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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung einer Verlustleistung eines elektrischen Energiespeichers, wobei ein erster elektrischer Strom durch den elektrischen Energiespeicher bereitgestellt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Speichervorrichtung mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer entsprechenden elektrischen Energiespeichervorrichtung.
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Aufgrund steigender Leistungsanforderungen an elektrische Energiespeicher müssen zum Beispiel immer höhere Ströme bereitgestellt und in den Batterien fließen können. Durch diese hohen Ströme sowohl in Lade- als auch in Entladerichtung kommt es zu einer sehr starken Wärmeentwicklung durch die Verlustmechanismen des elektrischen Energiespeichers. Energiespeicher besitzen in der Regel allerdings nur einen eingeschränkten Temperaturbereich, in welchem ein sicherer, störungsfreier und möglichst alterungs- und verschleißfreier Betrieb möglich ist. Im Betrieb wird insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien die obere Temperaturgrenze der Batterie schnell erreicht, sodass die Batterie gekühlt werden muss. Hierbei ergibt sich ein Problem, dass ein Kühlgerät zusätzliche Kosten verursacht sowie Gewicht und Bauraum hat. Insbesondere wird dadurch die Wärme nur an der Oberfläche des Energiespeichers abgeführt.
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Die
DE 10 2016 013 668 A1 offenbart ein Verfahren zum Erwärmen einer Batterie eines Hybridantriebsstrangs eines Fahrzeugs. Der Hybridantriebsstrang umfasst einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine und einen mit der Batterie und der elektrischen Maschine elektrisch gekoppelten Inverter. Bei einer Betriebstemperatur unterhalb eines ersten Grenzwertes wird der Inverter des Hybridantriebs in einen Drehphasenkurzschluss geschaltet und die elektrische Maschine vom Verbrennungsmotor angetrieben, wobei eine dadurch in dem Inverter und/oder in der elektrischen Maschine erzeugte Wärme der Batterie zugeführt wird. Bei einer Batterietemperatur ab dem ersten Grenzwert wird die Batterie durch zyklisches Laden und Entladen erwärmt.
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Die
DE 10 2013 017 343 A1 offenbart ein Verfahren zum Beheizen von Batteriezellen einer Batterie, insbesondere einer Hochvolt-Batterie, in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb, wobei der elektrische Fahrzeugantrieb auch als Generator verwendet werden kann. Die Batterie umfasst eine elektrische Heizeinrichtung zum Erwärmen der wenigstens einen Batteriezelle. Mit einem Steuergerät kann ein durch Rekuperation gewonnener elektrischer Strom zu der wenigstens einen Batteriezelle und der elektrischen Heizeinrichtung verteilt werden.
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Die
US 8,941,357 B2 offenbart einen Batterieheizkreis. Der Batterieheizkreis umfasst eine Schalteinheit, ein Schaltsteuermodul, eine Dämpfungskomponente, einen Energiespeicherkreis und einen Freilaufkreis. Die Speicherschaltung ist mit der Batterie verbunden und umfasst eine Stromspeicherkomponente und eine Ladungsspeicherkomponente. Das Schaltsteuermodul ist mit der Schalteinheit verbunden und so konfiguriert, dass es das Ein- und Ausschalten der Schalteinheit steuert, sodass die Energie zwischen der Batterie und der Energie hin- und herfließen kann. Der Freilaufkreis ist so konfiguriert, dass er den zur Batterie fließenden Strom aufrechterhält, wenn Strom von dem Energiespeicherkreis zur Batterie fließt und nachdem die Schalteinheit abgeschaltet wurde.