Ladezustände der Speichermodule in einem besonders verbrauchsintensiven Verbrauchsmodus betrieben werden. So kann die Angleichung der Spannungen bzw. der Ladezustände der Speichermodule beschleunigt 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 bzw. Spannungen des ersten Speichermoduls und des zweiten Speichermoduls zu reduzieren. Dabei kann insbesondere ein Antriebssystem des Fahrzeugs bei Stillstand des Fahrzeugs betrieben werden, um den Unterschied von Ladezuständen bzw. Spannungen des ersten Speichermoduls und des zweiten Speichermoduls (in Vorbereitung auf eine Fahrt des Fahrzeugs) zu reduzieren. Das Verfahren umfasst weiter das Anordnen des ersten Speichermoduls und des zweiten Speichermoduls parallel zueinander, um das Antriebssystem des Fahrzeugs für eine Fahrt des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.
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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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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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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. Des Weiteren 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
- 1 ein beispielhaftes Speichersystem mit mehreren Speichermodulen;
- 2a und 2b beispielhafte Mittel zur Reduzierung von Ladezustands-bzw.
- Spannungs-Unterschieden;
- 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines Speichersystems; und
- 4 ein weiteres beispielhaftes Speichersystem mit mehreren Speichermodulen.
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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 Schalteinheit 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, 101 an eine Ladedose des Fahrzeugs geschaltet werden, um das Speichersystem 100 mit einer erhöhten Ladespannung zu laden. Die Schalteinheit 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, 101 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 und/oder die Spannungen 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. Des Weiteren können die Speichermodule 111, 112 unterschiedliche Kapazitäten aufweisen, so dass die Speichermodule 111, 112 infolge eines Ladevorgangs, bei dem die Speichermodule 111, 112 in Reihe angeordnet waren, einen unterschiedlichen Ladezustand und/oder unterschiedliche (Klemmen-) Spannungen aufweisen. Beispielsweise kann die Anzahl von Speicherzellen bzw. Strängen von Speicherzellen in den Speichermodulen 111, 112 unterschiedlich sein. Bei Speichermodulen 111, 112 mit gleicher (Nenn-) Kapazität entspricht typischerweise eine Angleichung der Ladezustände einer Angleichung der Spannungen.
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Als Folge aus unterschiedlichen Ladezuständen und/oder Spannungen 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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Die Steuereinheit 105 kann eingerichtet sein, während eines Ladevorgangs den Ladezustand bzw. die (Klemmen-) Spannung der einzelnen Speichermodule 111, 112 zu ermitteln. Beispielsweise kann die Steuereinheit 105 aus einem Anfangs-Ladezustand bzw. einer Anfangsspannung eines Speichermoduls 111, 112 am Anfang eines Ladevorgangs und aus der kumulierten Ladeleistung während des Ladevorgangs den Ladezustand bzw. die Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt schätzen. Alternativ oder ergänzend kann ein Speichermodul 111, 112 zu einem bestimmten Zeitpunkt entkoppelt werden, um den Ladezustand bzw. die Spannung des Speichermoduls 111, 112 explizit zu messen. Zu diesem Zweck kann insbesondere die Leerlauf-Spannung des Speichermoduls 111, 112 gemessen werden. Es kann somit ggf. ein Ungleichgewicht der Ladezustände bzw. der Spannungen des ersten Speichermoduls 111 und des zweiten Speichermoduls 112 detektiert werden.
