DE102018220430A1 - Elektrochemisches Energiespeichersystem - Google Patents

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Abstract

Elektrochemisches Energiespeichersystem umfassend mindestens einen Energiespeicherstrang mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen zum Erzeugen einer ersten Ausgangsspannung zwischen einer, mittels eines ersten Schalters mit einem ersten Pol des Energiespeicherstrangs elektrisch verbindbaren, ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme sowie einen Gleichspannungswandler, der mit zumindest einer elektrochemischen Energiespeicherzelle zum Erzeugen einer, von einer Schalterstellung des ersten Schalters unabhängigen, zweiten Ausgangsspannung zwischen einer dritten Anschlussklemme und einer vierten Anschlussklemme elektrisch verbindbar ist.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Energiespeichersystem umfassend mindestens einen Energiespeicherstrang mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen, zum Erzeugen einer ersten Ausgangsspannung zwischen einer, mittels eines ersten Schalters mit einem ersten Pol des Energiespeicherstrangs elektrisch verbindbaren, ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme sowie einer Verwendung des Batteriesystems gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • In Fahrzeugen mit Hochvolt-Batteriesystemen wird deren Energie zur Versorgung eines 12 Volt-Bordnetzes verwendet. Dazu wird üblicherweise ein Gleichspannungswandler an einen Hochvolt-Stromkreis des Batteriesystems angeschlossen. Bei hochautomatisierten Fahrzeugen darf eine Versorgung des 12 Volt-Bordnetzes nicht ohne Vorwarnzeit entfallen, da sicherheitskritische Funktionen, wie beispielsweise Lenkung oder Bremse, von dieser Versorgung abhängen. Gemäß dem Stand der Technik kann eine redundante Versorgung aufwändig mittels einer Spannungs-, Strom- und/oder Temperaturmessung sowie weiterer Aktorik in dem Hochvolt-Batteriesystem ermöglicht werden.
  • Die Druckschrift DE 10 2012 003 309 A1 offenbart ein System mit einer Spannungsquelle, die auf einer Hochspannungsseite des Systems angeordnet ist, und eine elektrische Systemlast, die auf einer Niederspannungsseite des Systems angeordnet ist. Die Hoch- und Niederspannungsseiten sind durch Gleichstromwandler miteinander verbunden. Die Spannungsquelle umfasst eine Reihenschaltung von Zellen, wobei die Verbindung in zwei Teilreihenabschnitte unterteilt ist, die in Reihe und parallel zueinander geschaltet sind. Die Wandler sind parallel zu den Leitungsabschnitten geschaltet, wobei die Spannungsausgänge der Wandler mit der Niederspannungsseite verbunden sind.
  • Die Druckschrift CN205186269U offenbart ein elektrisches Niederdruck-Servolenkungssystem für Kraftfahrzeuge, einschließlich Hochdruck-Energiespeichereinheit, DC/DC-Wandler, Servolenkmotor und Niederdruckbatterie.
  • Die Druckschrift US9302589B2 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeuges beim Defekt eines Energiesystems, wobei das Hybridfahrzeug von mindestens zwei Antriebsaggregaten gemeinsam oder getrennt angetrieben wird und mindestens ein elektrisches Antriebsaggregat ein Hochvoltenergiesystem elektrisch auflädt, welches ein Niedervoltenergiesystem mit elektrischer Energie versorgt, wobei eine Hochvoltspannung in eine Niedervoltspannung zur Versorgung von mindestens einer Steuereinheit des Hybridfahrzeuges umgesetzt wird und bei Feststellung eines Defektes im Hochvoltenergiesystem dieses von dem elektrischen Antriebsaggregat abgetrennt wird. Um die Energieversorgung der Steuergeräte über das Niedervoltenergiesystem auch bei einem Defekt des Hochvoltenergiesystems aufrecht zu erhalten, wird nach dem Abtrennen des Hochvoltenergiesystems das elektrische Antriebsaggregat in einen Zustand zur Erzeugung einer für den Nutzer sicherheitsunkritischen Spannung versetzt, wobei die sicherheitsunkritische Spannung zur Versorgung der mindestens einen Steuereinheit in die Niedervoltspannung umgesetzt wird.