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, eine elektrische Speichervorrichtung und ein Fahrzeug bereitzustellen, mit welchen ein Gesamtwirkungsgrad eines elektrischen Energiespeichers verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, eine elektrische Speichervorrichtung und ein Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung einer Verlustleistung eines elektrischen Energiespeichers, wobei ein erster elektrischer Strom durch den elektrischen Energiespeicher bereitgestellt wird. Mit einer Stromquelle wird ein zum ersten elektrischen Strom entgegengerichteter zweiter Strom in Abhängigkeit von dem ersten Strom erzeugt, und bei einem Betriebsmodus des elektrischen Energiespeichers wird der zweite Strom in den elektrischen Energiespeicher eingeprägt, wodurch die Verlustleistung des elektrischen Energiespeichers reduziert wird. Dadurch kann ein zusätzliches Kühlgerät beziehungsweise eine Kühleinheit für den elektrischen Energiespeicher zur Verringerung einer Temperatur des elektrischen Energiespeichers reduziert werden. Insbesondere kann durch die vorgetragene Realisierungsmöglichkeit der Verringerung der Verlustleistung zudem der Gesamtwirkungsgrad des elektrischen Energiespeichers oder eines Energiespeichersystems gesteigert werden. Insbesondere wird durch die Verringerung der Verlustleistung des elektrischen Energiespeichers die Temperatur des elektrischen Energiespeichers reduziert, sodass eine höhere Leistungsentnahme mit dem elektrischen Energiespeicher durchführbar ist. Insbesondere ergeben sich weniger Verlustleistungen bei einem Entlade- und/oder Ladezustand des elektrischen Energiespeichers. Insbesondere kann durch die Einprägung des zweiten Stroms in den elektrischen Energiespeicher dafür gesorgt werden, dass es zu einer geringeren Temperaturerhöhung des elektrischen Energiespeichers kommt. Durch Wegfall oder Reduzierung von zusätzlichen Kühleinheiten für den elektrischen Energiespeicher kann Bauraum eingespart werden, Gewichtsreduzierung durchgeführt werden und Kosten minimiert werden. Durch die geringeren Verluste des elektrischen Energiespeichers und den geringeren Energiebedarf für die Kühlung kann insbesondere der Gesamtwirkungsgrad des elektrischen Energiespeichers erhöht werden. Dadurch kann insbesondere der elektrische Energiespeicher in vielfältigeren Anwendungsgebieten eingesetzt werden, da eine höhere Leistungsentnahme erreicht werden kann.
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Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich beispielsweise um eine Traktionsbatterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie oder um eine Fahrzeugbatterie oder um einen Kondensator oder um eine Brennstoffzelle oder um einen elektrischen oder elektromechanischen Energiespeicher handeln. Bei dem ersten elektrischen Strom kann es sich beispielsweise um einen Entlade- oder um einen Ladestrom des elektrischen Energiespeichers handeln. Bei der Stromquelle kann es sich beispielsweise um einen zusätzlichen Energiespeicher oder um eine Brennstoffzelle oder um einen Kondensator oder um eine weitere elektrische Energiequelle oder um einen elektrischen Stromgenerator, der durch einen Verbrennungsmotor oder Fahrzeugräder oder ähnliches angetrieben wird, handeln.
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Insbesondere wird mit der Stromquelle ein entgegengerichteter Strom in Abhängigkeit von dem ersten Strom erzeugt. Insbesondere handelt es sich dabei um Energieflussprofile wie beispielsweise einen Strompuls oder um ein Stromprofil. Bei dem Betriebsmodus des elektrischen Energiespeichers kann es sich entweder um einen Ladebetrieb oder um einen Entladebetrieb handeln.
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Insbesondere kann durch den zweiten Strom ein entgegengerichtetes Energieflussprofil zur jeweiligen Belastung des elektrischen Energiespeichers ein zusätzlicher Energiefluss in den Energiespeicher eingeprägt werden. Bei einem beispielhaften Energiespeicher als elektrischem Energiespeicher bewirkt dieser entgegengerichtete Strom eine Reduktion eines inneren Ausgleichsstroms, welcher Verluste im elektrischen Energiespeicher verursachen würde. Dadurch wird die Verlustleistung eines elektrischen Energiespeichers gesenkt. Insbesondere kann durch die vorgeschlagene Erfindung eine aktive Verringerung der Verlustleistung im elektrischen Energiespeicher erreicht werden.
