DE102019204314A1 - Electrochemical energy storage system - Google Patents

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DE102019204314A1
DE102019204314A1 DE102019204314.3A DE102019204314A DE102019204314A1 DE 102019204314 A1 DE102019204314 A1 DE 102019204314A1 DE 102019204314 A DE102019204314 A DE 102019204314A DE 102019204314 A1 DE102019204314 A1 DE 102019204314A1
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Berengar Krieg
Frank Stimm
Regine Mantel
Christoph Fischer
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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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 DE 10 2014 201 351 A1 offenbart ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz ein Niederspannungsteilnetz für zumindest einen Niederspannungsverbraucher und ein Hochspannungsteilnetz für zumindest einen Hochspannungsverbraucher und einen Starter Generator aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz mit dem Niederspannungsteilnetz über eine Koppeleinheit verbunden ist, wobei das Bordnetz eine Batterie aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz einzuspeisen, und die zumindest zwei Batterieeinheiten mit Einzelspannungsabgriffen aufweist, die an die Koppeleinheit geführt sind. Dabei ist vorgesehen, dass die Koppeleinheit dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten und einen zweiten Betriebszustand bereitzustellen, wobei in dem ersten Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz aus allen Batterieeinheiten der Batterie gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz aus einer Batterieeinheit gespeist wird und in dem zweiten Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz aus einer Batterieeinheit gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz aus zumindest einer Batterieeinheit gespeist wird.The pamphlet DE 10 2014 201 351 A1 discloses an on-board network for a motor vehicle, the on-board network having a low-voltage sub-network for at least one low-voltage consumer and a high-voltage sub-network for at least one high-voltage consumer and a starter generator, the high-voltage sub-network being connected to the low-voltage sub-network via a coupling unit, the on-board network having a battery that is set up is to generate the high voltage and feed it into the high-voltage subsystem, and which has at least two battery units with individual voltage taps that are routed to the coupling unit. It is provided that the coupling unit is set up to provide at least a first and a second operating state, wherein in the first operating state the high-voltage sub-network is fed from all battery units of the battery and the low-voltage sub-network is fed from a battery unit and in the second operating state the high-voltage sub-network is off a battery unit is fed and the low-voltage subsystem is fed from at least one battery unit.

Die Druckschrift DE 10 2014 201 344 A1 offenbart ein Bordnetz für ein Fahrzeug mit einem Niederspannungsteilnetz für zumindest einen Niederspannungsverbraucher und mit einem Hochspannungsteilnetz für zumindest einen Hochspannungsverbraucher und einen Starter-Generator, wobei das Hochspannungsteilnetz eine Batterie aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz auszugeben und die zumindest zwei Batterieeinheiten mit Einzelspannungsabgriffen aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz mit dem Niederspannungsteilnetz über eine Koppeleinheit verbunden ist, welche eingerichtet ist, dem Hochspannungsteilnetz Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsteilnetz zuzuführen. Dabei ist vorgesehen, dass die Koppeleinheit eingerichtet ist, die Batterieeinheiten dem Niederspannungsteilnetz selektiv zuzuschalten.The pamphlet DE 10 2014 201 344 A1 discloses an on-board network for a vehicle with a low-voltage sub-network for at least one low-voltage consumer and with a high-voltage sub-network for at least one high-voltage consumer and a starter-generator, the high-voltage sub-network having a battery that is set up to generate the high voltage and output it to the high-voltage sub-network and the at least has two battery units with individual voltage taps, the high-voltage sub-network being connected to the low-voltage sub-network via a coupling unit which is set up to draw energy from the high-voltage sub-network and supply it to the low-voltage sub-network. It is provided that the coupling unit is set up to selectively connect the battery units to the low-voltage subsystem.

