DE102020212769A1 - Method for the uninterrupted operation of a network-independent mobile system and mobile system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum unterbrechungsfreien Betreiben eines netzunabhängig betriebenen mobilen Systems (1) zum Versorgen einer allgemeinen Last (50). Das mobile System (1) umfasst ein Akkumulator-System (10) mit einer Mehrzahl N an Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n). Jeder der Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n) ist ein Stromregler (21-1, ..., 21-n) zugeordnet, um die Stromabgabe jeder der Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n) individuell einzustellen. Eine Ladungsbestimmungseinheit (30) bestimmt für jede der Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n) eine aktuelle Ladung (Qn) und eine in dem Akkumulator-System (10) verfügbare aktuelle Gesamtladung (Qtot). Eine Recheneinheit (40) steuert in Abhängigkeit der aktuellen Ladung (Qn) der N Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n) und der aktuellen Gesamtladung (Qtot) die Stromregler (21-1, ..., 21-n). Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bestimmen der aktuellen Ladung (Qn) jeder der Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n); Zuweisen einer Anzahl O der Mehrzahl N an Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n) zu einer ersten Gruppe (Grp_I) an Akkueinheiten, wobei in der ersten Gruppe (Grp I) die Akkueinheiten mit der höchsten aktuellen Ladung (Qn) enthalten sind; Zuweisen der verbleibenden Anzahl P der Mehrzahl N an Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n) zu einer zweiten Gruppe (Grp_II) an Akkueinheiten, wobei in der zweiten Gruppe (Grp_II) diejenigen Akkueinheiten mit der wenigsten aktuellen Ladung (Qn) enthalten sind und wobei gilt: P = N - Q; Entladen der Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Restladung (Rtot), wobei die Restladung (Rtot) diejenige Ladung ist, die während eines Wechsels der zu der zweiten Gruppe (Grp_II) an entladenen Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n) durch aufgeladene Akkueinheiten erforderlich ist, um die allgemeine Last (50) unterbrechungsfrei während des Wechsels zu versorgen; Versorgen der allgemeinen Last (50) aus den zu der ersten Gruppe (Grp I) an Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n) bis der Wechsel der zu der zweiten Gruppe (Grp_II) an entladenen Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten (11-1, ..., 11-n) durch aufgeladene Akkueinheiten abgeschlossen ist.The invention describes a method for the uninterrupted operation of a network-independent mobile system (1) for supplying a general load (50). The mobile system (1) includes a battery system (10) with a plurality N of battery units (11-1, ..., 11-n). A current regulator (21-1, ..., 21-n) is assigned to each of the rechargeable battery units (11-1, ..., 11-n) in order to regulate the current output of each of the rechargeable battery units (11-1, ..., 11 -n) to be set individually. A charge determination unit (30) determines a current charge (Qn) and a current total charge (Qtot) available in the battery system (10) for each of the rechargeable battery units (11-1, . . . , 11-n). A computing unit (40) controls the current controller (21-1, ..., 21-) depending on the current charge (Qn) of the N battery units (11-1, ..., 11-n) and the current total charge (Qtot). n). The method comprises the following steps: determining the current charge (Qn) of each of the battery units (11-1, ..., 11-n); Assigning a number O of the plurality N of battery units (11-1, ..., 11-n) to a first group (Grp_I) of battery units, wherein in the first group (Grp I) the battery units with the highest current charge (Qn ) are included; Assigning the remaining number P of the plurality N of battery units (11-1, ..., 11-n) to a second group (Grp_II) of battery units, wherein in the second group (Grp_II) those battery units with the least current charge (Qn ) are included and where: P = N - Q; Discharging the battery units (11-1, ..., 11-n) until a predetermined residual charge (Rtot) is reached, the residual charge (Rtot) being that charge which is discharged during a change to the second group (Grp_II). Battery units associated battery units (11-1, ..., 11-n) is required by charged battery units to supply the general load (50) without interruption during the change; Supplying the general load (50) from the battery units (11-1, ..., 11-n) belonging to the first group (Grp I) of battery units until the replacement of the battery units belonging to the second group (Grp_II) of discharged battery units (11-1, ..., 11-n) is completed by charged battery units.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum unterbrechungsfreien Betreiben eines netzunabhängig betriebenen mobilen Systems und ein netzunabhängig betreibbares mobiles System.The invention relates to a method for the uninterrupted operation of a network-independent mobile system and a network-independent mobile system.