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Beispielsweise kann es sich bei dem elektrischen Energiespeicher im einfachsten Fall um ein RC-Glied handeln oder der elektrische Energiespeicher kann als RC-Glied betrachtet werden. Das RC-Glied besteht im einfachsten Fall aus einem Kondensator und einem hierzu parallelgeschalteten Widerstand.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Speichervorrichtung mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher und einem ersten Strompfad zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Stroms aus dem elektrischen Energiespeicher. Die elektrische Speichervorrichtung umfasst einen zweiten Strompfad in dem elektrischen Energiespeicher, und eine Stromquelle kann zum Erzeugen eines zum ersten Strom entgegengerichteten zweiten Strom in dem elektrischen Energiespeicher in Abhängigkeit von dem ersten Strom verwendet werden. Dadurch kann eine aktive Verlustleistungsverringerung im elektrischen Energiespeicher beziehungsweise in der Speichervorrichtung durch zusätzlich eingefügte entgegengerichtete Energieflussprofile wie der entgegengerichtete zweite Strom realisiert werden. Insbesondere kann mit der elektrischen Speichervorrichtung ein Verfahren nach einem der vorher geschilderten Aspekte oder einer Weiterbildung daraus durchgeführt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer elektrischen Speichervorrichtung, wie diese in den vorherigen Aspekten erläutert wurde. Insbesondere kann es sich bei dem Fahrzeug um ein elektrisch betriebenes Fahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Figur eine beispielshafte Speichervorrichtung in einem Fahrzeug.
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Die Fig. zeigt ein beispielhaftes Fahrzeug 1 mit einer elektrischen Speichervorrichtung 2. Die Speichervorrichtung 2 weist zumindest einen elektrischen Energiespeicher 3 auf. Bei dem Fahrzeug 1 kann es sich beispielsweise um ein Hybridfahrzeug oder um ein elektrisch betriebenes Fahrzeug handeln.
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Insbesondere weist die elektrische Speichervorrichtung 2 einen ersten Strompfad zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Stroms I1 aus dem elektrischen Energiespeicher 3 auf. Die elektrische Speichervorrichtung 2 weist ebenso einen zweiten Strompfad in dem elektrischen Energiespeicher 3 auf. Mit einer Stromquelle 4 kann insbesondere ein zum ersten elektrischen Strom I1 entgegengerichteter zweiter Strom I2 mit dem elektrischen Energiespeicher 3 in Abhängigkeit von dem ersten Strom erzeugt werden.
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Beispielsweise kann es sich bei der Stromquelle um eine Energiequelle oder um eine Brennstoffzelle oder um eine zweite Batterie oder um einen Kondensator handeln. In diesem Beispiel wird als Stromquelle 4 ein Verbrennungsmotor 5 des Fahrzeugs 1 verwendet. Das Fahrzeug 1 weist neben dem Verbrennungsmotor 5 einen Generator 6 und ein Getriebe 7 auf. Mithilfe des Verbrennungsmotors 5 und des Generators 6 kann der zweite Strom I2 in den elektrischen Energiespeicher 3 eingeprägt werden. Dadurch kann insbesondere eine Verlustleistung des elektrischen Energiespeichers 3 verringert werden. Insbesondere wird bei einem Betriebsmodus des elektrischen Energiespeichers 3 der entgegengerichtete zweite Strom eingeprägt, wodurch die Verlustleistung des elektrischen Energiespeichers 3 reduziert werden kann. Dadurch kann insbesondere eine aktive Verringerung der Verlustleistung des Energiespeichers 3 erreicht werden. Insbesondere können dadurch Temperaturerhöhungen des elektrischen Energiespeichers 3 reduziert werden. Insbesondere wird mithilfe des zweiten Stroms I2 ein entgegengerichtetes Energieflussprofil zur jeweiligen Belastung des elektrischen Energiespeichers 3 als zusätzlicher Energiefluss in den elektrischen Energiespeicher 3 eingeprägt.
