DE102018217665A1 - Verfahren und System zum Betrieb von elektrischen Energiespeichern - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von elektrischen Energiespeichern (2, 4), insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, umfassend die Schritte einer Ermittlung (20) eines Ladezustands eines ersten Energiespeichers (2) mittels einer Auswerteeinheit (6, 6'), einer Ermittlung (22) eines Ladezustands eines zweiten Energiespeichers (4) mittels einer Auswerteeinheit (6, 6'), einer Ermittlung (24) einer aktuellen Leistungsanforderung mittels einer Auswerteeinheit (6, 6'), einer Anpassung (26) eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers (2, 4) auf Basis der ermittelten Ladezustände und der ermittelten aktuellen Leistungsanforderung mittels einer Steuereinheit (8), wobei das Anpassen (26) mittels zumindest eines Halbleiterschalters (10), insbesondere bidirektional erfolgt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren nach Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie einem System nach Gattung des unabhängigen Systemanspruchs.
  • Stand der Technik
  • Verfahren und Systeme zur Optimierung eines parallelen Betriebs elektrischer Energiespeicher sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Ein paralleler Betrieb mehrerer gleichartiger Akkus ist hierbei insbesondere sinnvoll, um eine elektrische Reichweite von Fahrzeugen zu skalieren. Für einen parallelen Betrieb müssen die Ladungszustände der Akkus nahe beieinanderliegen, damit keine großen Ausgleichsströme von einem zum anderen Akku erfolgen. Aus demselben Grund können auch keine verschieden gealterten bzw. verschieden große Akkus mit unterschiedlicher Zellchemie ohne Weiteres parallel betrieben werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Hauptanspruch dient insbesondere dem Betrieb von elektrischen Energiespeichern, vorzugsweise für den Einsatz in mobilen Systemen.
  • Hierbei ist der Vorteil des Verfahrens vor allem darin zu sehen, einen parallelen Betrieb von Energiespeichern ohne den Einsatz von verschleißanfälligen Relais, schweren und teuren DC/DC-Wandlern oder Leistungsverluste verursachenden Diodenschaltungen zu gewährleisten, der insbesondere auch eine direkte Aufladung bzw. Rückgewinnung von Bremsenergie in die Energiespeicher zulässt.
  • Das gegenständliche Verfahren zum Betrieb von elektrischen Energiespeichern kann vorzugsweise in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug zum Einsatz kommen. Hierbei wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst ein Ladezustand eines ersten Energiespeichers mittels einer Auswerteeinheit ermittelt. Zeitgleich oder nachfolgend auf die Ermittlung eines Ladezustands eines ersten Energiespeichers mittels einer Auswerteeinheit erfolgt gegenständlich die Ermittlung eines Ladezustands eines zweiten Energiespeichers mittels einer Auswerteeinheit. Hierbei können die Ladezustände von ein und derselben oder auch von unterschiedlichen Auswerteeinheiten ermittelt werden. Die Ermittlung der Ladezustände der Energiespeicher kann hierbei insbesondere über Messungen der Leerlaufspannung oder einer Strommessung bspw. über einen Shunt erfolgen. Alternativ kann bei der Verwendung von Energiespeichern mit flüssigem Elektrolyt der aktuelle Ladezustand der Energiespeicher auch über einer Messung der Säuredichte mittels eines Aerometers oder dergleichen erfolgen. Das Zeitintervall zur Ermittlung der Ladezustände der Energiespeicher kann ferner vorzugsweise frei gewählt werden und bspw. in Abhängigkeit weiterer Parameter, wie z. B. eines aktuellen Ladezustands der Energiespeicher oder den aktuellen Umgebungsbedingungen variiert werden. Weiterhin erfolgt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nachfolgend oder zeitgleich zu dem Ermitteln der Ladezustände der Energiespeicher eine Ermittlung einer aktuellen Leistungsanforderung mittels einer Auswerteeinheit. Auch die Ermittlung einer aktuellen Leistungsanforderung kann hierbei entweder mittels einer separaten Auswerteeinheit oder auch mittels derselben Auswerteeinheit erfolgen, mit denen auch die Ladezustände des ersten und/oder zweiten Energiespeichers bestimmt werden bzw. bestimmt wurden. Unter einer aktuellen Leistungsanforderung ist hierbei im Rahmen der Erfindung insbesondere eine aktuelle Beanspruchung eines die erfindungsgemäßen Energiespeicher umfassenden Systems zu verstehen. Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug kann dies insbesondere ein Streckenprofil, wie eine Ebenenfahrt, eine Bergauffahrt oder eine Bergabfahrt sein. Ebenso kann eine aktuelle Leistungsanforderung ein aktuelles Zuggewicht, Transportgewicht oder dergleichen sein. Ferner kann auch ein aktuelles Stromprofil eines Verbrauchers, insbesondere ein Einbruch bzw. eine Erholung einer Zwischenkreisspannung eines Inverters als eine aktuelle Leistungsanforderung angesehen werden. Nach der erfindungsgemäßen Ermittlung der Ladezustände der Energiespeicher sowie der erfindungsgemäßen Ermittlung einer aktuellen Leistungsanforderung erfolgt gegenständlich schließlich ein Anpassen eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers auf Basis der ermittelten Ladezustände und der ermittelten aktuellen Leistungsanforderung mittels einer Steuereinheit, wobei das Anpassen mittels zumindest eines Halbleiterschalters, insbesondere bidirektional erfolgt. Die erfindungsgemäße Anpassung kann hierbei vorzugsweise dynamisch, d.h. fortlaufend veränderbar und insbesondere in Abhängigkeit eines aktuellen Fahrmodus erfolgen. Während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann hierbei vorgesehen sein, dass einzelne, vorzugsweise die Schritte der Ermittlung der aktuellen Ladezustände und der aktuellen Leistungsanforderung zyklisch wiederholt werden. Dies könnte vor allem sinnvoll sein, um die Aussagekraft des Verfahrens zu verbessern und gegebenenfalls die Genauigkeit des Verfahrens zu erhöhen. Ein gegenständliches Anpassen könnte hierbei vorzugsweise dann nur ab Erreichen bzw. Überschreiten bestimmter Grenzwerte erfolgen. Der Einsatz eines Halbleiterschalters ermöglicht einen Ersatz der nachteiligen Verwendung von verschleißanfälligen Relais, schweren und teuren DC/DC-Wandlern oder verlustreichen Diodenschaltungen. Hierbei sollte der Halbleiterschalter insbesondere ein sehr schnelles Schalten ermöglichen, was die parallel betriebenen Energiespeicher vor Ausgleichsströmen schützt. Vorzugsweise sollte der Halbleiterschalter dazu geeignet sein, hohe Schaltströme in kurzer Zeit zu schalten, beispielweise einen Strom von bis zu 20 A, vorzugsweise von bis zu 200 A, besonders bevorzugt von bis zu 300 A, insbesondere von mehr als 500 A, um in Kleinanwendungen, wie E-Bikes, in E-Scootern, aber auch in größeren Anwendungen, wie Elektromotorrädern, Elektroautos, elektronisch betriebenen Lastkraftwagen, Schiffen oder Flugobjekten oder auch in stationären Anwendungen eingesetzt werden zu können. Alternativ können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch softwarebasierte Zu- und Abschaltprozesse vorgesehen sein, wobei diese ebenfalls schnell genug sein müssen, um die Energiespeicher vor Ausgleichsströmen zu schützen. Eine bidirektionale Schaltung ermöglicht ferner eine flexiblere Anpassung in zwei Richtungen, sodass nicht nur eine Aufladung, sondern auch eine Entladung zielgerichtet auf Basis der ermittelten Ladezustände und der ermittelten aktuellen Leistungsanforderung erfolgen kann.
  • Vorteilhafterweise kann im Hinblick auf eine schnellere und flexiblere Anpassung im Rahmen der Erfindung ferner vorgesehen sein, dass ein Anpassen eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers mittels zumindest zwei Halbleiterschaltern pro Energiespeicher erfolgt. Hierbei können die Halbleiterschalter vorzugsweise in die Steuereinheit integriert sein.