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:

  1. 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;
  2. 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;
  3. c) Zyklisches Wiederholen der Schritte mit abwechselnden elektrochemischen Energiespeichereinheiten des elektrochemischen Energiespeichersystems zum gleichmäßigen Entladen der elektrochemischen Energiespeichereinheiten.
The method according to the invention for operating an electrochemical energy storage system comprises the following steps:
  1. 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;
  2. 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;
  3. 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.
The method for operating an electrochemical energy storage system further comprises the following steps:
  • 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.
Show it:
  • 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.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems 100. Das elektrochemische Energiespeichersystem 100 umfasst eine Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinheiten 101, 102, 103, 104, die mit primären Anschlusspolen 115(1), 115(2) des elektrochemischen Energiespeichersystems 100 elektrisch verbindbar sind, beispielsweise über einen Schalter 118. Der primäre Anschlusspol 115(2) ist mit einem ersten Masseanschluss 113 elektrisch verbunden. Die elektrochemischen Energiespeichereinheiten 101, 102, 103, 104 umfassen jeweils eine Vielzahl von in elektrisch in Serie geschalteten elektrochemischen Energiespeicherzellen 101(a), 101(b), 101(c), 104(a), 104(b), 104(c). 1 shows a schematic representation of an embodiment of the electrochemical energy storage system according to the invention 100 . The electrochemical energy storage system 100 comprises a plurality of electrochemical energy storage units 101 , 102 , 103 , 104 that have primary connection poles 115 (1) , 115 (2) of the electrochemical energy storage system 100 are electrically connectable, for example via a switch 118 . The primary connection pole 115 (2) is with a first ground connection 113 electrically connected. The electrochemical energy storage units 101 , 102 , 103 , 104 each comprise a multiplicity of electrochemical energy storage cells connected electrically in series 101 (a) , 101 (b) , 101 (c) , 104 (a) , 104 (b) , 104 (c) .

In der gezeigten Ausführungsform umfasst das elektrochemische Energiespeichersystem 100 12 elektrisch in Serie geschaltete Energiespeicherzellen 101(a), 101(b), 101(c), 104(a), 104(b), 104(c), beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die Energiespeicherzellen 101(a), 101(b), 101(c), 104(a), 104(b), 104(c) weisen je nach Ladungs- und Belastungszustand eine elektrische Spannung zwischen 2,8 Volt und 4,2 Volt auf. Eine Reihenschaltung von jeweils 3 Energiespeicherzellen 101(a), 101(b), 101(c), 104(a), 104(b), 104(c) weist demgemäß eine elektrische Spannung auf, die zur Versorgung eines 12 Volt-Netzes geeignet ist, beispielsweise zur Versorgung eines redundanten Sensor-Aktor-Verbunds.In the embodiment shown, the electrochemical energy storage system comprises 100 12 energy storage cells connected electrically in series 101 (a) , 101 (b) , 101 (c) , 104 (a) , 104 (b) , 104 (c) , for example lithium-ion battery cells. The energy storage cells 101 (a) , 101 (b) , 101 (c) , 104 (a) , 104 (b) , 104 (c) have an electrical voltage between 2.8 volts and 4.2 volts, depending on the state of charge and load. A series connection of 3 energy storage cells each 101 (a) , 101 (b) , 101 (c) , 104 (a) , 104 (b) , 104 (c) accordingly has an electrical voltage that is suitable for supplying a 12 volt network, for example for supplying a redundant sensor-actuator assembly.

Je drei benachbarte Energiespeicherzellen 101(a) bis 101(c), 102(a) bis 102(c), 103(a) bis 103(c) oder 104(a) bis 104(c) werden genutzt, um die Versorgung des redundanten Sensor-Aktor-Verbunds zu gewährleisten. Da der redundante Sensor-Aktor-Verbund permanent arbeiten muss, kann die redundante Versorgung nicht dauerhaft aus drei Energiespeicherzellen erfolgen, da es sonst zu einer dauerhaften Entladung dieser Energiespeicherzellen kommt.Three adjacent energy storage cells each 101 (a) to 101 (c) , 102 (a) to 102 (c) , 103 (a) to 103 (c) or 104 (a) to 104 (c) are used to ensure the supply of the redundant sensor-actuator network. Since the redundant sensor-actuator assembly has to work permanently, the redundant supply cannot be made permanently from three energy storage cells, since otherwise these energy storage cells will be permanently discharged.