Mobile elektrische Systeme, wie z.B. Kommunikations-, Computer- oder Robotersysteme sind mit Energieversorgungseinheiten ausgestattet, die eine netzunabhängig betriebene (kabellose) Energieversorgung zur Verfügung stellen. Um einen dauerhaften netzunabhängigen Betrieb des mobilen Systems zu gewährleisten, müssen diese Energieversorgungseinheiten, wenn sie entladen sind, aufgeladen werden, was eine Pausierung des mobilen Systems mit sich bringt. Verfügt das mobile System über ein Wechselsystem der Energieversorgungseinheit mit mindestens zwei Akkueinheiten, so kann während des Tauschs einer Akkueinheit das mobile System mit der anderen Akkueinheit weiter betrieben werden.Mobile electrical systems such as communication, computer or robot systems are equipped with power supply units that provide a mains-independent (wireless) power supply. In order to ensure permanent mains-independent operation of the mobile system, these energy supply units must be charged when they are discharged, which entails a pause in the mobile system. If the mobile system has an exchange system for the energy supply unit with at least two battery units, the mobile system can continue to be operated with the other battery unit while one battery unit is being replaced.
Bei solchen als Wechselsystem ausgelegten Energieversorgungseinheiten werden üblicherweise alle Akkueinheiten der Energieversorgungseinheit gleichzeitig und gleichmäßig entladen. Dies hat zur Folge, dass alle Akkueinheiten der Energieversorgungseinheit etwa gleichzeitig leer werden. Um einen unterbrechungsfreien Betrieb des mobilen Systems zu ermöglichen, ist es erforderlich, vor dem Zeitpunkt der vollständigen Entladung der Akkueinheiten diese gegen vollgeladene Akkueinheiten zu tauschen. Während des Tauschs bzw. Wechselvorgangs wird das mobile System über die weiteren in dem mobilen System enthaltenen Akkueinheiten, die ausreichend Ladung aufweisen, versorgt. Da der Wechsel von Akkueinheiten jedoch immer zu einem Zeitpunkt erfolgen muss, zudem die ausgetauschten bzw. gewechselten Akkueinheiten noch Ladung aufweisen, bedeutet dies für das mobile System Einbußen hinsichtlich der Laufzeit zwischen einem Tausch bzw. Wechsel von Akkueinheiten.In the case of such energy supply units designed as an exchangeable system, all battery units of the energy supply unit are usually discharged simultaneously and evenly. The consequence of this is that all the rechargeable battery units of the energy supply unit become empty at about the same time. In order to enable uninterrupted operation of the mobile system, it is necessary to replace the battery units with fully charged battery units before they are completely discharged. During the exchange or changing process, the mobile system is supplied with power via the other rechargeable battery units that are contained in the mobile system and that have sufficient charge. However, since the battery units must always be changed at a point in time when the battery units that have been exchanged or replaced are still charged, this means losses for the mobile system with regard to the running time between an exchange or change of battery units.
In einer anderen Variante könnten die Akkueinheiten der Energieversorgungseinheit gleichzeitig, undefiniert unabhängig und ungleichmäßig voneinander entladen werden, was jedoch ein deterministisches Austauschen jeweiliger Akkueinheiten erschwert.In another variant, the rechargeable battery units of the energy supply unit could be discharged simultaneously, undefined independently and unevenly from one another, which, however, makes a deterministic exchange of respective rechargeable battery units more difficult.
