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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Schnellladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers für ein elektrisch angetriebenes Fortbewegungsmittel. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Schnelladevorgang für eine Mitteltemperaturbatterie.
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Stand der Technik
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In elektrisch angetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Elektro- und Hybridfahrzeugen, als auch in stationären Anwendungen werden auf Lithium-Basis hergestellte, aufladbare Traktionsbatterien eingesetzt, um elektrische Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen. Entsprechende Batterien können beispielsweise aus mehreren in Reihe geschalteten Batteriemodulen ausgebildet sein, wobei jedes Batteriemodul mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Batteriezellen aufweisen kann. Heutige in Fortbewegungsmitteln eingesetzte Batteriesysteme müssen auch bei niedrigen Temperaturen einsatzbereit sein. Dies gilt sowohl im Zusammenhang mit einem Ladevorgang, als auch für einen Entladevorgang. Neue Technologien von Lithium-Batterien bestehen aus Festkörperelektrolyten, da sie i.d.R. über höhere Energiedichten verfügen. Deren chemische Bestandteile sind hoch aktiv und werden nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs, beispielsweise oberhalb von 50°C und unterhalb von 90°C betrieben. Außerhalb dieses Temperaturbereichs sind sie aufgrund eines hohen elektrischen Innenwiderstands in ihrem Leistungsverhalten eingeschränkt, oder dürfen aus Sicherheitsgründen nicht betrieben werden.
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Insbesondere für solche Batterien ist eine intelligente Ladestrategie erforderlich, um sie schnellstmöglich in dem engen vordefinierten Temperaturbereich aufladen zu können. Der Ladevorgang einer Mitteltemperaturbatterie bzw. einer betriebsbereiten Mitteltemperaturbatterie, deren Temperatur sich im vordefinierten Temperaturbereich befindet, kann insbesondere beim Schnellladen zu Temperaturüberschreitung der Batteriezellen führen. Diesem Problem wird mit einer entsprechenden Kühlung begegnet, da gerade der Ladevorgang mit hohen Strömen eine zusätzliche Zellerwärmung verursacht, wodurch die Temperatur der Batterie weiter ansteigt.
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US 953203 B2 beschreibt ein Sekundärbatteriesystem, das sich aus einer Mehrzahl von Sekundärbatterien zusammensetzt, die mittels einer Steuerschaltung in Übereinstimmung mit einer vordefinierten Abfolge abwechselnd und wiederkehrend geladen werden, wobei sich jeweils nur eine der Sekundärbatterien in einem Ladezustand befindet, während die anderen Sekundärbatterien in diesem Zeitraum nicht geladen werden. Nach einer vordefinierten Ladezeit selektiert die Steuerschaltung die jeweils nächste Sekundärbatterie anhand der vordefinierten Abfolge für den Ladevorgang. Die Abfolge wird solange zyklisch wiederholt, bis das Sekundärbatteriesystem seinen Zielladezustand erreicht hat.
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DE 102010043912 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands von Zellen einer Batterie, eine Batterie mit einem Modul zur Bestimmung des Ladezustands von Zellen der Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Batterie, welche insbesondere einsetzbar sind für eine beschleunigte Ausführung des Zellenausgleichs bei Batterien mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen, wie beispielsweise bei Traktionsbatterien von Kraftfahrzeugen.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Ladestrategie für eine betriebsbereite Mitteltemperaturbatterie, die sich in einem Schnellladeverfahren aufladen lässt, ohne an die Temperaturgrenzen ihres Betriebstemperaturbereichs zu stoßen und bei der die Relaxation nahezu vollständig mitberücksichtigt wird, ist Gegenstand dieser Erfindung.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Durchführung eines Schnellladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers für ein elektrisch angetriebenes Fortbewegungsmittel vorgeschlagen. Der Schnellladevorgang bezeichnet in diesem Zusammenhang insbesondere einen vollständigen Ladevorgang umfassend ein Anschließen eines Ladegerätes an den Energiespeicher, das Laden des Energiespeichers und das Trennen des Ladegerätes vom Energiespeicher nach Abschluss des Schnellladevorgangs. Der Energiespeicher, der insbesondere eine Mitteltemperaturbatterie sein kann, deren Betriebstemperaturbereich beispielsweise zwischen 50°C und 90°C, insbesondere zwischen 70°C und 90°C, liegt, umfasst eine erste Kombination gleichzeitig ladbarer Modulstränge und eine zweite, von der ersten Kombination von Modulsträngen disjunkte Kombination gleichzeitig ladbarer Modulstränge, wobei sich die erste Kombination von Modulsträngen und die zweite Kombination von Modulsträngen innerhalb einer baulichen Einheit befinden. Ein Modulstrang kann sich jeweils aus einer Mehrzahl seriell verschalteter Batteriemodule zusammensetzen und über entsprechende Kontaktierungsmöglichkeiten verfügen, um die im jeweiligen Modulstrang seriell verschalteten Module in ihrer Gesamtheit laden bzw. entladen zu können. Die Modulstränge selbst können zu diesem Zweck jeweils durch ein eigenes Gehäuse eingefasst sein, wobei die jeweiligen Kontaktierungsvorrichtungen auf der Außenseite des jeweiligen Gehäuses vorgesehen sein können. Über die Kontaktierungsvorrichtungen können die einzelnen Modulstränge des Energiespeichers in geeigneter Weise verschaltet werden.
