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Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Energiespeichersystem, einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichersystems, einer Verwendung des elektrischen Energiespeichersystems sowie einem Computerprogramm gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Batteriesysteme mit Traktionsbatterien für elektrisch antreibbare Fahrzeuge haben typischerweise einen oder mehrere Anschlüsse für Verbraucher eines Traktionsnetzes im Fahrzeug, die über eine Trennvorrichtung, typischerweise Schütze, mit einer seriellen und/oder parallelen Anordnung von Batteriezellen der Traktionsbatterie verbunden sind.
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Durch die Trennvorrichtung sind die Anschlüsse des Batteriesystems typischerweise in allen Betriebszuständen allpolig spannungsfrei geschaltet, es sei denn es liegt eine gültige Einschaltanforderung durch ein elektrisch antreibbares Fahrzeug an das Batteriesystem vor, beispielsweise ein Fahrbetrieb oder ein Ladebetrieb, und Batteriesystem-interne Überprüfungen erkennen keine Situation, die eine Spannungsfreiheit des Batteriesystems erfordert.
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Bei Fahrzeugen mit mehreren Traktionsantrieben besitzt das Batteriesystem üblicherweise eine einzelne Trennvorrichtung, welche die Traktionsbatterie von allen Antrieben abtrennt. Ein Fehler in einem der elektrischen Antriebe oder Nebenaggregate, welcher eine Trennung von der Traktionsbatterie verursacht bzw. erfordert, führt daher zum vollständigen Funktionsverlust aller Antriebseinheiten und Nebenaggregate.
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Das Dokument
DE 10 2011 089 135 offenbart eine aus mehreren Teilbatterien bestehende Batterie, zusammen mit einem Verfahren wie die Teilbatterien getrennt voneinander auf den Ausgang der Batterie geschaltet werden können.
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Das Dokument
US 5 931 245 offenbart eine aus mehreren in Reihe geschalteten Teilbatterien bestehende Batterie, bei der über eine aus mehreren Schaltern bestehende Vorrichtung einzelne Teilbatterien mit einer Kontrollvorrichtung verbunden werden können.
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Das Dokument
US 2004/0201365 offenbart ein aus einer Leistungsbatterie und einer Energiebatterie bestehendes Batteriesystem, bei dem die beiden Teilbatterien unabhängig voneinander mit einer Ladeschaltung verbunden werden können.
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Das Dokument
DE 10 2011 006 395A1 offenbart ein Verfahren, wie ein Batteriesystem und das von ihr versorgte elektrische System auch bei einem Fehler in der Überwachungselektronik des Batteriesystems ohne Abschaltung der Batterie weiterbetrieben werden können.
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Das Dokument
DE 10 2009 000 682 A1 offenbart, wie in einer aus zwei Teilbatterien bestehenden Batterie im Falle eines Fehlers in einer Teilbatterie diese überbrückt werden kann, um einen weiteren Betrieb des Batteriesystems mit der anderen Teilbatterie bei reduzierter Leistung zu ermöglichen.
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Das Dokument
DE 10 2014 201 440 A1 offenbart ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Spannungswandler, einer Traktionsbatterie und einem Traktionsnetz, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler einen ersten Betriebszustand aufweist, in dem der Spannungswandler als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung der Traktionsbatterie auf eine Spannung des Traktionsnetzes tiefsetzt, und einen zweiten Betriebszustand aufweist, in dem der Spannungswandler als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung der Traktionsbatterie ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Dazu umfasst das elektrische Energiespeichersystem:
- - mindestens ein erstes Batteriestrangsystem und ein zweites Batteriestrangsystem mit jeweils mindestens einem elektrochemischen Energiespeicher;
- - mindestens eine Spannungsausgleichschalteinheit;
- - eine Mehrzahl von ersten Schaltern und zweiten Schaltern,
- ◯ wobei mittels der ersten Schalter die elektrochemischen Energiespeicher des ersten Batteriestrangsystems und/oder des zweiten Batteriestrangsystems mit einem Spannungsverteiler elektrisch verbindbar sind;
- ◯ wobei mittels der zweiten Schalter Traktionsanschlüsse des elektrischen Energiespeichersystems unabhängig voneinander einpolig und/oder allpolig mit dem Spannungsverteiler elektrisch verbindbar sind;
- ◯ wobei die elektrochemischen Energiespeicher des ersten Batteriestrangsystems und des zweiten Batteriestrangsystems mittels der Spannungsausgleichschalteinheit elektrisch parallel schaltbar sind, wenn die ersten Schalter geöffnet sind;
- - mindestens eine Steuereinheit zum Ansteuern der ersten Schalter, der zweiten Schalter und/oder der Spannungsausgleichschalteinheit.
