DE102019204314A1 - Electrochemical energy storage system - Google Patents
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Abstract
Elektrochemisches Energiespeichersystem umfassend: eine Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinheiten, die mit primären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems zum Bereitstellen einer primären elektrischen Spannung elektrisch verbindbar sind, wobei die elektrochemischen Energiespeichereinheiten eine Vielzahl von elektrisch in Serie geschalteten elektrochemischen Energiespeicherzellen umfassen; eine Vielzahl von elektronischen Schaltern, die mit den elektrochemischen Energiespeichereinheiten in der Art elektrisch verbunden sind, dass die elektrochemischen Energiespeichereinheiten mit sekundären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems zum Bereitstellen einer sekundären elektrischen Spannung, die niedriger als die primäre elektrische Spannung ist, elektrisch verbindbar sind, wobei jeweils nur eine der elektrochemischen Energiespeichereinheiten mittels elektronischer Schalter zyklisch mit den sekundären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems elektrisch verbindbar sind.An electrochemical energy storage system comprising: a plurality of electrochemical energy storage units which can be electrically connected to primary connection terminals of the electrochemical energy storage system for providing a primary electrical voltage, the electrochemical energy storage units comprising a plurality of electrochemical energy storage cells electrically connected in series; a plurality of electronic switches which are electrically connected to the electrochemical energy storage units in such a way that the electrochemical energy storage units can be electrically connected to secondary connection poles of the electrochemical energy storage system for providing a secondary electrical voltage which is lower than the primary electrical voltage, wherein in each case only one of the electrochemical energy storage units can be electrically connected cyclically to the secondary connection poles of the electrochemical energy storage system by means of electronic switches.
Description
Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Energiespeichersystem, einem Verfahren zum Betreiben des elektrochemischen Energiespeichersystems sowie einer Verwendung der elektrochemischen Energiespeichersystems gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The invention is based on an electrochemical energy storage system, a method for operating the electrochemical energy storage system and a use of the electrochemical energy storage system according to the preamble of the independent claims.
Stand der TechnikState of the art
Die Druckschrift
Die Druckschrift
In vielen Fahrzeugen werden zur CO2-Einsparung 48 Volt-Systeme zur Unterstützung eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs und zur Energierückgewinnung in Schubphasen verwendet. Diese 48 Volt-Systeme bestehen aus einer an einen Triebstrang gekoppelten elektrischen Maschine und einem Batteriesystem mit einer Nominalspannung von 48 Volt. In (teil-)autonomen Fahrzeugen werden redundant versorgte Sensoren und Aktuatoren benötigt, um eine ASIL D-konforme Funktionalität zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass mindestens bis zur Übernahme von Steuerungsfunktionen durch einen Fahrer des Fahrzeugs oder bis das (teil-)autonome Fahrzeug in einen sicheren Bereich überführt wird, dieses auch bei Ausfall eines Primärsystems steuerbar sein muss. Dazu wird oftmals ein zusätzlicher Gleichspannungswandler verwendet, der aus dem 48 Volt-Bordnetz eine redundante 12 Volt-Versorgung aufbaut. Dies führt zu einem höheren Fahrzeuggewicht und zu höheren Integrationskosten. Weiter verbraucht der Gleichspannungswandler zusätzlichen Bauraum und das Fahrzeug weist aufgrund von Leistungsverlusten des Gleichspannungswandlers eine geringere Effizienz auf.To save CO2, many vehicles use 48 volt systems to support a vehicle's internal combustion engine and for energy recovery in overrun phases. These 48 volt systems consist of an electrical machine coupled to a drive train and a battery system with a nominal voltage of 48 volts. In (partially) autonomous vehicles, redundantly supplied sensors and actuators are required to ensure ASIL D-compliant functionality. This means that at least until a driver of the vehicle takes over control functions or until the (partially) autonomous vehicle is transferred to a safe area, it must be controllable even if a primary system fails. For this purpose, an additional DC voltage converter is often used, which builds up a redundant 12 volt supply from the 48 volt on-board network. This leads to a higher vehicle weight and higher integration costs. The DC / DC converter also takes up additional installation space and the vehicle is less efficient due to power losses from the DC / DC converter.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.It is the object of the present invention to further improve the state of the art. This object is achieved by the features of the independent claims.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das elektrochemische Energiespeichersystem eine Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinheiten umfasst, die mit primären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems zum Bereitstellen einer primären elektrischen Spannung elektrisch verbindbar sind, wobei die elektrochemischen Energiespeichereinheiten eine Vielzahl von in Serie geschalteten elektrochemischen Energiespeicherzellen umfassen.The procedure according to the invention with the characterizing features of the independent claims has the advantage that the electrochemical energy storage system comprises a plurality of electrochemical energy storage units which can be electrically connected to primary connection poles of the electrochemical energy storage system for providing a primary electrical voltage, the electrochemical energy storage units having a plurality comprise of series-connected electrochemical energy storage cells.