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Eine geeignete Verschaltung der Module zu jeweiligen Modulsträngen ist bevorzugt unter dem Gesichtspunkt einer optimalen Ableitung von Wärmeenergie aus dem Energiespeicher hin zur Umgebung des Energiespeichers zu betrachten. D.h., dass durch die Festlegung der ersten Kombination von Modulsträngen und der zweiten Kombination von Modulsträngen sichergestellt werden kann, dass sich die durch einen Ladevorgang erzeugte Wärme innerhalb der jeweiligen Modulstränge möglichst gleichmäßig und möglichst schnell aus dem Gehäuse des Energiespeichers zur Umgebung hin ableiten lässt. Um dies zu erreichen, können die Modulstränge im Gehäuse des Energiespeichers beispielsweise parallel zueinander angeordnet sein, so dass bevorzugt mindestens jeweils eine erste Fläche und eine zweite Fläche der Modulstränge einer ersten Fläche des Gehäuses des Energiespeichers und einer zweiten Fläche des Gehäuses des Energiespeichers zugewandt sind und somit in geeigneter Weise thermisch gekoppelt werden können.
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Wie oben beschrieben sieht das erfindungsgemäße Verfahren eine Aufteilung der Mehrzahl von Modulsträngen des Energiespeichers in eine erste Kombination von Modulsträngen und eine von der ersten Kombination von Modulsträngen disjunkte zweite Kombination von Modulsträngen vor, wobei diese Aufteilung auch als eine Maskierung der Mehrzahl von Modulsträngen verstanden werden kann, wodurch die erste Kombination von Modulsträngen einer ersten Maske und die zweite Kombination von Modulsträngen einer zweiten Maske entsprechen. In diesem Zusammenhang ist sowohl das Verfahren, als auch der Aufbau des Energiespeichers nicht auf eine Anzahl von zwei Kombinationen von Modulsträngen beschränkt. Es ist vielmehr grundsätzlich eine beliebige Anzahl von disjunkten Kombinationen von Modulsträngen denkbar, sofern die Anzahl von Kombinationen von Modulsträngen, als auch die Art und Weise der Aufteilung der Modulstränge auf die jeweiligen Kombinationen von Modulsträngen das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen bzw. unterstützen. Die Mehrzahl der Modulstränge kann innerhalb des Gehäuses des Energiespeichers bevorzugt parallel zueinander unter Berücksichtigung geeigneter Maßnahmen zur Erzielung einer ausreichenden thermischen Kopplung an das Gehäuse angeordnet sein. Weiter bevorzugt kann die Auswahl der ersten Kombination von Modulsträngen und der zweiten Kombination von Modulsträngen derart ausgestaltet sein, dass die jeweiligen Kombinationen von Modulsträngen ineinander verschachtelt angeordnet sind. D.h. mit anderen Worten, dass die erste Kombination von Modulsträngen alle diejenigen Modulstränge umfassen kann, die bei einer Betrachtung der parallelen Anordnung ungeraden Ordnungszahlen der Anordnung entsprechen, während die zweite Kombination von Modulsträngen alle diejenigen Modulstränge umfassen kann, die einer geraden Ordnungszahl der Anordnung entsprechen. Die physikalische bzw. elektrische Zuordnung der auf diese Weise verschachtelten bzw. verzahnten Modulstränge kann beispielsweise mittels einer festen Verdrahtung der jeweiligen Auswahl von Modulsträngen erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einem Verfahrensschritt vor, in Übereinstimmung mit einer vordefinierten Ladestrategie ein sequenziell alternierendes und/oder teilalternierendes Laden der ersten Kombination von Modulsträngen und der zweiten Kombination von Modulsträngen durchzuführen. Die vordefinierte Ladestrategie kann beispielsweise mittels einer eine Auswerteeinheit umfassenden erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert werden, die eingerichtet ist, die erste und zweite Kombination von Modulsträngen während des Ladevorgangs gemäß der Ladestrategie mit einem Ladegerät als Energiequelle zu verbinden. Das Verbinden der jeweiligen Kombination von Modulsträngen mit dem Ladegerät kann über eine elektrische Schalteinheit erfolgen, die durch die Auswerteeinheit angesteuert werden kann und beispielsweise Schütze und/oder Relais zur Herstellung der jeweiligen Verbindungen umfassen kann. Die Vorrichtung kann ein Bestandteil des Energiespeichers selbst sein und innerhalb oder außerhalb des Gehäuses des Energiespeichers angeordnet sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), im Feld programmierbare Logik-Gatter-Schaltung (FPGA), Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, analoge Schaltung o.ä., ausgestaltet und informationstechnisch an eine Speichereinheit angebunden sein. Für den Fall, dass die Auswerteinheit beispielsweise ein Mikrocontroller oder eine andere technische Einrichtung zur Ausführung eines Computerprogramms ist, kann die Ladestrategie z.B. in Form eines als Computerprogramm ausgebildeten Algorithmus realisiert werden, welches durch die Auswerteeinheit ausgeführt werden kann. Alternativ kann der Algorithmus zur Durchführung der Ladestrategie auch ein Bestandteil eines bestehenden Batteriemanagement-Systems sein und durch dieses ausgeführt werden.