Die Energiespeicherzellen 101(a), 101(b), 101(c), 102(a), 102(b), 102(c), 103(a), 103(b), 103(c) 104(a), 104(b), 104(c) werden jedoch über primären Anschlusspole 115(1), 115(2) nachgeladen, beispielsweise über ein über 48V-Netz, aber nur in dem Maße, wie Ladung in die restlichen elektrisch in Serie geschalteten Energiespeicherzellen Ladung aufnehmen können. Es kommt also zu einem Ungleichgewicht von elektrischen Spannungen der elektrochemischen Energiespeichereinheiten 101, 102, 103, 104 in einem Maße, für das eine Ladezustandsausgleichschaltung des elektrochemischen Energiespeichersystems 100 klassisch nicht ausgelegt ist.The energy storage cells 101 (a) , 101 (b) , 101 (c) , 102 (a) , 102 (b) , 102 (c) , 103 (a) , 103 (b) , 103 (c) 104 (a) , 104 (b) , 104 (c) however, are via primary connection poles 115 (1) , 115 (2) recharged, for example via a 48V network, but only to the extent that the remaining charge is electrically connected in series Energy storage cells can take charge. There is therefore an imbalance of electrical voltages in the electrochemical energy storage units 101 , 102 , 103 , 104 to the extent that a state of charge equalization circuit of the electrochemical energy storage system 100 is not classically designed.

Daher umfasst das elektrochemische Energiespeichersystem 100 ferner eine Vielzahl von elektronischen Schaltern 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, die mit den elektrochemischen Energiespeichereinheiten 101, 102, 103, 104 in der Art elektrisch verbunden sind, dass die mit den primären Anschlusspolen 115(1), 115(2) elektrisch verbindbaren elektrochemischen Energiespeichereinheiten 101, 104 mit jeweils einem elektronischen Schalter 105, 112 elektrisch verbunden sind und elektrische Verbindungen zwischen jeweils zwei der elektrochemischen Energiespeichereinheiten 101, 102 bzw. 102, 103 bzw. 103, 104 mit zwei elektronischen Schalter 106, 107 bzw. 108, 109 bzw. 110, 111 elektrisch verbunden sind.Therefore, the electrochemical energy storage system includes 100 also a variety of electronic switches 105 , 106 , 107 , 108 , 109 , 110 , 111 , 112 associated with the electrochemical energy storage units 101 , 102 , 103 , 104 are electrically connected in the way that they are connected to the primary connection poles 115 (1) , 115 (2) electrically connectable electrochemical energy storage units 101 , 104 each with an electronic switch 105 , 112 are electrically connected and electrical connections between each two of the electrochemical energy storage units 101 , 102 or. 102 , 103 or. 103 , 104 with two electronic switches 106 , 107 or. 108 , 109 or. 110 , 111 are electrically connected.

Die elektrochemischen Energiespeichereinheiten 101, 102, 103, 104 sind mittels der elektronischen Schalter 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112 zyklisch mit sekundären Anschlusspolen 116(1), 116(2) des elektrochemischen Energiespeichersystems 100 zum Bereitstellen einer sekundären elektrischen Spannung elektrisch verbindbar. Die Anschlusspole 116(1) und 116(2) bilden ein galvanisch getrenntes Versorgungsnetz 114 mit Plus- und Minuspol, das von den ersten Anschlusspolen 115(1) und 115(2) galvanisch getrennt ist.The electrochemical energy storage units 101 , 102 , 103 , 104 are by means of the electronic switch 105 , 106 , 107 , 108 , 109 , 110 , 111 , 112 cyclically with secondary connection poles 116 (1) , 116 (2) of the electrochemical energy storage system 100 Can be electrically connected to provide a secondary electrical voltage. The connection poles 116 (1) and 116 (2) form a galvanically separated supply network 114 with plus and minus pole, that of the first connection poles 115 (1) and 115 (2) is galvanically isolated.