  • Im Rahmen einer besonders schonenden Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zudem eine Kurzschlusserkennung vorgesehen sein, wobei bei Erkennen eines Kurzschlusses ein Anpassen des Betriebs zumindest eines Energiespeichers mittels der Steuereinheit, insbesondere eine Abschaltung zumindest eines Energiespeichers mittels der Steuereinheit erfolgt. Im Rahmen einer solchen Ausführung kann der Stromkreis in dem die gegenständlichen Energiespeicher integriert sind vorzugsweise permanent auf Leitungsbrüche überprüft werden, wobei bei Erkennen eines Kurzschlusses vorteilhafterweise wiederum eine schnelle Abschaltung, insbesondere durch den Einsatz von Halbleiterschaltern erfolgen kann, sodass die Energiespeicher durch eine schnelle Abschaltung geschützt werden. Eine Abschaltung von Kurzschlüssen ist insbesondere bei der Verwendung von Relais zur Abschaltung problematisch, die durch die hohen Ströme bei einem Kurzschluss irreversible Schäden erlangen können. Die Abschaltzeit von Relais oder auch Sicherungen ist meist so lang, dass es vor der Trennung zu sehr hohen Strömen und einer Schädigung der Energiespeicher oder deren Aufbau-und Verbindungstechnik kommen kann. So kann eine Kurzschlusserkennung vorzugsweise über eine innerhalb der Steuereinheit angeordnete Vorrichtung zur Kurzschlusserkennung und/oder Kurzschlussabschaltung erfolgen. Alternativ kann eine Kurzschlusserkennung und Kurzschlussabschaltung auch über konventionelle Überstromschutzeinrichtungen, wie Schmelzsicherungen, elektronische Sicherungen oder dergleichen erfolgen.
  • Des Weiteren kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass ein Anpassen eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers an ein aktuelles Fahrprofil eines Kraftfahrzeugs erfolgt, wobei das Anpassen vorzugsweise anhand eines Vergleiches der Leerlaufspannungen der Energiespeicher mit einer Zwischenkreisspannung erfolgt. So können gemäß dem gegenständlichen Verfahren in einem Ausgangszustand bspw. zwei Energiespeicher mit unterschiedlicher Ladekapazität, Zellalterung oder Zellchemie nebeneinander betrieben werden. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Ermittlung einer aktuellen Leistungsanforderung können nun verschiedene Leistungsanforderungen bspw. im Hinblick auf ein aktuelles Fahrprofil ermittelt werden und der Betrieb zumindest eines Energiespeichers entsprechend an die ermittelten aktuellen Leistungsanforderungen angepasst werden.
  • So kann bei einer geringen Leistungsanforderung, bspw. bei einer Fahrt eines Fahrzeugs in einer Ebene eine Auswerteeinheit bspw. die aktuellen Ladekapazitäten der Energiespeicher über die aktuelle Zellspannung bzw. die Leerlaufspannung der Energiespeicher ermitteln und mit einer aktuellen Zwischenkreisspannung vergleichen. Wird hierbei nun registriert, dass die Leerlaufspannung der Energiespeicher größer ist, als die Zwischenkreisspannung, d. h. dass EBat > EZK, kann der Betrieb angepasst werden, indem bspw. der vorzugsweise an der Auswerteeinheit angeordnete Halbleiterschalter das System entsprechend schaltet, sodass der Energiespeicher mit der höheren Leerlaufspannung, also der Energiespeicher mit der aktuell größeren Ladekapazität, das System versorgt.
  • Bei einer hohen Leistungsanforderung, bspw. bei einer Fahrt eines Fahrzeugs am Berg, kann die Zwischenkreisspannung nun unter die Leerlaufspannung des Energiespeichers mit niedrigerer Ladekapazität sinken, woraufhin vorzugsweise mittels des Halbleiterschalters auch der zweite Energiespeicher hinzugeschaltet werden kann und dann beide Energiespeicher den Zwischenkreis bzw. das System versorgen können, womit sich der Strom entsprechend den Innenwiderständen der Energiespeicher aufteilt.
  • Neben einer geringen Leistungsanforderung und einer hohen Leistungsanforderung können ferner auch noch andere Leistungsprofile ermittelt werden, an die dann ebenfalls eine Anpassung des Betriebs zumindest eines Energiespeichers auf Basis der ermittelten Ladezustände und der ermittelten aktuellen Leistungsanforderung erfolgt. So kann bspw. ein Fahrprofil eines Übergangs von einer Bergfahrt in eine Ebenenfahrt festgelegt sein. Bei einer solchen Fahrt wird sich in der Regel die Zwischenkreisspannung erhöhen, sodass die Zwischenkreisspannung die Leerlaufspannung bzw. die Ladekapazität einer ersten Batterie übersteigt und EZK > EBat vorliegt. In diesem Fall kann die Verbindung zu dem Energiespeicher mit der niedrigeren Leerlaufspannung dauerhaft getrennt werden, sodass nur der Energiespeicher mit der höheren Leerlaufspannung das System bzw. den Zwischenkreis versorgt.