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Der Vorgang eines sequenziell alternierenden und/oder teilalternierenden Ladens der ersten und zweiten Kombination von Modulsträngen ist folgendermaßen zu verstehen: „sequenziell“ steht für einen stetig aufeinanderfolgenden Wechsel von Ladephasen und Ladeunterbrechungsphasen für eine jeweilige Kombination von Modulsträngen bis zur Beendigung des gesamten Schnellladevorgangs. Eine jeweilige Dauer für eine Ladephase und eine Ladeunterbrechungsphase kann beispielsweise in Form vordefinierter Werte in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt sein und im Zuge der Ausführung der Ladestrategie durch das auf der Auswerteeinheit ausgeführte Computerprogramm ausgelesen und verarbeitet werden. Die Dauer der Ladephase kann sich beispielsweise in einem Bereich von 20 s bis 500 s und insbesondere in einem Bereich von 30 s bis 400 s bewegen, ist aber nicht auf diese beispielhaften Bereichsangaben beschränkt. In Abhängigkeit von weiter unten beschriebenen Randbedingungen und/oder der Ladestrategie kann die Ladedauer auch über die beispielhaft angegebenen Bereiche nach unten und/oder nach oben hinausgehen. Darüber hinaus kann die Dauer der Ladephase im Zuge des Ladevorgangs angepasst werden. Die Dauer der Ladeunterbrechungsphase kann sich beispielsweise in einem Bereich von 120 s bis 180 s bewegen, ist aber ebenfalls nicht auf diese beispielhafte Bereichsangabe beschränkt. In Abhängigkeit von weiter unten beschriebenen Randbedingungen und/oder der Ladestrategie kann die Ladedauer auch deutlich über die beispielhaft angegebenen Bereiche sowohl nach unten, als auch nach oben hinausgehen. Zusätzlich kann die Dauer der Ladephase im Zuge des Ladevorgangs angepasst werden.
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Die Begriffe „alternierend“ und „teilalternierend“ stehen im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen sequenziellen Ladevorgang für ein abwechselndes Laden der ersten Kombination von Modulsträngen und der zweiten Kombination von Modulsträngen. Mit anderen Worten können die Startzeitpunkte der wiederkehrenden Ladephasen für die erste und zweite Kombination von Modulsträngen derart gewählt werden, dass sich die jeweiligen Ladephasen nicht oder nur teilweise überschneiden. D.h., während sich beispielswiese die erste Kombination von Modulsträngen in einer aktuellen Ladephase befindet, kann sich die zweite Kombination von Modulsträngen bevorzugt in einer Ladeunterbrechungsphase befinden. Dies schließt nicht aus, dass es in Abhängigkeit der Ladestrategie sinnvoll sein kann, beide Kombinationen von Modulsträngen für gewisse Zeiträume gleichzeitig zu laden oder diese über den gesamten Ladevorgang hinweg teilüberlappend zu laden. Ein gleichzeitiges Laden kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn sich die Temperatur des Energiespeichers zu Beginn des Ladevorgangs unterhalb des erforderlichen Betriebstemperaturbereichs befindet (z.B. unterhalb von ca. 50°C im Falle einer Mitteltemperaturbatterie). In diesem Fall kann es sinnvoll sein, beide Kombinationen von Modulsträngen für einen gewissen Zeitraum gleichzeitig zu laden, bis sich der Energiespeicher durch die aufgrund des Ladevorgangs erzeugte Wärmeentwicklung gesamthaft im erforderlichen Betriebstemperaturberiech befindet. Im umgekehrten Fall, in dem sich die Temperaturen beider Kombinationen von Modulsträngen zu Beginn des Schnellladevorgangs in einem oberen Bereich oder oberhalb ihrer zulässigen Betriebstemperatur befinden, kann es wiederum von Vorteil sein, wenn die Ladestrategie in diesem Fall vor der Ausführung der jeweiligen ersten Ladephase für die beiden Kombinationen von Modulsträngen zunächst eine gemeinsame Ladeunterbrechungsphase vorsieht. In einer solchen initialen Ladeunterbrechungsphase können die beiden Kombinationen von Modulsträngen somit zunächst auf eine für den Schnellladevorgang geeignete Temperatur abkühlen. Entsprechend sind für die Ladestrategie zahlreiche weitere Variationen hinsichtlich einer Abfolge von Ladephasen und Ladeunterbrechungsphasen für die jeweiligen Kombinationen von Modulsträngen denkbar, um die erfindungsgemäßen Aufgaben und Vorteile zu erzielen.