Am sekundären Anschlusspol 116 ist eine Schaltung vorzusehen, um während der Umschaltung der elektronischen Schalter 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112 die bereitgestellte sekundäre elektrische Spannung zu stabilisieren. Diese kann beispielsweise eine elektrische Kapazität 117 umfassen, die mit den sekundären Anschlusspolen 116(1), 116(2) elektrisch verbunden ist und einer vorgeschalteten Induktivität zur Begrenzung des in die Kapazität 117 fließenden elektrischen Stroms bestehen.At the secondary connection pole 116 a circuit is to be provided during the switching of the electronic switch 105 , 106 , 107 , 108 , 109 , 110 , 111 , 112 to stabilize the provided secondary electrical voltage. This can for example be an electrical capacitance 117 Include those with the secondary connection pins 116 (1) , 116 (2) is electrically connected and an upstream inductance to limit the capacitance 117 electrical current flowing.

Um eine sekundäre elektrische Spannung bereitzustellen, die niedriger als die primäre elektrische Spannung ist, werden die elektrochemischen Energiespeichereinheiten 101, 102, 103, 104 zyklisch mittels der elektronischen Schalter 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112 gemäß den folgenden Schaltzuständen elektrisch zu- und weggeschaltet. Schalter Schaltzustand A B C D E 105 Offen Geschlossen Offen Offen Offen 106 Offen Offen Geschlossen Offen Offen 107 Offen Geschlossen Offen Offen Offen 108 Offen Offen Offen Geschlossen Offen 109 Offen Offen Geschlossen Offen Offen 110 Offen Offen Offen Offen Geschlossen 111 Offen Offen Offen Geschlossen Offen 12 Volt-Versorgung aus Energiespeichereinheit Nur über elektrische Kapazität 117 101 102 103 104 In order to provide a secondary electrical voltage that is lower than the primary electrical voltage, the electrochemical energy storage units 101 , 102 , 103 , 104 cyclically using the electronic switch 105 , 106 , 107 , 108 , 109 , 110 , 111 , 112 electrically switched on and off according to the following switching states. counter Switching status A. B. C. D. E. 105 Open Closed Open Open Open 106 Open Open Closed Open Open 107 Open Closed Open Open Open 108 Open Open Open Closed Open 109 Open Open Closed Open Open 110 Open Open Open Open Closed 111 Open Open Open Closed Open 12 volt supply from energy storage unit Only over electrical capacitance 117 101 102 103 104

Eine Verweildauer in den Schaltzuständen B bis E kann bei einem konstanten elektrischen Verbrauch von einem an die sekundären Anschlusspole 116(1), 116(2) angeschlossenen Sensor-Aktor-Verbunds rein zeitlich gesteuert werden und beispielsweise je Schaltzustand B bis E gleichlang geschaltet werden. In einer alternativen Ausführungsform kann die Verweildauer in Abhängigkeit einer durch den Sensor-Aktor-Verbund der Energiespeichereinheit 101, 102, 103, 104 entnommenen Ladung dynamisch berechnet werden.A dwell time in the switching states B to E can with a constant electrical consumption from one to the secondary connection poles 116 (1) , 116 (2) connected sensor-actuator network are purely time-controlled and, for example, switched for the same length of time for each switching state B to E. In an alternative embodiment, the dwell time can be determined by the sensor / actuator assembly of the energy storage unit 101 , 102 , 103 , 104 can be calculated dynamically.

Weiter kann eine maximal zulässige Abweichung zwischen Ladzuständen der Energiespeichereinheiten 101, 102, 103, 104 berücksichtigt werden. Anforderungen an einen Ladezustandsausgleich zum Ausgleichen der unterschiedlichen Selbstentladung der Energiespeicherzellen 101(a), 101(b), 101(c), 104(a), 104(b), 104(c) werden vorteilhafterweise reduziert, da jeweils nur innerhalb einer Energiespeichereinheit 101, 102, 103, 104 eine unterschiedliche Selbstentladung ausgeglichen werden muss. Der Ladezustandsausgleich zwischen den Energiespeicherzellen 101(a), 101(b), 101(c), 104(a), 104(b), 104(c) der restlichen Energiespeichereinheiten 101, 102, 103, 104 erfolgt über die unterschiedlich lange Verweildauer in den Schaltzuständen B bis E.Furthermore, a maximum permissible deviation between the charge states of the Energy storage units 101 , 102 , 103 , 104 be taken into account. Requirements for a state of charge compensation to compensate for the different self-discharge of the energy storage cells 101 (a) , 101 (b) , 101 (c) , 104 (a) , 104 (b) , 104 (c) are advantageously reduced, since only within one energy storage unit 101 , 102 , 103 , 104 a different self-discharge has to be compensated. The state of charge equalization between the energy storage cells 101 (a) , 101 (b) , 101 (c) , 104 (a) , 104 (b) , 104 (c) the remaining energy storage units 101 , 102 , 103 , 104 takes place via the length of time spent in switching states B to E.