  • Die Druckschrift US9487093B2 offenbart eine Steuervorrichtung zum Ansteuern eines Gleichspannungswandlers, mit einer Spannungsregeleinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, als Regelgröße die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers zu regeln, und einer Stromregeleinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, als Regelgröße den Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers zu regeln, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, ein Betriebswahlsignal zu empfangen, und in Abhängigkeit von dem Betriebswahlsignal die Spannungsregeleinrichtung derart einzustellen, dass die Spannungsregeleinrichtung die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf eine vorbestimmte konstante Maximalspannung begrenzt, und die Stromregeleinrichtung derart einzustellen, dass als Regelabweichung die Differenz zwischen einer vorbestimmten Sollausgangsspannung und der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers verwendet wird.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das elektrochemische Energiespeichersystem einen Gleichspannungswandler umfasst, der mit zumindest einer elektrochemischen Energiespeicherzelle zum Erzeugen einer, von einer Schalterstellung des ersten Schalters unabhängigen, zweiten Ausgangsspannung zwischen einer dritten Anschlussklemme und einer vierten Anschlussklemme elektrisch verbindbar ist. Dadurch können sicherheitskritische Komponenten direkt, beispielsweise nicht über Hauptschütze getrennt, mittels elektrochemischer Energiespeicherzellen versorgt werden. Weiter können hohe Sicherheitsanforderungen, beispielsweise ASIL D, für eine Verfügbarkeit einer Energieversorgung sicherheitskritischer Komponenten erfüllt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die elektrische Verbindung zwischen Gleichspannungswandler und elektrochemischer Energiespeicherzelle umfasst einen zweiten Schalter, zum elektrischen Zu- oder Wegschalten des Gleichspannungswandlers. Dadurch kann eine elektrische Verbindung zwischen den elektrochemischen Energiespeicherzellen und der dritten und vierten Anschlussklemme über den Gleichspannungswandler in einem Fehlerfall getrennt werden.
  • Als erste Ausgangsspannung wird eine Hochspannung erzeugt, insbesondere zwischen 400 Volt und 800 Volt. Mittels der Hochspannung kann beispielsweise eine elektrische Maschine über einen Inverter angetrieben werden.
  • Als zweite Ausgangsspannung wird eine Niederspannung erzeugt, insbesondere zwischen 12 Volt und 48 Volt. Mittels der Niederspannung können sicherheitskritische Komponenten redundant versorgt werden, ohne eine Steuerung der elektrochemischen Energiespeicher redundant auszulegen. Dadurch können Bauteile eingespart und bauvariantenspezifische Anpassungen einfach umgesetzt werden.
  • Der erste Schalter und der zweite Schalter umfassen Halbleiterschalter, insbesondere MOSFETs oder Thyristoren. Dadurch können schnelle Schaltzyklen und eine sichere Trennung einer elektrischen Verbindung erreicht werden.
  • Der Gleichspannungswandler weist eine niedrige Ausgangsleistung auf. Dadurch ist eine kostengünstige redundante Versorgung der sicherheitskritischen Komponenten möglich. Weiter wird im Wesentlichen kein zusätzlicher Bauraum benötigt, wodurch Platzbedarf und Gewicht reduziert werden.
  • Der Gleichspannungswandler umfasst einen unidirektionalen Wandler, insbesondere einen Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung. Dadurch wird sichergestellt, dass die elektrochemischen Energiespeicher in keinen gefährlichen Betriebszustand kommen, beispielsweise durch Überstrom und/oder Überladung.
  • Vorteilhafterweise findet das erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichersystems Verwendung in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems 100. Das elektrochemische Energiespeichersystem 100 umfasst einen Energiespeicherstrang 101 mit einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n), wobei ein erster Pol des Energiespeicherstrangs 101 mit einer ersten Anschlussklemme 103 (1), beispielsweise einem Hochvolt-Anschluss, mittels eines Schalters 106(1), beispielsweise ein Schütz und/oder ein Halbleiterschalter, elektrisch verbindbar ist. Ein zweiter Pol des Energiespeicherstrangs 101 ist mit einer zweiten Anschlussklemme 103 (2) mittels eines Schalters 106(2), beispielsweise ein Schütz und/oder ein Halbleiterschalter, elektrisch verbind bar.
  • Das elektrochemische Energiespeichersystem 100 umfasst ferner einen Gleichspannungswandler 105, der mit einer dritten Anschlussklemme 104(1) und einer vierten Anschlussklemme 104(2), beispielsweise einem Niedervolt-Anschluss des elektrochemischen Energiespeichersystems 100, elektrisch verbunden ist. Der Gleichspannungswandler 105 ist mittels eines Schalters 107 mit dem ersten Pol des Energiespeicherstrangs 101 elektrisch verbindbar sowie mittels einer elektrischen Verbindung mit einem zweiten Spannungsabgriff des Energiespeicherstrangs 101 elektrisch verbunden. Für eine redundante Versorgung, beispielsweise falls eine der elektrochemischen Energiespeicherzellen 102(1), 102(2) ausfällt, können weitere elektrische Verbindungen 109 mit oder ohne Schalter vorgesehen sein.