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Ein Ziel des alternierenden und/oder teilalternierenden Ladens ist die Vermeidung einer zu hohen Wärmeentwicklung im Verlauf des Ladevorgangs, wie sie üblicherweise im Zusammenhang mit einem Schnellladevorgang eines Energiespeichers auftritt. Indem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens stets nur ein Teil der Mehrzahl von Modulsträngen des Energiespeichers gleichzeitig geladen wird, während der andere Teil der Mehrzahl von Modulsträngen sich in einer Ladeunterbrechungsphase befindet, ist die durch den Ladevorgang erzeugte Wärmeenergie, die zur Einhaltung des Betriebstemperaturbereichs des Energiespeichers nach außen abgeführt werden muss, entsprechend geringer. Aus diesem Grund kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine (aktive) Kühlung des Energiespeichers während des Ladevorgangs entfallen, oder zumindest deutlich reduziert werden, was u.a. zu einer Kostenersparnis aufgrund der nicht erforderlichen bzw. nur in geringem Maße erforderlichen Kühlung führen kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im Zusammenhang mit dem sequenziell alternierenden und/oder teilalternierenden Laden darin begründet, dass die jeweiligen Ladeunterbrechungsphasen zur Verhinderung einer zu großen Wärmeentwicklung im Energiespeicher gleichzeitig als Relaxationsphasen für die jeweiligen Kombination von Modulsträngen genutzt werden können. Durch die auf diese Weise sichergestellte, regelmäßige Relaxationsmöglichkeit der Modulstränge wird verhindert, dass es am Ende des Ladevorgangs zu einem relaxationsbedingten Spannungseinbruch des Energiespeichers kommt, während gleichzeitig aufgrund der wiederkehrenden Relaxationsphasen eine höhere Energiemenge in den Energiespeicher eingebracht werden kann.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren darüber hinaus folgende Schritte: Ermitteln von ersten Zustandsinformationen der ersten Kombination von Modulsträngen und Ermitteln von zweiten Zustandsinformationen der zweiten Kombination von Modulsträngen. Die ersten und zweiten Zustandsinformationen können beispielsweise eine Temperatur, einen Ladezustand, eine Spannung, einen Gesundheitszustand usw. umfassen und mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten Sensorik für Batteriemodule erfasst werden. Die Sensorik kann über einen Dateneingang der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit mit der Auswerteeinheit informationstechnisch verbunden sein, so dass durch die Sensorik bereitgestellte Signale repräsentierend Zustandsinformationen der Modulstränge von der Auswerteeinheit empfangen werden können. In Abhängigkeit dieser Zustandsinformationen kann die Auswerteeinheit eine durch sie ausgeführte Ladestrategie im Verlauf eines Ladevorgangs anpassen und/oder vor dem Beginn des Ladevorgangs initial auswählen. Ein Anpassen der Ladestrategie im Verlauf des Ladevorgangs kann beispielsweise aufgrund einer zu hohen Umgebungstemperatur des Energiespeichers notwendig sein, da in einem solchen Fall die durch den Ladevorgang erzeugte Wärmeenergie ggf. nicht in ausreichendem Maße an die Umgebung abgegeben werden kann. Hinsichtlich der Ladestrategie kann die Auswerteeinheit im Ansprechen darauf beispielsweise eine Verlängerung der Ladeunterbrechungsphasen während des Ladevorgangs für die jeweiligen Kombinationen von Modulsträngen veranlassen.
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Darüber hinaus kann ein Ladestrom für die erste Kombination von Modulsträngen und die zweite Kombination von Modulsträngen konstant sein, oder in Abhängigkeit der vordefinierten Ladestrategie angepasst werden. Eine Anpassung des Ladestroms im Zuge des Ladevorgangs kann beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn die Batterien zum Ladebeginn aufgrund einer Eigenerwärmung und/oder einer hohen Umgebungstemperatur zu warm sind, um unmittelbar mit einem für einen Schnellladevorgang geeigneten, maximalen Strom geladen zu werden. In einem solchen Fall kann die Ladestrategie beispielsweise dahingehend angepasst werden, dass der Ladevorgang zunächst mit einem geringeren Ladestrom begonnen wird und im Ansprechen auf eine nachfolgende Abkühlung des Energiespeichers aufgrund des geringeren Ladestroms in Kombination mit geeigneten Ladeunterbrechungsphasen im Verlauf des Ladevorgangs angehoben wird. Eine Anpassung des Ladestroms kann auch in Abhängigkeit weiterer Zustandsinformationen durchgeführt werden und ist nicht auf eine Temperaturabhängigkeit beschränkt.