  • Schließlich kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls vorgesehen sein, dass eine Ladung der Energiespeicher vorgenommen wird. So können die Energiespeicher bspw. bei einer Bergabfahrt durch Rekuperation geladen werden. Bei einer solchen Bergabfahrt erhöht sich die Zwischenkreisspannung in der Regel weiter bis diese größer ist als die Leerlaufspannung des Energiespeichers mit der höheren Leerlaufspannung bzw. der größeren Ladekapazität. Ab diesem Punkt, an dem EZK > EBat auch für den aktiveren Energiespeicher gilt, kann die Stromrichtung umgekehrt werden und der Energiespeicher mittels Rekuperation geladen werden. Liegt die Zwischenkreisspannung zwischen den Leerlaufspannungen von beispielsweise zwei Batterien (EBat1 > EZK > EBat2) so kann vorzugsweise nur die Batterie mit dem geringeren Ladezustand durch die Rekuperation aufgeladen werden, welche sich damit dem Ladezustand der volleren Batterie annähert („verlustfreies Rekuperationsbalancing“). Das Zuschalten der zweiten Batterie kann aus Gründen der Maximierung des verlustfreien Rekuperationsbalancing so lange verzögert werden, bis die Rekuperationsenergie nicht mehr allein durch eine Batterie aufgenommen werden kann.
  • Im Rahmen einer besonders energieeffizienten Ausführung des gegenständlichen Verfahrens kann daher vorgesehen sein, dass ein Anpassen eines Betriebes zumindest eines Energiespeichers an ein aktuelles Farbprofil eines Kraftfahrzeugs derart erfolgt, dass hierdurch eine Umkehrung einer Stromrichtung erfolgt, wobei die Umkehrung der Stromrichtung vorzugsweise eine Ladung zumindest eines Energiespeichers bewirkt. Durch das erfindungsgemäße Erkennen der Stromrichtung kann hierbei insbesondere für die Entladung der Energiespeicher eine andere Energieschwelle festgelegt werden als für das Laden festgelegt ist. Dies kann insbesondere sinnvoll sein, da viele Energiespeicher für das Laden und Entladen unterschiedliche Maximalwerte besitzen und somit die maximal möglichen Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit ausgenutzt werden kann. Des Weiteren ist es bezüglich der Ladung der Energiespeicher denkbar, dass bei der Erkennung der Rekuperation bzw. der Ladung der Energiespeicher definiert wird bzw. definiert werden kann, welcher Energiespeicher die Ladung erhalten soll. Dies kann bspw. der Energiespeicher mit der niedrigeren Ladekapazität sein oder auch im Hinblick auf andere Parameter, wie bspw. der Zellchemie, der Zelltemperatur oder andere Parametern bestimmt werden.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein System zum Betrieb von elektrischen Energiespeichern, insbesondere zur Durchführung eines voranstehend beschriebenen Verfahrens. Hierbei ist gegenständlich vorgesehen, dass das System zumindest einen ersten Energiespeicher sowie einen zweiten Energiespeicher aufweist. Zudem umfasst das erfindungsgemäße System zumindest eine Auswerteeinheit zur Ermittlung eines aktuellen Ladezustands des ersten und des zweiten Energiespeichers sowie einer aktuellen Leistungsanforderungen des Systems. Ferner weist das gegenständliche System eine Steuereinheit zur Anpassung eines Betriebs zumindest eines der Energiespeicher auf Basis der ermittelten Ladezustände und der ermittelten aktuellen Leistungsanforderung des Systems auf. Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Dank des erfindungsgemäßen Systems ist es insbesondere möglich, Energiespeicher mit unterschiedlichen Ladezuständen, unterschiedlichen Alterungen und unterschiedlicher Zellchemie parallel zueinander zu betreiben, ohne dass hierfür verschleißanfällige Relais und/oder schwere und teure DC/DC-Wandler und/oder verlustreiche Diodenschaltungen verwendet werden müssen. Im Hinblick auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems ist hierbei vor allem die Steuereinheit derart ausgebildet, dass eine gewünschte Systemleistung auch bei unterschiedlicher Alterung und Ladezuständen der Energiespeicher zur Verfügung gestellt werden kann. Zur Steuerung des erfindungsgemäßen Systems sind die einzelnen Systemkomponenten vorzugsweise miteinander über Steuer- bzw. Kommunikationsverbindungen verbunden. Die Steuer- bzw. Kommunikationsverbindungen können hierbei zumindest tlw. drahtlos bzw. kontaktlos und/oder zumindest tlw. drahtgebunden gebildet sein. Im Rahmen einer drahtgebundenen Ausführung des erfindungsgemäßen Systems können die Steuer- und/oder Kommunikationsverbindungen vorteilhafterweise über ein BUS-System, insbesondere ein CAN-BUS-System miteinander verbunden sein. Im Rahmen einer drahtlosen bzw. kontaktlosen Ausführung des gegenständlichen Systems können die einzelnen Systemkomponenten vorteilhafterweise über WLAN, Bluetooth, NFC, Zigbee oder dergleichen verbunden sein.