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Als Maßnahme zur Reduzierung von Ausgleichsströmen können die Speichermodule 111, 112 im Anschluss an einen Ladevorgang progressiv (d.h. erst nach und nach) parallel zu dem Antriebssystem 140 des Fahrzeugs geschaltet werden. Insbesondere kann in einem ersten Schritt das Speichermodul 111 mit dem höchsten Ladezustand bzw. mit der höchsten Spannung (z.B. das erste Speichermodul 111) parallel zu dem Antriebssystem 140 geschaltet werden (z.B. durch Schließen des Schaltelements 133 der Schalteinheit 130), um das Fahrzeug anzutreiben. Die ein oder mehreren anderen Speichermodule 112 können dann zunächst vom Antriebssystem 140 entkoppelt bleiben (z.B. durch Öffnen des Schaltelements 134 der Schalteinheit 130). Nach einer Reduzierung des Ladezustands bzw. der Spannung des ersten Speichermoduls 111 können dann die ein oder mehreren anderen Speichermodule 112 parallel zum Antriebssystem 140 geschaltet werden (z.B. durch Schließen des Schaltelements 134). Dieser Schaltvorgang erfolgt dabei bevorzugt zu einem Zeitpunkt, an dem das Antriebssystem 140 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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Um direkt bei Fahrtantritt ausreichend elektrische Leistung bereitzustellen, kann es vorteilhaft sein, ein Ungleichgewicht der Ladezustände bzw. der Spannungen des ersten Speichermoduls 111 und des zweiten Speichermoduls 112 bei Stillstand des Fahrzeugs und/oder vor Beginn einer Fahrt des Fahrzeugs durchzuführen. Es steht dann direkt bei Fahrtantritt elektrische Leistung aus allen parallel geschalteten Speichermodulen 111, 112 bereit. Das Antriebssystem 140 des Fahrzeugs kann dazu verwendet werden, die Ladezustände bzw. die Spannungen der Speichermodule 111, 112 bei Stillstand des Fahrzeugs anzupassen.
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Wie in 2a dargestellt, kann das Antriebssystem 140 einen ersten Antriebsmotor 211 für eine erste Achse (z.B. eine Vorderachse) des Fahrzeugs umfassen. Des Weiteren kann das Antriebssystem 140 einen zweiten Antriebsmotor 221 für eine zweite Achse (z.B. eine Hinterachse) des Fahrzeugs umfassen. Die Drehströme für die Antriebsmotoren 211, 221 können aus einem Gleichstrom aus den Speichermodulen 111, 112 mittels der Inverter 210, 220 generiert werden.
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Die Steuereinheit 105 kann eingerichtet sein, das Speichermodul 111 mit dem höchsten Ladezustand bzw. der höchsten Spannung (z.B. das erste Speichermodul 111) parallel zu dem Antriebssystem 140 zu schalten (z.B. durch Schließen des Schaltelements 133), während die ein oder mehreren anderen Speichermodule 112 von dem Antriebssystem 140 entkoppelt sind. Des Weiteren kann die Steuereinheit 105 eingerichtet sein, den ersten Antriebsmotor 211 zu veranlassen, ein bestimmtes erstes Antriebsmoment auf die erste Achse zu bewirken, und den zweiten Antriebsmotor 221 zu veranlassen, ein bestimmtes zweites Antriebsmoment auf die zweite Achse zu bewirken. Das erste Antriebsmoment und das zweite Antriebsmoment weisen dabei entgegengesetzte Richtungen auf und heben sich gegenseitig auf, so dass ein effektives Antriebsmoment von Null auf das Fahrzeug wirkt, d.h. so dass das Fahrzeug stehen bleibt. So können der Ladezustand bzw. die Spannung des ersten Speichermoduls 111 bei Stillstand des Fahrzeugs reduziert werden, bis der Ladezustand bzw. die Spannung des ersten Speichermoduls 111 derart an die Ladezustände bzw. die Spannungen der ein oder mehreren anderen Speichermodule 112 angepasst sind, dass bei einem Parallel-Schalten der Speichermodule keine substantiellen Ausgleichsströme mehr fließen.
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Alternativ oder ergänzend kann das Fahrzeug, wie in 2b dargestellt, eine Radbremse 230 aufweisen, mit denen zumindest ein Rad 231 einer Achse blockiert werden kann. Es kann dann zur Absenkung des Ladezustands bzw. der Spannung des ersten Speichermoduls 111 durch den ersten Antriebsmotor 211 ein Antriebsmoment auf die erste Achse bewirkt werden, das gegen die Bremskraft der Radbremse 230 arbeitet. Somit kann eine Angleichung der Ladezustände bzw. der Spannungen bei Stillstand des Fahrzeugs erfolgen.