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Dadurch wird, beispielsweise bei einem Fehler in einem elektrischen Antriebstrang eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit dem elektrischen Energiespeichersystem, ein Fahrbetrieb, ggf. mit einer reduzierten Leistung und Reichweite, auch im Fehlerfall ermöglicht. Dies ist insbesondere beim assistierten oder automatisierten Fahren eine Voraussetzung, damit das Fahrzeug in einem Fehlerfall in einen sicheren Zustand überführt werden kann, bei dem eine sichere Halteposition („safe stop location“) erreicht werden kann. Weiter wird bei elektrisch antreibbaren Fahrzeugen mit einer Mehrzahl von elektrischen Antriebmaschinen, beispielweise bei „Dual-Motor-Konzepten“ oder Einzelradantrieben, bei einem elektrischen Ausfall eines der Antriebe eine Weiterfahrt ermöglicht.
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So wird vorteilhafterweise für folgende Fehlerszenarien eine Weiterfahrt für elektrisch antreibbare Fahrzeuge, beispielsweise mit zwei unabhängigen elektrischen Antriebseinheiten, mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystem mit zwei elektrisch parallelgeschalteten Batteriesträngen, beispielsweise mit gleicher Spannung und gleicher oder unterschiedlicher Kapazität, mit einer reduzierten Antriebleistung ermöglicht:
- - Fehlerszenario 1: Fehler in einer der beiden mit den Traktionsanschlüssen elektrisch verbundenen Antriebseinheiten, in einem Traktionsnetz der Antriebseinheiten oder in einem an dieses Traktionsnetz angeschlossenen weiteren elektrischen Verbraucher, die ein Abschalten des Traktionsnetzes erforderlich machen.
- - Fehlerszenario 2: Fehler in einem der elektrochemischen Energiespeicher oder der Steuereinheit, die einem der elektrisch parallel geschalteten Batteriestränge zugeordnet werden kann und die ein Abschalten dieses Batteriestrangsystems erforderlich machen.
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Unter einem elektrischen Energiespeichersystem im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Energiespeichersystem mit Energiespeichern zu verstehen, denen entweder elektrische Energie entnommen werden kann oder zugeführt und entnommen werden kann. Der Energiespeicher ist als Ladungsspeicher und/oder als magnetischer Energiespeicher und/oder elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet. Ein elektrochemischer Energiespeicher ist insbesondere eine wiederaufladbare Batterie beziehungsweise ein Akkumulator. Vorteilhafterweise ist der elektrochemische Energiespeicher eine Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Luft-Batterie und/oder eine Batterie mit einem Feststoffelektrolyten.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ferner umfasst das elektrische Energiespeichersystem:
- - mindestens einen Sensor zum Erfassen einer Spannungsgröße, die eine elektrische Spannung einer oder mehrerer elektrochemischer Energiespeicher repräsentiert, eine Stromgröße, die einen elektrischen Strom, der durch einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher abgegeben oder aufgenommen wird, repräsentiert, und/oder einer Temperaturgröße, die eine Temperatur eines oder mehrerer elektrochemischen Energiespeicher repräsentiert.
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Dadurch kann eine elektrische Spannung eines oder mehrerer elektrischer Energiespeicher, ein elektrischer Strom, der durch einen oder mehrere elektrische Energiespeicher abgegeben oder aufgenommen wird, und/oder eine Temperatur eines oder mehrerer elektrischer Energiespeicher überwacht werden, wodurch ein Fehler frühzeitig erkannt werden kann.
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Eine Mehrzahl von Steuereinheiten kommunizieren mittels einer Datenverbindung kabelgebunden und/oder kabellos miteinander, wobei die kabelgebundene Datenübertragung über dedizierte Datenleitungen oder über die Strom- /Spannungsversorgungleitung mittels Frequenzmodulation („Powerline“) erfolgen kann.
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Dadurch können Fehler im jeweils anderen Teilstrang erkannt werden und dann ggf. in einen sicheren Zustand gewechselt werden, beispielsweise durch elektrisches Abschalten des fehlerhaften Teilstrangs, um Folgefehler zu verhindern.