  • Des Weiteren wird im Rahmen dieser Erfindung vorgeschlagen, dass die Energiespeicher des gegenständlichen Systems in Form von elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder chemischen Energiespeichern gebildet sind. Im Rahmen elektrischer Energiespeicher können die Energiespeicher hierbei insbesondere als Kondensatoren oder Super-Caps gebildet sein. Im Hinblick auf eine Ausbildung als elektrochemische Energiespeicher können diese vorzugsweise in Form von Akkumulatoren oder Batterien, insbesondere Bleisäure-Batterien, Li-lonen-Batterien, NaS-Batterien, Redox-Flow-Batterien oder dergleichen gebildet sein. Hinsichtlich einer Ausführung der Energiespeicher als chemische Energiespeicher können diese insbesondere als Brennstoffzellen gebildet sein.
  • Um eine gewisse Modularität, insbesondere eine einfache Integration und Nachrüstbarkeit des erfindungsgemäßen Systems zu ermöglichen, kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit Detektionsmittel zur Erfassung von Daten zur Ermittlung eines aktuellen Ladezustands eines ersten und eines zweiten Energiespeichers und einer aktuellen Leistungsanforderungen des Systems aufweist. Hierbei kann die Auswerteeinheit vorzugsweise in Form einer digitalen Auswerteeinheit gebildet sein und als Detektionsmittel bspw. Sensoren umfassen, die vorteilhafterweise an unterschiedlichen Positionen des gegenständlichen Systems angeordnet sind. Das können bezüglich der Bestimmung eines aktuellen Ladezustands insbesondere Sensoren zur Bestimmung eines aktuellen Stromes, wie ein Leitungswiderstand (Shunt) oder Hall-Sensoren oder Sensoren zur Bestimmung einer aktuellen Stromrichtung, einer aktuellen Temperatur, einer aktuellen Lehrlaufspannung, eines aktuellen Innenwiderstandes oder einer Ladungsmenge oder dergleichen sein. Bezüglich einer aktuellen Leistungsanforderung können die Sensoren ferner insbesondere zur Bestimmung eines Streckenprofils, einer aktuellen Geschwindigkeit, einer aktuell verbrauchten Leistungen, eines aktuellen Gegenwindes, eines aktuellen Zug- oder Transportgewichtes oder dergleichen gebildet sein. Im Rahmen einer besonders exakten und aussagekräftigen Bestimmung eines aktuellen Ladezustands und/oder einer aktuellen Leistungsanforderung des Systems können die mittels der Detektionseinheit erfassten Daten insbesondere mittels verschiedener Sensoren ermittelt werden, wobei die Daten hierbei vorzugsweise gemittelt und/oder gewichtet und/oder anderen statistischen Datenauswertungsmethoden unterworfen werden können. Im Rahmen einer einfachen und effizienten Kommunikation der gegenständlichen Systemkomponenten kann ferner vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit ein Batteriemanagementsystem oder dergleichen umfasst oder an ein solches gekoppelt ist.
  • Im Hinblick auf eine energieeffiziente, kostengünstige und zugleich schonende Anpassung eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers auf Basis der ermittelten Ladezustände und der ermittelten aktuellen Leistungsanforderung kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass die Steuereinheit zumindest einen Halbleiterschalter zur Anpassung eines Betriebes zumindest eines Energiespeichers aufweist. Vorzugsweise umfasst das gegenständliche System hierbei mehrere mit einander verschaltete, insbesondere in die Steuereinheit integrierte Halbleiterschalter zur Anpassung eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers. Der zumindest eine gegenständliche Halbleiterschalter ist hierbei vorzugsweise geeignet, hohe Schaltströme in kurzer Zeit zu schalten, bspw. einen Strom von bis zu 20 A, vorzugsweise von bis zu 200 A, besonders bevorzugt von bis zu 300 A, insbesondere von mehr als 500 A.
  • Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Halbleiterschalter als Feldeffekttransistor, insbesondere als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) gebildet und über das Anlegen einer Steuerspannung (Gate-Source-Spannung) bzw. eines Steuerpotentials (Gate-Potential) schaltbar. Alternativ oder kumulativ kann der bzw. können die Halbleiterschalter auch in Form eines Thyristors oder eines Bipolartransistors, insbesondere eines IGBT-Schalters oder SiC Schalters ausgebildet sein.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfassend ein voranstehend beschriebenes System. Alternativ zu einem Kraftfahrzeug kann das gegenständliche System ferner insbesondere in ein Zweirad, ein Boot, einen Gabelstapler, einen LKW, ein Luftfahrobjekt, eine stationäre Einrichtung oder dergleichen intergiert ein.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb von elektrischen Energiespeichern, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen,
    • 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zum Betrieb von elektrischen Energiespeichern.
  • In den Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale identische Bezugszeichen verwendet.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb von elektrischen Energiespeichern 2, 4, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen umfassend die Schritte 20 bis 26. Im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zunächst ein Ermitteln 20 eines Ladezustands eines ersten Energiespeichers 2 mittels einer ersten Auswerteeinheit 6.
  • In einem zweiten, vorzugsweise gleichzeitig zu dem ersten Schritt ausgeführten Schritt erfolgt zudem ein Ermitteln 22 eines Ladezustands eines zweiten Energiespeichers 4 mittels einer zweiten Auswerteeinheit 6'. Hierbei können die Ladezustände der Energiespeicher 2, 4 alternativ auch mittels derselben Auswerteeinheit 6, 6'ermittelt werden, wobei die Ermittlung 22, 24 der Ladezustände der Energiespeicher 2, 4 hierbei vorzugsweise über die Messung eines Stroms bspw. über einen Shunt oder einer Leerlaufspannung oder dergleichen ermittelt werden kann.
  • In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, der ebenfalls entweder zeitgleich oder zeitversetzt zu dem ersten und/oder zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt, wird eine aktuelle Leistungsanforderung mittels einer der Auswerteeinheiten 6, 6' ermittelt. Die Ermittlung 24 kann hierbei alternativ auch über eine hier nicht explizit dargestellte separate Auswerteeinheit 4" erfolgen. Unter einer aktuellen Leistungsanforderung ist hierbei vorliegend insbesondere eine aktuelle Beanspruchung eines das erfindungsgemäße Verfahren ausführenden Systems zu verstehen. Dies kann bspw. ein aktuelles Fahrprofil, wie eine Bergauffahrt oder Bergabfahrt oder dergleichen sein oder auch ein aktuelles Transport- bzw. Zuggewicht oder dergleichen.
  • Nach den Schritten 1 bis 3 erfolgt in einem vierten Schritt des gegenständlichen Verfahrens schließlich ein Anpassen 26 eines Betriebs zumindest eines elektrischen Energiespeichers 2, 4 auf Basis der ermittelten Ladezustände und der ermittelten aktuellen Leistungsanforderungen mittels einer Steuereinheit 8.
  • Die Anpassung 26 erfolgt hierbei vorzugsweise nach der erfindungsgemäßen Ermittlung 20, 22, 24 der Ladezustände der Energiespeicher 2, 4 sowie der aktuellen Leistungsanforderung. Ein Anpassen 26 eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers 2, 4 kann hierbei vorzugsweise mittels zumindest eines Halbleiterschalters 10 erfolgen, der vorzugsweise in die Steuereinheit 8 integriert sein kann und auf diese Weise die Verwendung von verschleißanfälligen Relais, schweren und teuren DC/DC-Wandlern oder verlustreichen Diodenschaltern ersetzt. Das Anpassen 26 eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers 2, 4 kann hierbei insbesondere an ein aktuelles Fahrprofil eines Kraftfahrzeugs erfolgen, wobei das Anpassen 26 dann vorzugsweise anhand eines Vergleichs der Leerlaufspannungen der Energiespeicher 2, 4 mit einer Zwischenkreisspannung erfolgt. Im Hinblick auf ein aktuelles Fahrprofil können hierbei bspw. verschiedene Zustände, wie ein Ausgangszustand, ein Zustand einer geringen Leistungsanforderung, ein Zustand einer hohen Leistungsanforderung, ein Zustand von einer Bergfahrt in eine Ebenenfahrt oder einer Bergfahrt unterschieden werden.