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Ferner können die Modulstränge für die erste Kombination von Modulsträngen und die zweite Kombination von Modulsträngen alternativ zur oben beschriebenen festen Verdrahtung veränderlich mittels einer steuerbaren elektrischen Schaltmatrix festgelegt werden. Die Schaltmatrix kann wie die oben beschriebene Schalteinheit informationstechnisch an den Datenausgang der Auswerteeinheit angebunden sein. Die Schaltmatrix ist bevorzugt derart eingerichtet, dass mittels einer Ansteuerung der Schalteinheit durch die Auswerteeinheit beliebige Kombinationen von Modulsträngen innerhalb der Schaltmatrix verschaltet werden können. In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, sowohl eine Anzahl unterschiedlicher Kombinationen von Modulsträngen, als auch eine Auswahl der jeweiligen Modulstränge für eine jeweilige Kombination von Modulsträngen in Abhängigkeit einer Ladestrategie und/oder von der Auswerteeinheit empfangenen Zustandsinformationen der jeweiligen Modulstränge durchzuführen. Dieser Vorgang kann bevorzugt vor Beginn des Ladevorgangs ausgeführt werden, um z.B. eine zum Ladebeginn vorhandene inhomogene Temperaturverteilung im Energiespeicher berücksichtigen zu können.
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Zusätzlich kann eine Dauer der Ladephasen und/oder eine Dauer der Ladeunterbrechungsphasen für die erste Kombination von Modulsträngen und die zweite Kombination von Modulsträngen in Abhängigkeit einer Relaxationsphase und/oder in Abhängigkeit einer aktuellen Temperatur der jeweiligen Kombination von Modulsträngen gewählt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die erste Kombination von Modulsträngen und die zweite Kombination von Modulsträngen in einer Endphase des Ladevorgangs während einer vordefinierten Dauer der Endphase gleichzeitig geladen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die erste und die zweite Kombination von Modulsträngen vor dem Beenden des Schnellladevorgangs identische Ladezustände besitzen, so dass diese für eine auf den Ladevorgang folgende Energieentnahmephase aufgrund ihrer identischen Ladezustände problemlos zusammengeschaltet werden können. Ein Startzeitpunkt für die Endphase des Schnellladevorgangs kann beispielsweise anhand eines Zielladezustands des Energiespeichers ermittelt werden, indem die Endphase bei einem durch die Auswerteeinheit ermittelten aktuellen Ladezustand beginnt, der z.B. 5% unterhalb des Zielladezustands liegt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines Schnellladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers für ein elektrisch angetriebenes Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, die eine Auswerteeinheit umfassen kann. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, analoge Schaltung o.ä., ausgestaltet sein und informationstechnisch an eine Speichereinheit angebunden sein. Des Weiteren ist die Auswerteeinheit in Verbindung mit einem Datenausgang der Auswerteeinheit eingerichtet, in Übereinstimmung mit einer vordefinierten Ladestrategie ein sequenziell alternierendes und/oder teilalternierendes Laden einer ersten gleichzeitig ladbaren Kombination von Modulsträngen und einer zweiten gleichzeitig ladbaren Kombination von Modulsträngen des elektrischen Energiespeichers durchzuführen. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Auswerteeinheit mittels einer informationstechnischen Anbindung an eine Schalteinheit die Schalteinheit gemäß der Ladestrategie ansteuert. Die Schalteinheit ist wiederum eingerichtet, elektrische Energie, die einem Eingang der Schalteinheit zugeführt wird, mittels elektrischer Schalter wie Relais und/oder Schütze in Übereinstimmung mit der Ladestrategie an die an die Schalteinheit angebundene erste Kombination von Modulsträngen und die zweite Kombination von Modulsträngen zur Durchführung des Ladevorgangs abzugeben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Auswerteeinheit zusätzlich über einen Dateneingang verfügen, der informationstechnisch mit einer Sensorik verbunden ist, die Zustandsinformationen der ersten und zweiten Kombination von Modulsträngen erfassen kann. Solche Zustandsinformationen können beispielsweise eine Temperatur, einen Ladezustand, eine Spannung und einen Gesundheitszustand der jeweiligen Kombination von Modulsträngen umfassen. Auf Basis dieser Zustandsinformationen kann ein durch die Auswerteeinheit ausgeführtes Computerprogramm eine entsprechende Logik zur Auswahl und/oder Anpassung der Ladestrategie realisieren.
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Darüber hinaus wird ein Energiespeicher vorgeschlagen, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst. Des Weiteren umfasst der Energiespeicher ein Gehäuse, eine Sensorik, die erste Kombination von Modulsträngen, die zweite Kombination von Modulsträngen und erste äußere Anschlüsse zur Entgegennahme oder Abgabe elektrischer Energie, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, die ersten äußeren Anschlüsse während eines Ladevorgangs in Übereinstimmung mit der Ladestrategie sequenziell alternierend und/oder teilalternierend mit der ersten Kombination von Modulsträngen und der zweiten Kombination von Modulsträngen zu verbinden. Zur Entgegennahme elektrischer Energie im Zuge des Ladevorgangs kann an die ersten äußeren Anschlüsse beispielsweise ein Ladegerät über ein entsprechendes Ladekabel angeschlossen werden, um die elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.