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Die Spannungsausgleichschalteinheit ist vorteilhafterweise als hochohmige elektrische Verbindung ausgelegt.
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Dadurch erfolgt ein passiver Ladezustandsausgleich zwischen den elektrisch verbindbaren elektrochemischen Energiespeichern, wodurch sich die Leerlaufspannung und der Ladezustand der elektrochemischen Energiespeicher angleicht.
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In einer alternativen Ausführungsform ist auch ein aktiver Ladezustandsausgleich möglich, indem die Schalter als Halbleiterschalter getaktet angesteuert werden, um die Ausgleichsströme zu begrenzen.
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Die ersten Schalter, die zweiten Schalter und/oder Schalter der Spannungsausgleichschalteinheit sind Relais und/oder Halbleiterschalter und umfassen Leistungstransistoren, MOSFETs und/oder Thyristoren. Diese weisen besonders kurze Schaltzeiten und geringe Verluste auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichersystems umfasst folgende Schritte:
- a) Erfassen mindestens einer Signalgröße, die einen Zustand des elektrochemischen Energiespeichersystems, einen Zustand eines an die Traktionsanschlüsse angeschlossenen Antriebs- oder Nebenverbraucher eine elektrische Spannung der elektrochemischen Energiespeicher, einer Temperaturgröße der elektrochemischen Energiespeicher und/oder einen durch die elektrochemischen Energiespeicher abgegebenen oder aufgenommenen elektrischen Strom repräsentiert;
- b) Erzeugen von Schaltsignalen in Abhängigkeit eines Vergleichs der erfassten Signalgröße mit vorgegebenen Schwellenwerten;
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Ferner umfasst das Verfahren folgende Schritte:
- c) Öffnen von ersten Schaltern und Schließen von Schaltern der Spannungsausgleichschalteinheit für zumindest eine vorgegebene zeitliche Verweildauer in Abhängigkeit der erzeugten Schaltsignale zum Einstellen eines ersten Schaltzustands, zum Durchführen eines Ladezustandsausgleich zwischen den elektrochemischen Energiespeichern durch elektrisches Parallelschalten der Batteriestränge;
- d) Öffnen von ersten Schaltern in Abhängigkeit der erzeugten Schaltsignale zum Einstellen eines zweiten Schaltzustands, zum elektrischen Trennen des elektrochemischen Energiespeichers des ersten Batteriestrangsystems oder des elektrochemischen Energiespeichers des zweiten Batteriestrangsystems vom Spannungsverteiler;
- e) Öffnen von zweiten Schaltern in Abhängigkeit der erzeugten Schaltsignale zum Einstellen eines dritten Schaltzustands, zum elektrischen Trennen eines der Traktionsanschlüsse vom Spannungsverteiler.
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Dadurch wird sichergestellt, dass die elektrisch parallel geschalteten Batteriestränge im fehlerfreien Normalbetrieb und im abgeschalteten Zustand miteinander verbunden sind.
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Somit kann auch bei einem längeren Zeitraum im abgeschalteten Zustand, beispielsweise längere Abstellzeiten eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, ein Auseinanderdriften der Batteriestrangsystem-Spannungen verhindert werden, das beim Zuschalten des elektrischen Energiespeichersystems, beispielsweise für einen Fahrbetrieb und/oder Ladebetrieb, zu hohen Ausgleichströmen und daraus resultierend zu einer Beschädigung des elektrischen Energiespeichersystems führen kann.
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Durch den parallelen Betrieb der Batteriestränge steht im Fehlerfall auch bei Wegschalten eines Batteriestrangsystems grundsätzlich das gleiche Spannungsniveau zur Verfügung, so dass an die Traktionsanschlüsse angeschlossene Verbraucher, beispielsweise ein elektrisches Antriebssystem oder ein Nebenverbraucher, ohne wesentliche Einschränkung der verfügbaren mittleren Leistung weiterbetrieben werden kann. Vorteilhafterweise kann im Fehlerfall ein elektrischer Verbraucher elektrisch abgetrennt werden, wodurch ein weiterer Betrieb der restlichen Verbraucher ermöglicht wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Computerprogramm vorgesehen, umfassend Befehle, die bewirken, dass das elektrische Energiespeichersystem die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführt.