  • Im Hinblick auf eine möglichst zuverlässige Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die einzelnen Schritte des Verfahrens ferner vorzugsweise zyklisch wiederholt werden. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die ersten drei Schritte 20, 22 und 24 des erfindungsgemäßen Verfahrens zyklisch wiederholt werden und der vierte Schritt einer Anpassung 26 eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers erst ab Erreichen bzw. Überschreiten bestimmter Grenzwerte erfolgt.
  • Des Weiteren kann im Rahmen des gegenständlichen Verfahrens ebenfalls vorgesehen sein, dass ein Anpassen 26 eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers 2, 4 an ein aktuelles Fahrprofil eines Kraftfahrzeugs derart erfolgt, dass eine Umkehrung einer Stromrichtung erfolgt, wobei die Umkehrung der Stromrichtung vorzugsweise eine Ladung zumindest eines Energiespeichers bewirkt. Im Rahmen einer Ladung können die Energiespeicher 2, 4 eines Kraftfahrzeugs hierbei vorzugsweise mittels Rekuperation oder dergleichen geladen werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum Betrieb von elektrischen Energiespeichern 2, 4. Das gegenständliche System 1 umfasst hierbei einen ersten Energiespeicher 2, einen zweiten Energiespeicher 4 sowie vorliegend eine erste Auswerteeinheit 6 und eine zweite Auswerteeinheit 6' zur Ermittlung eines aktuellen Ladezustandes des ersten und zweiten Energiespeichers 2, 4 sowie einer aktuellen Leistungsanforderung des Systems 1.
  • Im Rahmen einer besonders kompakten und einfachen Anordnung des gegenständlichen Systems 1 kann ebenso auch nur eine Auswerteeinheit 6 oder 6' angeordnet sein, die die Ermittlung eines aktuellen Ladezustands des ersten und des zweiten Energiespeichers 2, 4 durchführt sowie auch eine aktuelle Leistungsanforderungen des Systems 1 ermittelt. Die gegenständlichen Energiespeicher 2, 4 sind vorliegend insbesondere in Form von elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder chemischen Energiespeichern, wie Kondensatoren, Super-Caps, Akkumulatoren, Batterien, Brennstoffzellen oder dergleichen gebildet.
  • Innerhalb der Auswerteeinheiten 6, 6' sind vorliegend Detektionsmittel 12 angeordnet, die vorzugsweise als Sensoren oder dergleichen gebildet sind und den Ladezustand der Energiespeicher 2, 4 anhand von Messungen der aktuellen Leerlaufspannung bzw. eines aktuellen Stromes oder dergleichen bestimmen. Dies können insbesondere Strommesswiderstände, wie ein Shunt oder Hall-Sensoren oder dergleichen sein. Im Rahmen einer besonders exakten und aussagekräftigen Bestimmung eines aktuellen Ladezustands und/oder einer aktuellen Leistungsanforderung des Systems 1 können die mittels der Detektionseinheiten 12 erfassten Daten hierbei insbesondere mittels verschiedener Sensoren 12 ermittelt werden, wobei die Daten vorzugsweise gemittelt und/oder gewichtet und/oder anderen statistischen Datenauswertungsmethoden unterworfen werden.
  • Neben den Energiespeichern 2, 4 sowie den Auswerteeinheiten 6, 6' umfasst das gegenständliche System 1 ferner eine über jeweils eine Kommunikations- und Steuerleitung 14 mit den Auswerteeinheiten 6, 6' verbundene Steuereinheit 8 zur Anpassung 26 eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers 2, 4 auf Basis der ermittelten Ladezustände und ermittelten aktuellen Leistungsanforderungen des Systems 1.