Ferner umfasst das elektrochemische Energiespeichersystem eine Vielzahl von elektronischen Schaltern, die mit den elektrochemischen Energiespeichereinheiten in der Art elektrisch verbunden sind, dass die elektrochemischen Energiespeichereinheiten mit sekundären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems zum Bereitstellen einer sekundären elektrischen Spannung, die niedriger als die primäre elektrische Spannung ist, elektrisch verbindbar sind, wobei jeweils nur eine der elektrochemischen Energiespeichereinheiten mittels elektronischer Schalter zyklisch mit den sekundären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems elektrisch verbindbar sind.Furthermore, the electrochemical energy storage system comprises a plurality of electronic switches which are electrically connected to the electrochemical energy storage units in such a way that the electrochemical energy storage units with secondary connection poles of the electrochemical Energy storage system for providing a secondary electrical voltage that is lower than the primary electrical voltage, can be electrically connected, with only one of the electrochemical energy storage units being able to be electrically connected cyclically to the secondary connection poles of the electrochemical energy storage system by means of electronic switches.
Dadurch wird eine redundante Spannungsversorgung realisiert, die ohne zusätzliche Komponenten wie beispielsweise einen separaten Gleichspannungswandler auskommt. Da der Gleichspannungswandler entfällt treten keine Wandlungsverluste auf, wodurch die Effizienz des elektrochemischen Energiespeichersystems gesteigert wird. Weiter werden Integrations- und Produktionskosten gespart und Gewicht sowie notwendiger Bauraum für das elektrochemische Energiespeichersystem gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert.This creates a redundant power supply that does not require additional components such as a separate DC voltage converter. Since there is no DC / DC converter, there are no conversion losses, which increases the efficiency of the electrochemical energy storage system. Furthermore, integration and production costs are saved and the weight and the necessary installation space for the electrochemical energy storage system are significantly reduced compared to the prior art.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments are the subject of the subclaims.
Das elektrochemische Energiespeichersystem umfasst ferner mindestens eine elektrische Kapazität, die zum Stabilisieren der bereitgestellten sekundären elektrischen Spannung mit den sekundären Anschlusspolen elektrisch verbunden ist.The electrochemical energy storage system further comprises at least one electrical capacitance, which is electrically connected to the secondary connection poles in order to stabilize the provided secondary electrical voltage.
Durch die elektrische Kapazität, insbesondere einen Kondensator, wird die sekundäre elektrische Spannung während Schaltvorgängen der elektronischen Schalter, die beispielsweise zu Spannungseinbrüchen an den sekundären Anschlusspolen führen können, stabilisiert. Dadurch wird eine zuverlässige Spannungsversorgung erreicht.The electrical capacitance, in particular a capacitor, stabilizes the secondary electrical voltage during switching operations of the electronic switches, which can lead, for example, to voltage drops at the secondary connection poles. A reliable power supply is thereby achieved.
Die mit den primären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems elektrisch verbindbaren elektrochemischen Energiespeichereinheiten sind mit jeweils einem elektronischen Schalter elektrisch verbunden und elektrische Verbindungen zwischen jeweils zwei der elektrochemischen Energiespeichereinheiten sind mit zwei elektronischen Schaltern elektrisch verbunden.The electrochemical energy storage units that can be electrically connected to the primary connection poles of the electrochemical energy storage system are each electrically connected to an electronic switch, and electrical connections between each two of the electrochemical energy storage units are electrically connected to two electronic switches.
Zwischen den primären Anschlusspolen und den sekundären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems ist eine galvanische Trennung vorgesehen. Die sekundären Anschlusspole müssen ein eigenes Massenetz haben und in der Anbindung zu den primären Anschlusspolen muss auf eine galvanische Trennung geachtet werden, da bei elektrisch antreibbaren Fahrzeugen üblicherweise ein Minuspol der primären Anschlusspole mit der Masse des Fahrzeugs und somit einem Minuspol der sekundären Anschlusspole elektrisch verbunden ist. Dies führt bei einigen Schaltzuständen der elektronischen Schalter sonst zu elektrischen Kurzschlüssen über die elektrochemischen Energiespeicherzellen.Galvanic isolation is provided between the primary connection poles and the secondary connection poles of the electrochemical energy storage system. The secondary connection poles must have their own ground network and a galvanic separation must be ensured in the connection to the primary connection poles, since in electrically driven vehicles usually a negative pole of the primary connection pole is electrically connected to the ground of the vehicle and thus a negative pole of the secondary connection pole . In some switching states of the electronic switches, this otherwise leads to electrical short circuits across the electrochemical energy storage cells.
Die elektronischen Schalter sind vorteilhafterweise Halbleiterschalter und umfassen Leistungstransistoren, MOSFETs und/oder Thyristoren. Diese weisen besonders kurze Schaltzeiten und geringe Verluste auf.The electronic switches are advantageously semiconductor switches and include power transistors, MOSFETs and / or thyristors. These have particularly short switching times and low losses.