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Ferner ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems; und
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems; und
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche V orrichtu ngskomponenten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems 100. Das elektrische Energiespeichersystem 100 umfasst eine Mehrzahl an elektrischen Energiespeichern 101, 102, welche mittels elektrischer Verbindungen 113, 114 mit einer Schalteinheit 117 („Battery Junction Box“) elektrisch verbunden sind, und mittels der Schalteinheit 117 mit elektrischen Verbrauchern 109, 110 über elektrische Verbindungen 111, 112 elektrisch verbindbar sind. Dazu umfasst die Schalteinheit eine Vielzahl von Schaltern, die durch Steuereinheiten 105, 106 angesteuert werden. Ferner umfassen die Steuereinheiten 105, 106 jeweils ein eigenes Batteriemanagementsystem 107, 108 zum Erfassen von physikalischen Größen der elektrischen Energiespeicher 101, 102 mittels Sensoren 103, 104 über kabelgebundene und/oder kabellose Datenverbindungen 115, 116. Die Steuereinheiten 105, 106 kommunizieren mittels einer Datenverbindung 118 kabelgebunden und/oder kabellos miteinander, beispielsweise zur gegenseitigen Überwachung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems 200. Das elektrische Energiespeichersystem 200 umfasst ein erstes Batteriestrangsystem 201 und ein zweites Batteriestrangsystem 202 mit jeweils mindestens einem elektrochemischen Energiespeicher 207, 208, mindestens eine Spannungsausgleichschalteinheit AS sowie eine Mehrzahl von ersten Schaltern TS1a, TS1b und zweiten Schaltern TS2a, TS2b.
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Mittels der ersten Schalter TS1a, TS1b sind die elektrochemischen Energiespeicher 207, 208 des ersten Batteriestrangsystems 201 und/oder des zweiten Batteriestrangsystems 202 unabhängig voneinander allpolig mit einem Spannungsverteiler 205 elektrisch verbindbar. Durchs Schließen der ersten Schalter TS1a und TS1b entsteht eine elektrische Parallelschaltung der beiden Batteriestränge 201, 202.
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Mittels der zweiten Schalter TS2a, TS2b sind Traktionsanschlüsse 203, 204 des elektrischen Energiespeichersystems 200 unabhängig voneinander einpolig und/oder allpolig mit dem Spannungsverteiler 205 elektrisch verbindbar.
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Die elektrochemischen Energiespeicher 207, 208 des ersten Batteriestrangsystem 201 und des zweiten Batteriestrangsystems 202 sind mittels der Spannungsausgleichschalteinheit AS elektrisch parallel schaltbar, wenn die ersten Schalter TSla, TS1b geöffnet sind. Die Spannungsausgleichschalteinheit AS ist in der gezeigten Ausführungsform im spannungsfreien Zustand geschlossen und ist als eine hochohmige elektrische Verbindung ausgelegt, beispielsweise umfasst die Spannungsausgleichschalteinheit AS einen ohmschen Widerstand. Bei geschlossenen ersten Schaltern TS1a, TS1b sind die Batteriestränge nicht über die Spannungsausgleichschalteinheit AS elektrisch verbunden, beispielsweise durch Öffnen von Schaltern ASa, ASb.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des elektrischen Energiespeichersystems 200 erfasst in einem ersten Schritt mindestens eine Signalgröße, die einen Zustand des elektrochemischen Energiespeichersystems 200, einen Zustand eines mit den Traktionsanschlüsse 203, 204 verbundenen elektrisch Verbrauchers, eine elektrische Spannung der elektrochemischen Energiespeicher 201, 202, einer Temperaturgröße der elektrochemischen Energiespeicher 201, 202 und/oder einen durch die elektrochemischen Energiespeicher 201, 202 abgegebenen oder aufgenommenen elektrischen Strom repräsentiert.
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In einem weiteren Schritt werden Schaltsignalen in Abhängigkeit eines Vergleichs der erfassten Signalgröße mit vorgegebenen Schwellenwerten erzeugt.
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Im abgeschalteten Zustand des elektrischen Energiespeichersystems 200 werden zum Einstellen eines ersten Schaltzustands A die ersten Schalter TSla, TS1b geöffnet und die Schalter ASa, ASb der Spannungsausgleichschalteinheit AS geschlossen, wodurch die Batteriestränge 201, 202 über die elektrischen Verbindungen 206(1), 206(2) elektrisch parallelgeschaltet sind. In dem Schaltzustand A wird ein Ladezustandsausgleich zwischen den elektrochemischen Energiespeichern 207, 208 durchgeführt. Dadurch fließen bei einer Wiederinbetriebnahme des elektrischen Energiespeichersystems 200 keine hohen Ausgleichströme zwischen den Batteriesträngen, die zu einer Beschädigung führen können.