Zudem könnte die Möglichkeit vorgesehen sein, zwischen einzelnen Akkueinheiten umzuschalten, um sie definiert und nicht gleichzeitig zu entladen. Dies wirkt sich jedoch ebenfalls nachteilig auf die Laufzeit des mobilen Systems aus, da die Systemleistung aus einzelnen anstatt aus allen Akkueinheiten der Energieversorgungseinheit entnommen wird. Dies führt aufgrund des bekannten Peukert-Effekts, höheren Verlusten am Innenwiderstand einer jeweiligen Akkueinheit und einem früheren Entladeende aufgrund eines Innenwiderstands-bedingten früheren Erreichen der Ladeschlussspannung durch die höheren Entladeströme zu einer geringeren Energieausbeute.In addition, the possibility could be provided to switch between individual battery units in order to discharge them in a defined manner and not at the same time. However, this also has a disadvantageous effect on the running time of the mobile system, since the system power is drawn from individual battery units of the energy supply unit instead of from all of them. This leads to a lower energy yield due to the well-known Peukert effect, higher losses at the internal resistance of a respective battery unit and an earlier end of discharging due to the internal resistance-related earlier reaching of the end-of-charge voltage due to the higher discharging currents.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum unterbrechungsfreien Betreiben eines netzunabhängig betriebenen mobilen Systems und ein netzunabhängig betreibbares mobiles System anzugeben, welches funktional verbessert ist und eine optimierte Energieausnutzung der in ihrer Energieversorgungseinheit zur Verfügung stehenden Energie ermöglicht.The object of the invention is to specify a method for the uninterrupted operation of a mobile system that is operated independently of the mains and a mobile system that can be operated independently of the mains, which is functionally improved and enables optimized energy utilization of the energy available in its energy supply unit.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These objects are achieved by a method according to the features of
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum unterbrechungsfreien Betreiben eines netzunabhängig betriebenen mobilen Systems vorgeschlagen. Bei dem mobilen System handelt es sich beispielsweise um ein Kommunikationssystem, ein Computersystem oder ein Robotersystem. Das mobile System kann auch Funktionen von Kommunikations-, Computer- und Robotikkomponenten in beliebiger Kombination umfassen. Beispielsweise handelt es sich bei dem mobilen System um ein Assistenzrobotiksystem oder ein für die Logistik verwendetes mobiles Transportsystem.According to a first aspect of the present invention, a method for the uninterrupted operation of a network-independent mobile system is proposed. The mobile system is, for example, a communication system, a computer system or a robot system. The mobile system can also include functions of communication, computing and robotic components in any combination. For example, the mobile system is an assistance robotic system or a mobile transport system used for logistics.
Das mobile System umfasst ein Akkumulator-System mit einer Mehrzahl N an entnehmbaren und außerhalb des mobilen Systems wiederaufladbaren Akkueinheiten. Unter einer Akkueinheit (auch als Akkumulator oder Akku bezeichnet) ist ein wiederaufladbares galvanisches Element zu verstehen, das aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten besteht und elektrische Energie auf elektrochemischer Basis speichert. Eine Akkueinheit kann dabei eine beliebige Anzahl an unterschiedlichen Speicherelementen (auch als Sekundärelement oder Sekundärzelle bezeichnet) umfassen, die in geeigneter Weise seriell und/oder parallel verschaltet sind. Eine Reihenschaltung mehrerer Speicherelemente ermöglicht die Steigerung der nutzbaren elektrischen Spannung. Eine Parallelschaltung mehrerer Speicherelemente ermöglicht die Steigerung der nutzbaren Kapazität und eignet sich für höhere Stromstärken. Beide Schaltungsvarianten ermöglichen einen vorgegebenen Gesamt-Energieinhalt, angegeben in Wattstunden (Wh) der jeweiligen Akkueinheit. Die Mehrzahl N beträgt zwei oder mehr. Die Akkueinheiten sind derart, z.B. in einem Gehäuse, in dem Akkumulator-System angeordnet, dass sie aus dem Akkumulator-System, z.B. manuell oder mittels einer automatisierten Greifeinheit, entnommen und wiedereingesetzt werden können. Eine Wiederaufladung der Akkueinheiten findet nicht innerhalb des mobilen Systems, sondern an einem davon externen Ladegerät statt.The mobile system includes a battery system with a plurality N of removable battery units that can be recharged outside of the mobile system. A rechargeable battery unit (also referred to as an accumulator or rechargeable battery) is a rechargeable galvanic element that consists of two electrodes and an electrolyte and stores electrical energy on an electrochemical basis. A rechargeable battery unit can include any number of different storage elements (also referred to as secondary element or secondary cell), which are connected in a suitable manner in series and/or in parallel. A series connection of several storage elements enables the usable electrical voltage to be increased. A parallel connection of several storage elements enables the usable capacity to be increased and is suitable for higher current intensities. Both circuit variants allow a specified total energy content, specified in watt hours (Wh) of the respective battery unit. The plural number N is two or more. The accumulator units are arranged in such a way, for example in a housing, in the accumulator system that they can be removed from the accumulator system, for example manually or by means of an automated gripping unit, can be removed and reinserted. The battery units are not recharged within the mobile system, but on an external charger.