Die an den primären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems bereitgestellte Spannung beträgt im Wesentlichen 48 Volt. Dadurch kann ein Sicherheitsaufwand für einen Berührschutz entfallen, während gleichzeitig mehr Energie zurückgewonnen werden kann, beispielsweise durch Rekuperationsvorgänge.The voltage provided at the primary connection poles of the electrochemical energy storage system is essentially 48 volts. As a result, there is no need for safety expenditure for contact protection, while at the same time more energy can be recovered, for example through recuperation processes.
Die an den sekundären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems bereitgestellte Spannung beträgt im Wesentlichen 12 Volt. Dadurch kann beispielsweise ein redundanter Sensor- und Aktor-Verbund auf 12 Volt Basis versorgt werden.The voltage provided at the secondary connection poles of the electrochemical energy storage system is essentially 12 volts. In this way, for example, a redundant sensor and actuator network can be supplied on a 12 volt basis.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichersystems umfasst folgende Schritte:
- a) Schalten von elektronischen Schaltern für eine vorgegebene zeitliche Verweildauer zum Einstellen eines ersten Schaltzustands, bei dem durch elektrisches Verbinden einer der elektrochemischen Energiespeichereinheiten mit den sekundären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems eine sekundäre elektrische Spannung bereitgestellt wird;
- b) Schalten von elektronischen Schaltern zum Einstellen eines zweiten Schaltzustands, bei dem durch elektrisches Verbinden der mindestens einen elektrischen Kapazität mit den sekundären Anschlusspolen des elektrochemischen Energiespeichersystems die im Wesentlichen gleiche sekundäre elektrische Spannung bereitgestellt wird;
- c) Zyklisches Wiederholen der Schritte mit abwechselnden elektrochemischen Energiespeichereinheiten des elektrochemischen Energiespeichersystems zum gleichmäßigen Entladen der elektrochemischen Energiespeichereinheiten.
- a) switching electronic switches for a predetermined time period to set a first switching state in which a secondary electrical voltage is provided by electrically connecting one of the electrochemical energy storage units to the secondary connection poles of the electrochemical energy storage system;
- b) Switching electronic switches for setting a second switching state in which, by electrically connecting the at least one electrical capacitance to the secondary Terminal poles of the electrochemical energy storage system the essentially the same secondary electrical voltage is provided;
- c) Cyclically repeating the steps with alternating electrochemical energy storage units of the electrochemical energy storage system for evenly discharging the electrochemical energy storage units.
Das Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichersystems umfasst ferner folgende Schritte:
- d) Vorgeben der zeitlichen Verweildauer für den ersten Schaltzustand in Abhängigkeit eines durch die sekundären Anschlusspole fließenden elektrischen Stroms und/oder einer maximal entnehmbaren Ladung aus den elektrochemischen Energiespeichereinheiten.
- d) Presetting the time dwell time for the first switching state as a function of an electrical current flowing through the secondary connection poles and / or a maximum charge that can be drawn from the electrochemical energy storage units.
Das erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichersystem findet vorteilhafterweise Verwendung in: elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten.The electrochemical energy storage system according to the invention is advantageously used in: electrically driven vehicles including hybrid vehicles, in stationary electrical energy storage systems, in electrically operated hand tools, in portable devices for telecommunications or data processing and in household appliances.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the description below.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems; und -
2 eine schematische Darstellung einer Systemtopologie gemäß dem Stand der Technik; -
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Systemtopologie.
-
1 a schematic representation of an embodiment of the electrochemical energy storage system according to the invention; and -
2 a schematic representation of a system topology according to the prior art; -
3 a schematic representation of an embodiment of a system topology according to the invention.
Detaillierte Beschreibung der AusführungsbeispieleDetailed description of the exemplary embodiments
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.The same reference symbols denote the same device components in all figures.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst das elektrochemische Energiespeichersystem
Je drei benachbarte Energiespeicherzellen
Die Energiespeicherzellen
Daher umfasst das elektrochemische Energiespeichersystem
Die elektrochemischen Energiespeichereinheiten
Am sekundären Anschlusspol
Um eine sekundäre elektrische Spannung bereitzustellen, die niedriger als die primäre elektrische Spannung ist, werden die elektrochemischen Energiespeichereinheiten
Eine Verweildauer in den Schaltzuständen B bis E kann bei einem konstanten elektrischen Verbrauch von einem an die sekundären Anschlusspole
Weiter kann eine maximal zulässige Abweichung zwischen Ladzuständen der Energiespeichereinheiten
Wenn trotz einer ausgefallenen 12 Volt-Primärversorgung von einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs weiter Energie mittels der elektrischen Maschine in das 48 Volt-Netz eingespeist wird, steht über die Kapazität des Energiespeichersystems
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102014201351 A1 [0002]DE 102014201351 A1 [0002]
- DE 102014201344 A1 [0003]DE 102014201344 A1 [0003]
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DE102019204314.3A DE102019204314A1 (en) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | Electrochemical energy storage system |
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DE102019204314.3A DE102019204314A1 (en) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | Electrochemical energy storage system |
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