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Wird im Betrieb, beispielsweise während eines Fahrbetriebs eines Fahrzeugs mit dem elektrischen Energiespeichersystem 200, ein Fehler innerhalb einer der beiden Batteriestränge 201 oder 202 erkannt, werden zum Einstellen eines zweiten Schaltzustands B, C die ersten Schalter TS1a oder die ersten Schalter TS1b geöffnet, wodurch einer der beiden Batteriestränge 201 oder 202 vom Spannungsverteiler 205 elektrisch getrennt wird. Eine Leistungsversorgung der beiden Traktionsanschlüsse 203, 204 ist dabei über den verbleibenden Batteriestrangsystem 201 oder 202 über die elektrischen Leitungen 205(1), 205(2) mit reduzierter verfügbarer Energie und Leistung sichergestellt. Dadurch wird vorteilhafterweise ein vollständiges Abschalten des elektrischen Energiespeichersystems 200 vermieden, wodurch beispielsweise eine Weiterfahrt mit dem Fahrzeug möglich ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird nach Erkennen eines Fehlers innerhalb einer der beiden Batteriestränge 201 oder 202 im folgenden abgeschalteten Zustand kein Schaltzustand A zum Ladezustandsausgleich eingestellt.
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Wird im Betrieb ein Fehler innerhalb eines mit den Traktionsanschlüssen 203, 204 elektrisch verbundenen Traktionsnetzes oder damit verbundener Antriebseinheiten oder Nebenverbraucher erkannt, werden zum Einstellen eines dritten Schaltzustands D, E die zweiten Schalter TS2a oder die zweiten Schalter TS2b geöffnet, wodurch die Traktionsanschlüsse 203 oder 204 vom Spannungsverteiler 205 elektrisch getrennt werden. Dadurch steht dem verbleibenden Traktionsnetz und den damit verbundenen Antriebseinheiten und Nebenverbrauchern prinzipiell die komplette Energie und Leistung beider Batteriestränge 201, 202 zur Verfügung.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Wiedereinschalten des Traktionsnetzes nur nach einer Heilung des Fehlers möglich.
| Schalter | Schaltzustand |
| A | B | C | D | E |
| TS1a | Offen | Offen | Geschlossen | Geschlossen | Geschlossen |
| TS1b | Offen | Geschlossen | Offen | Geschlossen | Geschlossen |
| TS2a | Offen | Geschlossen | Geschlossen | Offen | Geschlossen |
| TS2b | Offen | Geschlossen | Geschlossen | Geschlossen | Offen |
| ASa | Geschlossen | Offen | Offen | Offen | Offen |
| ASb | Geschlossen | Offen | Offen | Offen | Offen |
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3 zeigt eine detaillierte schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems 300. Das elektrische Energiespeichersystem 300 umfasst einen ersten elektrochemischen Energiespeicher 207 mit einer Mehrzahl elektrochemischen Energiespeicherzellen 207(1), 207(2), 207(n) sowie einen zweiten elektrochemischen Energiespeicher 208 mit einer Mehrzahl elektrochemischen Energiespeicherzellen 208(1), 208(2), 208(n), erste Schalter TSla, TS1b, zweite Schalter TS2a, TS2b, Traktionsanschlüsse 203, 204 sowie Vorladeeinheiten 301, 302, einen Spannungsverteiler 205 sowie Sensoren 303, 304 zum Erfassen von physikalischen Größen, beispielsweise Spannung, Strom und/oder Temperatur, der elektrochemischen Energiespeicher 207, 208 durch Steuereinheiten 305, 306 mittels kabelgebundener oder kabelloser Datenverbindungen 309, 310.
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In Abhängigkeit der erfassten Größen werden die ersten Schalter TSla, TS1b und/oder die zweiten Schalter TS2a, TS2b und/oder Schalter ASa, ASb einer Spannungsausgleichschalteinheit AS mittels Steuerleitungen 307, 308 angesteuert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011089135 [0005]
- US 5931245 [0006]
- US 2004/0201365 [0007]
- DE 102011006395 A1 [0008]
- DE 102009000682 A1 [0009]
- DE 102014201440 A1 [0010]