Das mobile System umfasst ferner eine Stromregelungseinheit mit der Mehrzahl N an Stromreglern. Dabei ist jeder der Akkueinheiten ein Stromregler zugeordnet, um die Stromabgabe jeder der Akkueinheiten individuell und unabhängig von den übrigen Akkueinheiten einzustellen. Ein jeweiliger Stromregler kann beispielsweise in Gestalt eines stromregelnden Schaltreglers ausgebildet sein. Dieser gleicht die Spannungsunterschiede zwischen der Spannung der angeschlossenen Akkueinheit und dem Stromversorgungsbus aus und kann durch eine externe Vorgabe einen in Richtung und Stärke definierten Stromfluss zwischen der Akkueinheit und dem Stromversorgungsbus erzeugen.The mobile system also includes a current control unit with the plurality N of current controllers. In this case, each of the battery units is assigned a current controller in order to set the current output of each of the battery units individually and independently of the other battery units. A respective current regulator can be designed, for example, in the form of a current-regulating switching regulator. This equalizes the voltage differences between the voltage of the connected battery unit and the power supply bus and can generate a current flow between the battery unit and the power supply bus that is defined in terms of direction and strength through an external specification.
Das mobile System umfasst ferner eine Ladungsbestimmungseinheit, die dazu ausgebildet ist, für jede der Akkueinheiten eine aktuelle Ladung und eine in dem Akkumulator-System verfügbare aktuelle Gesamtladung zu bestimmen. Die in dem Akkumulator-System verfügbare aktuelle Gesamtladung bestimmt sich aus der Summe sämtlicher aktueller Ladungen jeder der Mehrzahl N an Akkueinheiten.The mobile system also includes a charge determination unit, which is designed to determine a current charge and a current total charge available in the battery system for each of the battery units. The current total charge available in the accumulator system is determined from the sum of all current charges of each of the plurality N of accumulator units.
Eine Recheneinheit des mobilen Systems ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit der aktuellen Ladung der Mehrzahl N an Akkueinheiten und der aktuellen Gesamtladung die Mehrzahl N an Stromreglern der Stromregelungseinheit zu steuern. Die Recheneinheit ist somit dazu vorgesehen, in Abhängigkeit eines von ihr ausgeführten Verfahrens die einzelnen Stromregler mit Sollwerten zu beaufschlagen, damit diese individuell und unabhängig die Stromabgabe jeder der Akkueinheiten einstellen können.A computing unit of the mobile system is designed to control the plurality N of current controllers of the current control unit depending on the current charge of the plurality N of rechargeable battery units and the current total charge. The arithmetic unit is therefore intended to load the individual current controllers with desired values depending on a method it executes, so that they can set the current output of each of the rechargeable battery units individually and independently.
Schließlich umfasst das mobile System eine allgemeine Last. Die allgemeine Last umfasst in dem mobilen System enthaltene Verbraucher, wie z.B. elektrische Antriebe zur autonomen, teilautonomen oder gesteuerten Bewegung des mobilen Systems, zur Durchführung von Bewegungen von mechanischen Greif-, Halte- oder Bewegungsmitteln, Ein- und Ausgabeeinheiten einer Nutzerinteraktionsschnittstelle, Beleuchtungseinheiten, Audio- und/oder Videoeinheiten und dergleichen. Die allgemeine Last repräsentiert somit sämtliche in dem mobilen System vorhandenen Verbraucher, die zu deren Betrieb aus dem Akkumulator-System mit Energie versorgt werden. Die aus einem oder mehreren Verbrauchern bestehende Last ist mittels eines gemeinsamen Stromversorgungsbus mit den Stromreglern verbunden.Finally, the mobile system includes a general load. The general load includes consumers contained in the mobile system, such as electric drives for autonomous, semi-autonomous or controlled movement of the mobile system, for performing movements of mechanical gripping, holding or moving means, input and output units of a user interaction interface, lighting units, audio - and/or video units and the like. The general load thus represents all consumers present in the mobile system, which are supplied with energy from the accumulator system for their operation. The load, consisting of one or more consumers, is connected to the current regulators by means of a common power supply bus.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:The procedure includes the following steps:
In einem Schritt a) erfolgt das Bestimmen der aktuellen Ladung jeder der Akkueinheiten.In a step a), the current charge of each of the rechargeable battery units is determined.