  • Die Energieversorgung an der dritten und vierten Anschlussklemme 104(1), 104(2) steht auch dann zur Verfügung, wenn das elektrochemischen Energiespeichersystem 100 oder der Energiespeicherstrang 101 in einen sicheren Zustand versetzt wird, also beispielsweise durch Öffnen der Schalter 106(1), 106(2). Der sichere Zustand kann beispielsweise die Folge eines Ausfalls der Sensorik innerhalb des elektrochemischen Energiespeichersystems 100 sein, da in diesem Fall keine Informationen über die elektrochemischen Energiespeicher 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n) zur Verfügung stehen, wobei gewährleistet sein muss, dass die elektrochemischen Energiespeicher 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n) nicht in einen gefährlichen Zustand kommen, beispielsweise durch eine Überladung, Unterladung oder Überhitzung.
  • Dies wird bei dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystem 100 wie folgt erreicht:
    • - Schutz vor einer Überladung der elektrochemischen Energiespeicher 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n): Es erfolgt nur eine Energieentnahme durch den Gleichspannungswandler 105, insbesondere einen unidirektionalen Gleichspannungswandler, daher ist keine Ladung der elektrochemischen Energiespeicher 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n) möglich.
    • - Schutz vor einer Tiefentladung der elektrochemischen Energiespeicher 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n): Eine Entladung unterhalb eines vorgegebenen Ladezustands ist in der gezeigten Ausführungsform möglich, stellt aber keinen kritischen Zustand einer der elektrochemischen Energiespeicher 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n) dar, da ein Ladevorgang von möglicherweise tiefentladenen elektrochemischen Energiespeichern 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n) des Batteriesystems 100 über ein Batteriemanagementsystem verhindert wird, beispielsweise dadurch, dass die Schalter 106(1), 106(2) erst wieder geschlossen werden können, wenn die Sensorik, also auch die Spannungsmessung, fehlerfrei funktioniert.
    • - Schutz vor einem Überstrom: Durch eine geeignete Auslegung des Gleichspannungswandlers 105 lässt dieser nur unkritische elektrische Ströme aus dem elektrochemischen Energiespeicher 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n) zu.
    • - Schutz vor einer Übertemperatur der elektrochemischen Energiespeicher 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n): Da der Gleichspannungswandler 105 nur über eine, relativ zur Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Energiespeichersystems 100, geringe Leistung verfügt, fließen nur geringe elektrische Ströme durch die elektrochemischen Energiespeicher 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n), wodurch die elektrochemischen Energiespeicher 102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n) nicht nennenswert erwärmt werden.
    • - Schutz vor einem Isolationsfehler: Falls ein Hochvoltkreis, beispielsweise zwischen den Anschlussklemmen 103(1), 103(2), einen Isolationsfehler aufweist, wird mindestens einer der Schalter 106(1), 106(2) geöffnet. Dieser Fall ist für die Spannungsversorgung über den Gleichspannungswandler 105 unkritisch, da über den Gleichspannungswandler 105 eine galvanische Trennung erfolgt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012003309 A1 [0003]
    • CN 205186269 U [0004]
    • US 9302589 B2 [0005]
    • US 9487093 B2 [0006]

Claims (8)

  1. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) umfassend mindestens einen Energiespeicherstrang (101) mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen (102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n)), zum Erzeugen einer ersten Ausgangsspannung zwischen einer, mittels eines ersten Schalters (106(1)) mit einem ersten Pol des Energiespeicherstrangs (101) elektrisch verbindbaren, ersten Anschlussklemme (103(1)) und einer zweiten Anschlussklemme (103(2)) sowie einen Gleichspannungswandler (105), der mit zumindest einer elektrochemischen Energiespeicherzelle (102(1), 102(2), 102(3), 102(4), 102(5), 102(n)) zum Erzeugen einer, von einer Schalterstellung des ersten Schalters (106(1)) unabhängigen, zweiten Ausgangsspannung zwischen einer dritten Anschlussklemme (104(1)) und einer vierten Anschlussklemme (104(2)) elektrisch verbindbar ist.
  2. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen Gleichspannungswandler (105) und elektrochemischer Energiespeicherzelle einen zweiten Schalter (107), zum elektrischen Zu- oder Wegschalten des Gleichspannungswandlers (105), umfasst.
  3. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Ausgangsspannung eine Hochspannung, insbesondere zwischen 400 Volt und 800 Volt, erzeugt wird.
  4. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Ausgangsspannung eine Niederspannung, insbesondere zwischen 12 Volt und 48 Volt, erzeugt wird.
  5. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (106(1)) und der zweite Schalter (107) Halbleiterschalter, insbesondere MOSFETs oder Thyristoren, umfassen.
  6. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (105) eine niedrige Ausgangsleistung aufweist.
  7. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (105) einen unidirektionalen Wandler, insbesondere mit galvanischer Trennung, umfasst.
  8. Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
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