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Des Weiteren wird ein Ladegerät vorgeschlagen, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst. Darüber hinaus umfasst das Ladegerät ein Gehäuse, eine elektrische Energiequelle, dritte äußere Anschlüsse, die eingerichtet sind, über erste äußere Anschlüsse des Energiespeichers zur Entgegennahme oder Abgabe elektrischer Energie mit der ersten Kombination von Modulsträngen verbunden zu werden, und vierte äußere Anschlüsse, die eingerichtet sind, über zweite äußere Anschlüsse des Energiespeichers zur Entgegennahme oder Abgabe elektrischer Energie mit der zweiten Kombination von Modulsträngen verbunden zu werden, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, die elektrische Energiequelle in Übereinstimmung mit der Ladestrategie sequenziell alternierend und/oder teilalternierend über die dritten äußeren Anschlüsse und vierten äußeren Anschlüsse mit der ersten Kombination gleichzeitig ladbarer Modulstränge und der zweiten Kombination gleichzeitig ladbarer Modulstränge zu verbinden.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine schematische Übersicht über eine erste Kombination von Modulsträngen und eine zweite Kombination von Modulsträngen eines elektrischen Energiespeichers;
- 3 eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Energiespeicher;
- 4 eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Ladegerät;
- 5a ein erstes Beispiel für eine sequenziell alternierende und/oder teilalternierende Ladestrategie;
- 5b ein zweites Beispiel für eine sequenziell alternierende und/oder teilalternierende Ladestrategie; und
- 5c ein drittes Beispiel für eine sequenziell alternierende und/oder teilalternierende Ladestrategie.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchführung eines Schnellladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers 40 für ein elektrisch angetriebenes Fortbewegungsmittel, wobei der Energiespeicher 40 ein Gehäuse 41, eine erste Kombination 42 gleichzeitig ladbarer Modulstränge 30, eine zweite, von der ersten Kombination 42 von Modulsträngen 30 disjunkte Kombination 44 gleichzeitig ladbarer Modulstränge 30, erste äußere Anschlüsse 46 zur Entgegennahme elektrischer Energie, eine Sensorik 50 zur Erfassung von Zustandsinformationen der jeweiligen Modulstränge 30, eine Schalteinheit 60 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Schnellladevorgangs umfasst. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit 10, einen Dateneingang 12 und einen Datenausgang 14. Die Auswerteeinheit 10, die auf einem Mikrocontroller basiert, ist eingerichtet, eine Ladestrategie mittels eines durch den Mikrocontroller ausgeführten Computerprogramms auszuführen und über den Datenausgang 14 die Schalteinheit 60 gemäß der Ladestrategie anzusteuern. Des Weiteren ist die Auswerteeinheit 10 mittels des Dateneingangs 12 informationstechnisch mit der Sensorik 50 verbunden. In einem ersten Schritt 100 des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mittels der Sensorik 50 Zustandsinformationen der ersten Kombination 42 von Modulsträngen 30 ermittelt, indem die Auswerteeinheit 10 über den Dateneingang 12 von der Sensorik 50 empfangene Signale auswertet. Auf diese Weise ermittelt die Auswerteeinheit 10 u.a. Zustandsinformationen über eine aktuelle Temperatur, einen aktuellen Ladezustand, eine aktuelle Spannung und einen aktuellen Gesundheitszustand der ersten Kombination 42 von Modulsträngen 30. Die ermittelten Zustandsinformationen werden in der an die Auswerteeinheit 10 angebundenen Speichereinheit 20 abgelegt. In einem zweiten Schritt 200 des erfindungsgemäßen Verfahrens werden analog zur Vorgehensweise im ersten Schritt 100 Zustandsinformationen der zweiten Kombination 44 von Modulsträngen 30 ermittelt und in der Speichereinheit 20 abgelegt. In einem dritten Schritt 300 wird in Abhängigkeit der ersten Zustandsinformationen und zweiten Zustandsinformationen die durch die Auswerteeinheit 10 ausgeführte Ladestrategie angepasst. Zu diesem Zweck sind in der Speichereinheit 20 vordefinierte Parametersätze abgelegt, die jeweils vordefinierte Werte zur Umsetzung einer Mehrzahl vordefinierter Ladestrategien repräsentieren. Das durch die Auswerteeinheit 10 ausgeführte Computerprogramm ist eingerichtet, anhand der ersten und zweiten Zustandsinformationen einen geeigneten Parametersatz für eine aktuell gewünschte Ladestrategie aus der Speichereinheit 20 auszulesen und diesen für die Ladestrategie zu verwenden. Im vierten Schritt 400 steuert die Auswerteeinheit 10 die Schalteinheit 60 über den Datenausgang 14 gemäß der aktuellen Ladestrategie an. Die Schalteinheit 60 ist eingerichtet, über die ersten äußeren Anschlüsse 46 elektrische Energie entgegenzunehmen, und diese in Abhängigkeit von der Auswerteeinheit 10 empfangenen Steuersignalen an die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 und die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 gemäß der Ladestrategie abzugeben. Auf diese Weise wird die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 und die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 durch die Auswerteeinheit 10 sequenziell alternierend und/oder teilalternierend geladen.