In einem Schritt b) erfolgt das Zuweisen einer Anzahl O der Mehrzahl N an Akkueinheiten zu einer ersten Gruppe an Akkueinheiten. Die Anzahl O der Mehrzahl N an Akkueinheiten stellt somit eine Teilanzahl der Mehrzahl N an Akkueinheiten dar. In der ersten Gruppe an Akkueinheiten sind hierbei die Akkueinheiten mit der höchsten aktuellen Ladung der Mehrzahl N an Akkueinheiten enthalten. Die Anzahl O der Mehrzahl N kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Es ist zweckmäßig, wenn die Anzahl O in etwa der Hälfte der Mehrzahl N beträgt, d.h. O ≈ 0,5 N.In a step b), a number O of the plurality N of rechargeable battery units is assigned to a first group of rechargeable battery units. The number O of the plurality N of rechargeable battery units thus represents a partial number of the plurality N of rechargeable battery units. The first group of rechargeable battery units contains the rechargeable battery units with the highest current charge of the plurality N of rechargeable battery units. The number O of the plurality N can in principle be chosen arbitrarily. It is useful if the number O is approximately half of the number N, i.e. O ≈ 0.5 N.
In einem Schritt c) erfolgt das Zuweisen der verbleibenden Anzahl P der Mehrzahl N an Akkueinheiten zu einer zweiten Gruppe an Akkueinheiten, wobei in der zweiten Gruppe diejenigen Akkueinheiten mit der wenigsten aktuellen Ladung der Mehrzahl N an Akkueinheiten enthalten sind. Die Relation zwischen der Anzahl O, der Anzahl P und der Mehrzahl N ist wie folgt: P = N - O. Wenn die Anzahl O in etwa der Hälfte der Mehrzahl N beträgt, d.h. O ≈ 0,5 N, dann beträgt die Anzahl P ebenfalls in etwa die Hälfte der Mehrzahl N, d.h. P ≈ 0,5 N.In a step c), the remaining number P of the plurality N of rechargeable battery units is assigned to a second group of rechargeable battery units, the second group containing those rechargeable battery units with the least current charge of the plurality N of rechargeable battery units. The relation between the number O, the number P and the plural number N is as follows: P = N - O. If the number O is approximately half of the plural number N, i.e. O ≈ 0.5 N, then the number is P also in about half of the plural number N, i.e. P ≈ 0.5 N.
In einem Schritt d) erfolgt das Entladen der Akkueinheiten bis zum Erreichen einer vorgegebenen Restladung. Die Restladung ist diejenige Ladung, die während eines Wechsels der zu der zweiten Gruppe an entladenen Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten durch aufgeladenen Akkueinheiten erforderlich ist, um die allgemeine Last unterbrechungsfrei während des Wechsels zu versorgen. Hieraus ergibt sich, dass die Restladung von den Akkueinheiten der zu der ersten Gruppe gehörigen Akkueinheiten aufgebracht werden muss.In a step d), the battery units are discharged until a predetermined residual charge is reached. The remaining charge is that charge which is required during a change from the battery units belonging to the second group of discharged battery units to charged battery units in order to supply the general load without interruption during the change. It follows from this that the remaining charge must be applied by the battery units belonging to the first group of battery units.