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 100 hinaus Energie für eine redundante Versorgung des Sensor-Aktor-Verbunds zur Verfügung. Da alle Energiespeicherzellen 101(a), 101(b), 101(c), 104(a), 104(b), 104(c) kontinuierlich nachgeladen werden, kann durch den Wechsel der Schaltzustände einem Abweichen der Ladezustände entgegengewirkt werden.If, despite a failed 12 volt primary supply from an internal combustion engine of a vehicle, energy continues to be fed into the 48 volt network by means of the electrical machine, the capacity of the energy storage system is greater 100 In addition, energy is available for a redundant supply of the sensor-actuator network. As all energy storage cells 101 (a) , 101 (b) , 101 (c) , 104 (a) , 104 (b) , 104 (c) are continuously recharged, a change in the switching status can counteract a deviation in the charging status.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Systemtopologie 200 gemäß dem Stand der Technik. Die Systemtopologie 200 umfasst einen Verbrennungsmotor 201, eine elektrische Maschine 202, eine Leistungselektronik 203, einen 48 Volt-Energiespeicher 204, einen Gleichspannungswandler 205, einen mit dem Gleichspannungswandler 205 verbundenen 12 Volt-Energiespeicher 207 sowie primäre Sensoren und Aktoren 208, einen redundanten Gleichspannungswandler 206 zum Versorgen von redundanten Sensoren und Aktoren 209 sowie Primärsysteme 210, beispielsweise Bremsanlage, Lenksystem und/oder Lichtsystem. 2 shows a schematic representation of a system topology 200 according to the state of the art. The system topology 200 includes an internal combustion engine 201 , an electric machine 202 , a power electronics 203 , a 48 volt energy storage 204 , a DC-DC converter 205 , one with the DC / DC converter 205 connected 12 volt energy storage 207 as well as primary sensors and actuators 208 , a redundant DC / DC converter 206 for supplying redundant sensors and actuators 209 as well as primary systems 210 , for example braking system, steering system and / or lighting system.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Systemtopologie 300. Die Systemtopologie 300 umfasst einen Verbrennungsmotor 301, eine elektrische Maschine 302, eine Leistungselektronik 303, einen 48 Volt-Energiespeicher 304, einen Gleichspannungswandler 305, einen mit dem Gleichspannungswandler 305 verbundenen 12 Volt-Energiespeicher 307 sowie primäre Sensoren und Aktoren 308. Mittels einer redundanten elektronischen Schaltung 306 kann an sekundären Anschlusspolen des Energiespeichers 304 eine galvanisch von der Fahrzeug-Masse getrennte 12 Volt-Spannung für redundante Sensoren und Aktoren 309 sowie Primärsysteme 310 bereitgestellt werden. 3 shows a schematic representation of an embodiment of a system topology according to the invention 300 . The system topology 300 includes an internal combustion engine 301 , an electric machine 302 , a power electronics 303 , a 48 volt energy storage 304 , a DC-DC converter 305 , one with the DC / DC converter 305 connected 12 volt energy storage 307 as well as primary sensors and actuators 308 . Using a redundant electronic circuit 306 can be connected to secondary connection poles of the energy storage system 304 a 12 volt voltage, galvanically separated from the vehicle ground, for redundant sensors and actuators 309 as well as primary systems 310 to be provided.