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Es kann somit eine Angleichung der Spannungen der Speichermodule 111, 112 über die ein oder mehreren Antriebsmaschinen 211, 221 eines Fahrzeugs im Stilstand erfolgen. Insbesondere kann zumindest eine Antriebsmaschine 211, 221 betrieben werden, die sich gegen die Parksperre und/oder gegen die Feststellbremse 230 des Fahrzeugs abstützen kann, so dass das Fahrzeug nicht wegrollt. Bei einem Fahrzeug mit Allradantrieb können beide Antriebsmaschinen 211, 221 (d.h. Elektromaschinen) gegeneinander arbeiten, so dass sich in Summe die Antriebsmomente ausgleichen. Durch die von der Leistungselektronik 210, 220 aufgenommenen elektrischen Energie werden die Spannungen der Speichermodule 111, 112 angeglichen. Nach Angleichen der Spannungen kann ein Parallel-Schalten der Speichermodule 111, 112 für eine Fahrt des Fahrzeugs erfolgen. Das Fahrzeug kann somit gleich bei Fahrtantritt mit einer maximal möglichen Leistung betrieben werden.
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Die ein oder mehreren Antriebsmaschinen 211, 221 des Fahrzeugs können ggf. vertrimmt werden, um den Energieverbrauch, insbesondere die Abwärme der ein oder mehreren Antriebsmaschinen 211, 221, zu erhöhen. So kann die Angleichung der Spannungen der Speichermodule 111, 112 beschleunigt werden.
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4 zeigt ein beispielhaftes Speichersystem 100 mit zwei Antriebsmaschinen 211, 221. Die Steuereinheit 105 kann eingerichtet sein, die Wechselrichter bzw. Inverter 210, 220 anzusteuern, um Energie für den Betrieb der jeweiligen Antriebsmaschine 211, 221 aus dem ersten Speichermodul 111 und/oder aus dem zweiten Speichermodul 112 zu beziehen. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit 105 eingerichtet sein, die Schalteinheit 130 anzusteuern, um das erste Speichermodul 111 und/oder das zweite Speichermodul mit den Wechselrichtern bzw. Invertern 210, 220 zu koppeln oder davon zu entkoppeln.
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4 zeigt eine Schalteinheit 130, bei der der Umschalter 131 durch zwei separate Schaltelemente 431, 432 ersetzt wurde. Durch Schließen des Schaltelements 431 kann das erste Speichermodul 111 mit den Wechselrichtern bzw. Invertern 210, 220 gekoppelt, und durch Öffnen des Schaltelements 431 davon entkoppelt werden. Durch Schließen des Schaltelements 132 kann das zweite Speichermodul 112 mit den Wechselrichtern bzw. Invertern 210, 220 gekoppelt, und durch Öffnen des Schaltelements 132 davon entkoppelt werden.
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4 zeigt die Schalteinheit 130 in einem Zustand, bei dem beide Speichermodule 111, 112 parallel zueinander und zu den Wechselrichtern bzw. Invertern 210, 220 angeordnet sind. Durch Schließen des Schaltelements 431 und durch Öffnen der Schaltelemente 132, 431 können die Speichermodule 111, 112 in Reihe zueinander zwischen den beiden Pole 102, 101 angeordnet werden. 4 zeigt somit eine besonders effiziente Implementierung einer Schalteinheit 130.
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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- bzw. Spannungs-ausgleichender) Maßnahmen, um einen Unterschied von Ladezuständen bzw. Spannungen des ersten Speichermoduls 111 und des zweiten Speichermoduls 112 zu reduzieren. Insbesondere können ein oder mehrere Maßnahmen durchgeführt werden, um den Ladezustands- bzw. Spannungs-Unterschied mindestens auf einen bestimmten Unterschieds-Schwellenwert zu reduzieren. Dabei kann als Maßnahme insbesondere das Antriebssystem 140 des Fahrzeugs bei Stillstand des Fahrzeugs betrieben werden, um den Unterschied von Ladezuständen bzw. Spannungen des ersten Speichermoduls 111 und des zweiten Speichermoduls 112 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 das Antriebssystem 140 des Fahrzeugs für eine Fahrt des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Durch die vorhergehende Reduzierung des Ladezustands-bzw. Spannungs-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. Dabei kann durch die Verwendung des Antriebssystems 140 für die Angleichung der Speichermodule 111, 112 auf zusätzliche Bauteile zur Spannungsangleichung verzichtet werden, so dass der Bauraum, das Gewicht und die Kosten eines Fahrzeugs reduziert werden können.
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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]