Schritt e) umfasst das Versorgen der allgemeinen Last aus den zu der ersten Gruppe an Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten bis der Wechsel der zu der zweiten Gruppe an entladenen Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten durch aufgeladenen Akkueinheiten abgeschlossen ist.Step e) comprises supplying the general load from the battery units belonging to the first group of battery units until the replacement of the battery units belonging to the second group of discharged battery units with charged battery units is completed.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein kontinuierliches Betreiben des netzunabhängig betriebenen mobilen Systems. Dabei sind ein schonendes Entladen und eine optimale Energieausbeute der Akkueinheiten des Akkumulator-Systems sichergestellt. Das Verfahren ermöglicht insbesondere, dass keine Akkueinheiten ungenutzt in dem Akkumulator-System verbleiben, sondern alle Akkueinheiten aus der ersten und der zweiten Gruppe - mit Ausnahme der Zeitdauer des Wechsels der zu der zweiten Gruppe an entladenen Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten - entladen werden können. Nach dem Wechsel der zunächst entladenen Akkueinheiten der zweiten Gruppe stellen dann die vollgeladenen Akkueinheiten der zweiten Gruppe die Versorgung des mobilen Systems sicher, so dass die Einheiten der ersten Gruppe gewechselt werden können, wenn diese entladen sind.The method according to the invention enables continuous operation of the network-independent mobile system. Gentle discharging and an optimal energy yield of the battery units of the accumulator system are ensured. The method allows in particular that no battery units remain unused in the battery system, but all battery units from the first and second group - with the exception of the time period of changing to the second group of discharged batteries units associated battery units - can be discharged. After changing the initially discharged battery units of the second group, the fully charged battery units of the second group then ensure the supply of the mobile system, so that the units of the first group can be changed when they are discharged.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zum Versorgen der allgemeinen Last bis zum Erreichen einer vorgegebenen Restladung die Akkueinheiten der zu der ersten Gruppe gehörigen Akkueinheiten und der zu der zweiten Gruppe gehörigen Akkueinheiten entladen werden. Mit anderen Worten werden gemäß dieser Ausgestaltung immer alle Akkueinheiten zum Versorgen der allgemeinen Last entladen. Mit Erreichen der vorgegebenen Restladung, die einen Wechsel der Akkueinheiten der zu der zweiten Gruppen gehörigen Akkueinheiten einleitet, erfolgt dann während des Wechsel der entladenen Akkueinheiten der zu der zweiten Gruppe gehörigen Akkueinheiten eine Versorgung durch die zu der ersten Gruppe an Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten. Hierdurch verbleiben keine Akkueinheiten ungenützt in dem mobilen System bzw. dessen Akkumulator-System.In an expedient embodiment it is provided that the battery units of the battery units belonging to the first group and of the battery units belonging to the second group are discharged in order to supply the general load until a predetermined residual charge is reached. In other words, according to this refinement, all battery units are always discharged for supplying the general load. When the predetermined residual charge is reached, which initiates a change of the battery units belonging to the second group, the battery units belonging to the first group of battery units are then supplied with power while the discharged battery units of the battery units belonging to the second group are being changed. As a result, no battery units remain unused in the mobile system or its battery system.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Akkueinheiten der zu der ersten Gruppe und die Akkueinheiten der zu der zweiten Gruppe gehörigen Akkueinheiten mit einem unterschiedlichen Lastanteil entladen werden. Durch dieses Vorgehen werden die Akkueinheiten beider Gruppen, d.h. der ersten und der zweiten Gruppe, zwar gleichzeitig entladen. Allerdings werden die Akkueinheiten einer Gruppe, nämlich die zu der ersten Gruppe gehörigen Akkueinheiten, langsamer entladen, als die Akkueinheiten der anderen Gruppe, nämlich die zu der zweiten Gruppe gehörigen Akkueinheiten. Während des Wechsels der schneller entladenen Gruppe (zweite Gruppe) wird die Versorgung des mobilen Systems durch die andere (erste) Gruppe sichergestellt. Nach dem Wechsel der zunächst schneller entladenen Akkueinheiten stellen deren vollgeladene Akkueinheiten die Versorgung des Systems sicher, so dass die Akkueinheiten der anderen Gruppe gewechselt werden können.A further expedient embodiment provides that the battery units belonging to the first group and the battery units belonging to the second group are discharged with a different load proportion. This procedure discharges the battery units of both groups, i.e. the first and the second group, at the same time. However, the rechargeable battery units in one group, namely the rechargeable battery units belonging to the first group, are discharged more slowly than the rechargeable battery units in the other group, namely the rechargeable battery units belonging to the second group. During the change of the faster discharged group (second group), the supply of the mobile system is ensured by the other (first) group. After changing the battery units, which initially discharged more quickly, their fully charged battery units ensure the supply of the system, so that the battery units of the other group can be changed.