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Claims (10)

Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) umfassend: a) Eine Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinheiten (101, 102, 103, 104), die mit primären Anschlusspolen (115(1), 115(2)) des elektrochemischen Energiespeichersystems (100) zum Bereitstellen einer primären elektrischen Spannung elektrisch verbindbar sind, wobei die elektrochemischen Energiespeichereinheiten (101, 102, 103, 104) eine Vielzahl von elektrisch in Serie geschalteten elektrochemischen Energiespeicherzellen (101(a), 101(b), 101(c), 102(a), 102(b), 102(c), 103(a), 103(b), 103(c), 104(a), 104(b), 104(c)) umfassen; b) Eine Vielzahl von elektronischen Schaltern (105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112), die mit den elektrochemischen Energiespeichereinheiten (101, 102, 103, 104) in der Art elektrisch verbunden sind, dass die elektrochemischen Energiespeichereinheiten (101, 102, 103, 104) mit sekundären Anschlusspolen (116(1), 116(2)) des elektrochemischen Energiespeichersystems (100) zum Bereitstellen einer sekundären elektrischen Spannung, die niedriger als die primäre elektrische Spannung ist, elektrisch verbindbar sind, wobei jeweils nur eine der elektrochemischen Energiespeichereinheiten (101, 102, 103, 104) mittels elektronischer Schalter (105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112) zyklisch mit den sekundären Anschlusspolen (116(1), 116(2)) des elektrochemischen Energiespeichersystems (100) elektrisch verbindbar sind.An electrochemical energy storage system (100) comprising: a) A plurality of electrochemical energy storage units (101, 102, 103, 104) which can be electrically connected to primary connection poles (115 (1), 115 (2)) of the electrochemical energy storage system (100) for providing a primary electrical voltage, the electrochemical energy storage units (101, 102, 103, 104) a multiplicity of electrochemical energy storage cells (101 (a), 101 (b), 101 (c), 102 (a), 102 (b), 102 (c)) electrically connected in series , 103 (a), 103 (b), 103 (c), 104 (a), 104 (b), 104 (c)); b) A plurality of electronic switches (105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112), which are electrically connected to the electrochemical energy storage units (101, 102, 103, 104) in such a way that the electrochemical energy storage units (101, 102, 103, 104) can be electrically connected to secondary connection poles (116 (1), 116 (2)) of the electrochemical energy storage system (100) for providing a secondary electrical voltage that is lower than the primary electrical voltage, wherein only one of the electrochemical energy storage units (101, 102, 103, 104) by means of electronic switches (105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112) cyclically with the secondary connection poles (116 (1), 116 (2)) ) of the electrochemical energy storage system (100) are electrically connectable. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: c) Mindestens eine elektrische Kapazität (117), die zum Stabilisieren der bereitgestellten sekundären elektrischen Spannung mit den sekundären Anschlusspolen (116(1), 116(2)) elektrisch verbunden ist.Electrochemical energy storage system (100) according to one of the preceding claims, further comprising: c) At least one electrical capacitance (117) which is electrically connected to the secondary connection poles (116 (1), 116 (2)) in order to stabilize the provided secondary electrical voltage. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den primären Anschlusspolen (115(1), 115(2) des elektrochemischen Energiespeichersystems (100) elektrisch verbindbaren elektrochemischen Energiespeichereinheiten (101, 104) mit jeweils einem elektronischen Schalter (105, 112) elektrisch verbunden sind und elektrische Verbindungen zwischen jeweils zwei der elektrochemischen Energiespeichereinheiten (101, 102, 103, 104) mit zwei elektronischen Schaltern (106, 107, 108, 109, 110, 111) elektrisch verbunden sind.Electrochemical energy storage system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrochemical energy storage units (101, 104) which can be electrically connected to the primary connection poles (115 (1), 115 (2) of the electrochemical energy storage system (100), each having an electronic switch (105, 112) are electrically connected and electrical connections between each two of the electrochemical energy storage units (101, 102, 103, 104) are electrically connected to two electronic switches (106, 107, 108, 109, 110, 111). Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den primären Anschlusspolen (115(1), 115(2)) und die sekundären Anschlusspolen (116(1), 116(2)) eine galvanische Trennung vorgesehen ist.Electrochemical energy storage system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that a galvanic separation is provided between the primary connection poles (115 (1), 115 (2)) and the secondary connection poles (116 (1), 116 (2)) . Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schalter (105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112) Halbleiterschalter sind und Leistungstransistoren, MOSFETs und/oder Thyristoren umfassen.Electrochemical energy storage system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic switches (105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112) are semiconductor switches and comprise power transistors, MOSFETs and / or thyristors. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den primären Anschlusspolen (115(1), 115(2)) des elektrochemischen Energiespeichersystems (100) bereitgestellte elektrische Spannung zwischen 12 Volt und 60 Volt, insbesondere 48 Volt, beträgt.Electrochemical energy storage system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical voltage provided at the primary connection poles (115 (1), 115 (2)) of the electrochemical energy storage system (100) is between 12 volts and 60 volts, in particular 48 volts , is. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den sekundären Anschlusspolen (116(1), 116(2)) des elektrochemischen Energiespeichersystems (100) bereitgestellte elektrische Spannung zwischen 9 Volt und 16 Volt, insbesondere 12 Volt, beträgt.Electrochemical energy storage system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical voltage provided at the secondary connection poles (116 (1), 116 (2)) of the electrochemical energy storage system (100) is between 9 volts and 16 volts, in particular 12 volts , is. Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend folgende Schritte: a) Schalten von elektronischen Schaltern (105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112) für eine vorgegebene zeitliche Verweildauer zum Einstellen eines ersten Schaltzustands (B, C, D, E), bei dem durch elektrisches Verbinden einer der elektrochemischen Energiespeichereinheiten (101, 102, 103, 104) mit den sekundären Anschlusspolen (116(1), 116(2)) des elektrochemischen Energiespeichersystems (100) eine sekundäre elektrische Spannung bereitgestellt wird; b) Schalten von elektronischen Schaltern (105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112) zum Einstellen eines zweiten Schaltzustands (A), bei dem durch elektrisches Verbinden der mindestens einen elektrischen Kapazität (117) mit den sekundären Anschlusspolen (116(1), 116(2)) des elektrochemischen Energiespeichersystems (100) die im Wesentlichen gleiche sekundäre elektrische Spannung bereitgestellt wird; c) Zyklisches Wiederholen der Schritte mit abwechselnden elektrochemischen Energiespeichereinheiten (101, 102, 103, 104) des elektrochemischen Energiespeichersystems (100) zum gleichmäßigen Entladen der elektrochemischen Energiespeichereinheiten (101, 102, 103, 104).Method for operating an electrochemical energy storage system (100) according to one of the Claims 1 to 7th , comprising the following steps: a) switching electronic switches (105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112) for a predetermined time period for setting a first switching state (B, C, D, E) in which a secondary electrical voltage is provided by electrically connecting one of the electrochemical energy storage units (101, 102, 103, 104) to the secondary connection poles (116 (1), 116 (2)) of the electrochemical energy storage system (100); b) Switching electronic switches (105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112) for setting a second switching state (A), in which by electrically connecting the at least one electrical capacitance (117) to the secondary connection poles ( 116 (1), 116 (2)) of the electrochemical energy storage system (100), essentially the same secondary electrical voltage is provided; c) Cyclic repetition of the steps with alternating electrochemical energy storage units (101, 102, 103, 104) of the electrochemical energy storage system (100) for uniformly discharging the electrochemical energy storage units (101, 102, 103, 104). Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100) gemäß Anspruch 8, ferner umfassend folgende Schritte: e) Vorgeben der zeitlichen Verweildauer für den ersten Schaltzustand (B, C, D, E) in Abhängigkeit eines durch die sekundären Anschlusspole (116(1), 116(2)) fließenden elektrischen Stroms und/oder einer maximal entnehmbaren Ladung aus den elektrochemischen Energiespeichereinheiten (101, 102, 103, 104).Method for operating an electrochemical energy storage system (100) according to Claim 8 , further comprising the following steps: e) Specifying the time dwell time for the first switching state (B, C, D, E) as a function of an electrical current flowing through the secondary connection poles (116 (1), 116 (2)) and / or an electrical current maximum charge that can be drawn from the electrochemical energy storage units (101, 102, 103, 104). Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten.Use of an electrochemical energy storage system (100) according to one of the Claims 1 to 7th in electrically powered 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.
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