  • Die gegenständliche Steuereinheit 8 weist hierbei vorliegend vier Halbleiterschalter 10 zur Anpassung eines Betriebs der Energiespeicher 2, 4 auf, die vorliegend als Feldeffekttransistoren, insbesondere als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET's) gebildet sind und über das Anlegen einer Steuerspannung (Gate-Source-Spannung) bzw. ein Steuerpotential (Gate-Potential) schaltbar sind. Alternativ oder kumulativ können die Halbleiterschalter auch in Form von Thyristoren oder Bipolartransistoren, insbesondere IGBT-Schaltern oder SiC-Schaltern ausgebildet sein. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Halbleiterschalter 10 ist es insbesondere möglich, auf eine Verwendung von verschleißanfälligen Relais, schweren und teuren DC/DC-Wandlern oder verlustreichen Diodenschaltern zu verzichten und damit einen energieeffizienten, kostengünstigen und zugleich systemschonenden Betrieb von elektrischen Energiespeichern zu gewährleisten. Die gegenständlichen Halbleiterschalter sind hierbei insbesondere in der Lage, hohe Schaltströme in kurzer Zeit zu schalten, wobei die Schalter bspw. einen Strom von bis zu 20 A, vorzugsweise von bis zu 200 A, besonders bevorzugt von bis zu 300 A, insbesondere von mehr als 500 A schalten können. Ferner ist innerhalb der Steuereinheit 8 eine Kurzschlusserkennung 16 zur Erkennung eines Kurzschlusses angeordnet, die vorteilhafterweise auch zur Abschaltung eines Kurzschlusses geeignet ist. Mittels der Kurzschlusserkennung 16 kann eine Verbindung zu den Energiespeichern beispielsweise durch ein geeignetes Herunterfahren der Steuerspannung beispielsweise auf 0V oder ein negatives Potential am Gate unterbrochen werden. Alternativ kann eine Kurzschlusserkennung 16 und/oder Kurzschlussabschaltung auch über konventionelle Überstromschutzeinrichtungen, wie Schmelzsicherungen, elektronische Sicherungen oder dergleichen gebildet sein.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb von elektrischen Energiespeichern (2, 4), insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, umfassend die Schritte: - Ermitteln (20) eines Ladezustands eines ersten Energiespeichers (2) mittels einer Auswerteeinheit (6, 6'), - Ermitteln (22) eines Ladezustands eines zweiten Energiespeichers (4) mittels einer Auswerteeinheit (6, 6'), - Ermitteln (24) einer aktuellen Leistungsanforderung mittels einer Auswerteeinheit (6, 6'), - Anpassen (26) eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers (2, 4) auf Basis der ermittelten Ladezustände und der ermittelten aktuellen Leistungsanforderung mittels einer Steuereinheit (8), wobei das Anpassen (26) mittels zumindest eines Halbleiterschalters (10), insbesondere bidirektional erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anpassen (26) eines Betriebs zumindest eines Energiespeichers (2, 4) mittels zumindest zwei Halbleiterschaltern (10) pro Energiespeicher (2, 4) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurzschlusserkennung (16) vorgesehen ist, wobei bei Erkennen eines Kurzschlusses ein Anpassen (26) des Betriebes zumindest eines Energiespeichers (2, 4) mittels der Steuereinheit (8), insbesondere eine Abschaltung zumindest eines Energiespeichers (2, 4) mittels der Steuereinheit (8) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anpassen (26) eines Betriebes zumindest eines Energiespeichers (2, 4) an ein aktuelles Fahrprofil eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, wobei das Anpassen (26) vorzugsweise anhand eines Vergleiches der Leerlaufspannungen der Energiespeicher (2, 4) mit einer Zwischenkreisspannung erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anpassen (26) eines Betriebes zumindest eines Energiespeichers (2, 4) an ein aktuelles Fahrprofil eines Kraftfahrzeugs derart erfolgt, dass hierdurch eine Umkehrung einer Stromrichtung erfolgt, wobei die Umkehrung der Stromrichtung vorzugsweise eine Ladung zumindest eines Energiespeichers (2, 4) bewirkt.
  6. System (1) zum Betrieb von elektrischen Energiespeichern (2, 4), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: - einen ersten Energiespeicher (2), - einen zweiten Energiespeicher (4), - zumindest eine Auswerteeinheit (6, 6') zur Ermittlung eines aktuellen Ladezustands eines ersten und eines zweiten Energiespeichers (2, 4) sowie einer aktuellen Leistungsanforderung des Systems (1), - eine Steuereinheit (8) zur Anpassung (26) eines Betriebes zumindest eines Energiespeichers (2, 4) auf Basis der ermittelten Ladezustände und der ermittelten aktuellen Leistungsanforderung des Systems (1).
  7. System (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (2, 4) in Form von elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder chemischen Energiespeichern gebildet sind.
  8. System (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6, 6') Detektionsmittel (12) zur Erfassung von Daten zur Ermittlung (20, 22, 24) eines aktuellen Ladezustands eines ersten und eines zweiten Energiespeichers (2, 4) und einer aktuellen Leistungsanforderung des Systems aufweist.
  9. System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) zumindest einen Halbleiterschalter (10) zur Anpassung (26) eines Betriebes zumindest eines Energiespeichers (2, 4) aufweist.
  10. Kraftfahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfassend ein System (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.
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