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2 zeigt eine schematische Übersicht über eine erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 und eine zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 eines elektrischen Energiespeichers 40. Die Modulstränge 30 setzen sich jeweils aus einer Mehrzahl seriell verschalteter Module 32 zusammen und sind innerhalb des Energiespeichers 40 parallel zueinander angeordnet. Mittels einer festen Verdrahtung sind für die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 jeweils diejenigen Modulstränge 30 in Form einer Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden, die hinsichtlich der parallelen Anordnung der Modulstränge 30 ungeraden Ordnungszahlen entsprechen. Ebenfalls mittels einer festen Verdrahtung sind für die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 jeweils diejenigen Modulstränge 30 in Form einer Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden, die hinsichtlich der parallelen Anordnung der Modulstränge 30 geraden Ordnungszahlen entsprechen. Auf diese Weise wird erreicht, dass die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 und die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 jeweils ineinander verschachtelt angeordnet sind.
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3 zeigt eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Energiespeicher 40. Der Energiespeicher 40 umfasst innerhalb eines Gehäuses 41 eine erste Kombination 42 gleichzeitig ladbarer Modulstränge 30 und eine zweite Kombination 44 gleichzeitig ladbarer Modulstränge 30, wobei die erste Kombination 42 und die zweite Kombination 44 jeweils mittels einer festen Verdrahtung der jeweiligen Modulstränge 30 realisiert wird. Des Weiteren verfügt der Energiespeicher 40 über eine erfindungsgemäße Auswerteeinheit 10, die auf Basis eines Mikrocontrollers realisiert ist. Die Auswerteeinheit 10 ist an eine Speichereinheit 20 angebunden und verfügt darüber hinaus über einen Dateneingang 12 und einen Datenausgang 14. Mittels des Dateneingangs 12 ist die Auswerteeinheit 10 mit einer Sensorik 50 des Energiespeichers 40 informationstechnisch verbunden. Von der Sensorik nimmt die Auswerteeinheit 10 Sensorsignale entgegen, die jeweils Zustandsinformationen über eine Temperatur, einen Ladezustand, eine Spannung und einen Gesundheitszustand für die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 und die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 umfassen. Über den Datenausgang 40 ist die Auswerteeinheit 10 mit einer Schalteinheit 60 des Energiespeichers 40 informationstechnisch verbunden und eingerichtet, die Schalteinheit 60 in Übereinstimmung mit einer Ladestrategie anzusteuern. Die Schalteinheit 60 ist eingerichtet, über einen am Gehäuse 41 des Energiespeichers 40 angeordneten ersten äußeren Anschluss 46 elektrische Energie zum Laden der ersten Kombination 42 von Modulsträngen 30 und der zweiten Kombination 44 von Modulsträngen 30 über einen Eingang der Schalteinheit 60 aufzunehmen. Die elektrische Energie wird durch ein Ladegerät 70 bereitgestellt, das über einen dritten äußeren Anschluss 72 verfügt, welcher zur Übertragung der elektrischen Energie mit dem ersten äußeren Anschluss 46 des Energiespeichers 40 verbunden ist. Des Weiteren verfügt die Schalteinheit 60 über eine (nicht dargestellte) Mehrzahl von Schaltschützen, die eingerichtet sind, die mittels des Eingangs der Schalteinheit aufgenommene elektrische Energie in Abhängigkeit einer aktuellen Ansteuerung der Schalteinheit 60 bzw. der darin enthaltenen Schaltschütze durch die Auswerteeinheit 10 selektiv an die mit Ausgängen der Schalteinheit verbundene erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 und die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 abzugeben. Auf diese Weise lassen sich die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 und die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 in Übereinstimmung mit der Ladestrategie sequenziell alternierend und/oder teilalternierend laden.
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4 zeigt eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Ladegerät 70, welches in einem Gehäuse 71 angeordnet ist. Da die eingesetzten Komponenten überwiegend mit den Komponenten aus 3 übereinstimmen, werden zur Vermeidung einer redundanten Beschreibung im Folgenden nur die Unterschiede hinsichtlich der Anordnung der Komponenten und zu 3 abweichende Komponenten beschrieben. Ansonsten gelten die in 3 beschriebenen Funktionalitäten und Eigenschaften der jeweiligen Komponenten auch im Zusammenhang mit 4. Der grundsätzliche Unterschied zwischen der Ausführungsform in 3 und der Ausführungsform in 4 liegt darin, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche die Auswerteeinheit 10 zur Ausführung der Ladestrategie umfasst, nicht Bestandteil des Energiespeichers 40 selbst, sondern ein Bestandteil des Ladegeräts 70 ist. Dies gilt ebenso für die Schalteinheit 60, die innerhalb des Ladegeräts 70 an eine elektrische Energiequelle 76 angeschlossen ist, um über den Eingang der Schalteinheit 60 die durch die Energiequelle 76 abgegebene elektrische Energie aufzunehmen. Die Ausgänge der Schalteinheit 60 sind in dieser Ausführungsform mit einem am Gehäuse 71 des Ladegeräts 70 angeordneten dritten äußeren Anschluss 72 und einem vierten äußeren Anschluss 74 verbunden.