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Bei dem Energieflussprofil kann es sich beispielsweise um einen Strompuls oder um ein Stromprofil handeln. Insbesondere ist der zweite Strom I2 ein Gegenstrompuls. Mithilfe des entgegengerichteten zweiten Stroms I2 kann eine Reduktion des inneren Ausgleichstroms des elektrischen Energiespeichers 3 erreicht werden. Dadurch kann insbesondere eine höhere Leistungsentnahme des elektrischen Energiespeichers 3 erreicht werden und dadurch ein höherer Gesamtwirkungsgrad des elektrischen Energiespeichers 3 erreicht werden.
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Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher 3 im einfachsten allgemeinen Fall als RC-Glied 8 ausgebildet sein.
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Beispielsweise kann der zweite Strom I2 so erzeugt werden, dass er unmittelbar anschließend zu dem fließenden ersten Strom I1 in den elektrischen Energiespeicher 3 eingeprägt wird. Insbesondere kann mit dem eingeprägten zweiten Strom I2 eine Spannung des elektrischen Energiespeichers 3 stabilisiert werden.
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Beispielsweise kann das Fahrzeug 1 als Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Dabei kann das Fahrzeug 1 während einer Beschleunigungsphase mithilfe eines Elektromotors 9 beschleunigt werden. Dabei wird der elektrische Energiespeicher 3 entladen, sodass der erste Strom I1 als Entladestrom bereitgestellt werden kann. Der Entladestrom wird mithilfe einer Leistungselektronik 10 dem Elektromotor 9 bereitgestellt. Beispielsweise kann das Fahrzeug 110 Sekunden lang beschleunigt werden, und anschließend wird der zweite Strom I2 mit dem Verbrennungsmotor 5 erzeugt und als Gegenstrompuls in den elektrischen Energiespeicher 3 eingeprägt. Dadurch kann eine Verlustleistung des elektrischen Energiespeichers 3 reduziert werden. Insbesondere kann bei diesem Beispiel der Gesamtwirkungsgrad des elektrischen Energiespeichers 3 erhöht werden.
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In einem anderen Beispiel kann als Gegenstrompuls ein Rekuperationsstrom des Fahrzeugs 1 verwendet werden. In diesem Fall kann die Verlustleistung des elektrischen Energiespeichers 3 bei aktiver Reduktion der Verlustleistung bei Rekuperation um 5 Kelvin gekühlt werden. Insbesondere ist es dadurch möglich, eine fast doppelt so weite Fahrt ohne Leistungseinschränkung mit dem Fahrzeug 1 zu erreichen. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass im Durchschnitt eine geringere Verlustleistung von 7 kW erreicht werden kann.
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Insbesondere kann das vorgeschlagene Verfahren zur Verringerung der Verlustleistung nicht nur auf ein Fahrzeug 1 beschränkt werden, sondern kann bei unterschiedlichsten Energiespeichern verwendet werden. Beispielsweise kann es bei elektrischen und/oder elektrochemischen Energiespeichern oder bei Brennstoffzellen verwendet werden.
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Im Anwendungsbeispiel eines Hybridfahrzeugs kann bei einem Ladeprofil ein Rekuperationsstrom verwendet werden. Ebenso kann ein zusätzlicher Energiespeicher oder ein Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle im Nichtbeschleunigungsvorgang des Fahrzeugs einen zusätzlichen Ladestrom erzeugen. Bei einem Entladeprofil können Verbraucher zugeschaltet werden. Insbesondere kann bei einem Entladeprofil eine Kühlung erreicht werden und in einen zusätzlichen Energiespeicher eingebracht werden. Insbesondere kann der Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden. Dabei kann die Massenträgheit des Motors beziehungsweise des Antriebsstrangs ausgenutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- elektrische Speichervorrichtung
- 3
- elektrischer Energiespeicher
- 4
- Stromquelle
- 5
- Verbrennungsmotor
- 6
- Generator
- 7
- Getriebe
- 8
- RC-Glied
- 9
- Elektromotor
- 10
- Leistungselektronik
- I1, I2
- erster und zweiter Strom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016013668 A1 [0003]
- DE 102013017343 A1 [0004]
- US 8941357 B2 [0005]