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Der Energiespeicher 40 umfasst in dieser Ausführungsform lediglich die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 und die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30, sowie erste äußere Anschlüsse 46 und zweite äußere Anschlüsse 48, die jeweils mit den Kombinationen 42, 44 von Modulsträngen 30 verbunden sind. Die ersten äußeren Anschlüsse 46 und zweiten äußeren Anschlüsse 48 sind jeweils mit einer elektrischen Leitung (z.B. Ladekabel) mit den dritten äußeren Anschlüssen 72 und vierten äußeren Anschlüssen 74 verbunden. Auf diese Weise können die Kombinationen 42, 44 von Modulsträngen 30 die durch die Auswerteeinheit 10 und die Schalteinheit 60 selektiv schaltbare elektrische Energie von der Energiequelle 76 in Übereinstimmung mit der Ladestrategie entgegennehmen. Ein weiterer Unterschied zur Ausführungsform in 3 ist die Anbindung der Sensorik 50 an den Dateneingang 12 der Auswerteeinheit 10. Da die Auswerteeinheit 10 hier ein Bestandteil des Ladegeräts 70 ist, verfügt das Ladegerät 70 über einen zweiten Sensoranschluss 54, der am Gehäuse 71 des Ladegeräts 70 angeordnet ist. Des Weiteren verfügt der Energiespeicher 40 über einen ersten Sensoranschluss 52, der im Gehäuse 41 des Energiespeichers 40 angeordnet ist. Mittels einer elektrischen Leitung (z.B. Ladekabel) wird der erste Sensoranschluss 52 mit dem zweiten Sensoranschluss 54 verbunden, so dass Sensorsignale der Sensorik 50 vom Energiespeicher 40 an die erfindungsgemäße Auswerteeinheit 10 im Ladegerät 70 übertragen werden können.
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5a zeigt ein erstes Beispiel für eine sequenziell alternierende und/oder teilalternierende Ladestrategie. Es ist ersichtlich, dass der durch die erfindungsgemäße Auswerteeinheit 10 gesteuerte Ladevorgang 86 für die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 und der Ladevorgang 88 für die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 zunächst eine gleichzeitige Ladephase 82 (dunkel dargestellte Bereiche) beider Kombinationen 42, 44 von Modulsträngen 30 entlang der Zeitachse t vorsieht, um beispielsweise beide Kombinationen 42, 44 von Modulsträngen 30 durch die Ladephase 82 so weit aufzuwärmen, dass sie sich im gewünschten Betriebstemperaturbereich befinden. Anschließend folgt zunächst für die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 eine Ladeunterbrechungsphase 84 (hell dargestellte Bereiche), so dass die Temperatur der ersten Kombination 42 von Modulsträngen 30 während der Ladeunterbrechungsphase 84 absinken kann und gleichzeitig die Relaxation in den jeweiligen Modulsträngen 30 stattfinden kann. Im Anschluss daran findet wieder eine Ladephase 82 der ersten Kombination 42 von Modulsträngen 30 statt, während die Auswerteeinheit 10 in diesem Zeitraum für die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 für eine Ladeunterbrechung 84 sorgt. Dieses hier exemplarisch dargestellte alternierende Laden wird im Folgenden sequenziell fortgesetzt, bis eine vordefinierte Endphase des gesamten Schnellladevorgangs erreicht wird. Ab Erreichen der vordefinierten Endphase werden beide Kombinationen 42, 44 von Modulsträngen 30 bis zum endgültigen Abschluss des Schnellladevorgangs gemeinsam geladen.
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5b zeigt ein zweites Beispiel für eine sequenziell alternierende und/oder teilalternierende Ladestrategie, das sich zum Beispiel in 5a dahingehend unterscheidet, dass der Ladevorgang 86 für die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 und der Ladevorgang 88 für die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 zunächst eine längere gleichzeitige Ladephase 82 vorsieht und die Ladeunterbrechung für die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 und die Ladeunterbrechung für die zweite Kombination 44 von Modulsträngen 30 nicht unmittelbar aufeinanderfolgen.
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5c zeigt ein drittes Beispiel für eine sequenziell alternierende und/oder teilalternierende Ladestrategie, das sich zu den 5a und 5b dahingehend unterscheidet, dass der Ladevorgang 86 für die erste Kombination 42 von Modulsträngen 30 zunächst eine Ladephase 82 vorsieht und der Ladevorgang 88 für die zweite Kombination 44 zunächst eine Ladeunterbrechungsphase 84 vorsieht. Anschließend folgt ein sequenziell alternierender Wechsel der Ladephase 82 und der Ladeunterbrechungsphase 84 zwischen den beiden Kombinationen 42, 44 von Modulsträngen. Zu einem vordefinierten Zeitpunkt für eine Endphase des Schnellladevorgangs werden wiederum beide Kombinationen 42, 44 von Modulsträngen gleichzeitig geladen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 953203 B2 [0004]
- DE 102010043912 A1 [0005]