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Akkueinheiten der zu der ersten Gruppe gehörigen Akkueinheiten mit einem Lastanteil entladen werden, der geringer ist als der Lastanteil der zu der zweiten Gruppe gehörigen Akkueinheiten. Die Entladung der Akkueinheiten der zu der zweiten Gruppe gehörigen Akkueinheiten mit einem höheren Lastanteil bedingt somit ein schnelleres Entladen als der zu der ersten Gruppe gehörigen Akkueinheiten.A further expedient embodiment provides that the battery units of the battery units belonging to the first group are discharged with a load component which is lower than the load component of the battery units belonging to the second group. The discharging of the battery units of the battery units belonging to the second group with a higher load proportion thus causes faster discharging than the battery units belonging to the first group.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die zu der zweiten Gruppe an Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten vollständig entladen werden. Dies ermöglicht es, den Energieanhalt der zweiten Gruppe an Akkueinheiten vollständig auszunutzen. Während des Wechsels der zu der zweiten Gruppe an Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten wird die Energieversorgung durch die zu der ersten Gruppe gehörigen Akkueinheiten sichergestellt.A further expedient embodiment provides that the battery units belonging to the second group of battery units are completely discharged. This enables the energy retention of the second group of battery packs to be fully utilized. During the exchange of the battery units belonging to the second group of battery units, the energy supply is ensured by the battery units belonging to the first group.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn zusätzlich die zu der ersten Gruppe an Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten nach dem Wechsel der zu der zweiten Gruppe an Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten vollständig entladen werden. Hierdurch ergibt sich eine maximale Energieausbeute des von dem Akkumulator-System bereitgestellten Energieinhalts.It is also expedient if, in addition, the battery units belonging to the first group of battery units are completely discharged after changing the battery units belonging to the second group of battery units. This results in a maximum energy yield of the energy content provided by the accumulator system.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Entladung der ersten Gruppe gehörigen Akkueinheiten durch die jeweiligen Stromregler derart erfolgt, dass die jeweilige Stromentnahme einer vorgegebenen ersten Entladekurve für die erste Gruppe an Akkueinheiten folgt und die Entladung der zu der zweiten Gruppe gehörigen Akkueinheiten durch die jeweiligen Stromregler derart erfolgt, dass die jeweilige Stromentnahme einer vorgegebenen zweiten Entladekurve für die zweite Gruppe an Akkueinheiten erfolgt. Dies kann durch den Vergleich des relativen Ladezustands jeweiliger Akkueinheiten mit der für sie geltenden zuständige Entladekurve realisiert werden. Die erste und die zweite Entladekurve stellen somit Soll-Entladekurven dar, wobei die jeweiligen Stromregler derart regeln, dass diese individuell und unabhängig von den übrigen Akkueinheiten die erforderliche Stromabgabe einstellen, um eine möglichst gute Übereinstimmung der tatsächlichen Entladekurve mit der vorgegebenen Entladekurve realisieren. Insbesondere umfasst die ersten Endladekurve zwei oder mehr Geradenabschnitte. Zweckmäßigerweise umfasst die zweite Entladekurve einen einzigen Geradenabschnitt. Der Schnittpunkt der beiden Geradenabschnitte der ersten Entladekurve fällt zweckmäßigerweise mit dem Erreichen der Restladung zusammen, zu dem der einzige Geradenabschnitt der zweiten Entladekurve auf 0% abgefallen ist, d.h. wenn die Akkueinheiten der zu der zweiten Gruppe gehörigen Akkueinheiten entladen sind.A further expedient embodiment provides that the battery units belonging to the first group are discharged by the respective current regulators in such a way that the respective current draw follows a predetermined first discharge curve for the first group of battery units and the battery units belonging to the second group are discharged by the respective Current regulator takes place in such a way that the respective current draw is a predetermined second discharge curve for the second group of battery units. This can be realized by comparing the relative state of charge of the respective battery units with the relevant discharge curve that applies to them. The first and the second discharge curve thus represent target discharge curves, with the respective current controllers regulating in such a way that they set the required current output individually and independently of the other rechargeable battery units in order to achieve the best possible match between the actual discharge curve and the specified discharge curve. In particular, the first discharge curve comprises two or more straight line sections. The second discharge curve expediently comprises a single straight line section. The point of intersection of the two straight sections of the first discharge curve expediently coincides with reaching the residual charge, at which point the only straight section of the second discharge curve has dropped to 0%, i.e. when the battery units belonging to the second group are discharged.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Schritte a) bis c) initial durchgeführt werden, wenn die Mehrzahl N an Akkueinheiten jeweils vollständig aufgeladen ist. Die Schritte d) und e) werden hingegen sinngemäß iterativ durchgeführt, um den kontinuierlichen Betrieb des mobilen Systems durch aufeinanderfolgenden Wechsel der zu den beiden Gruppen gehörigen Akkueinheiten sicherzustellen:
- Wechsel der zu der zweiten Gruppe gehörigen Akkueinheiten, gefolgt vom einem Wechsel der zu der ersten Gruppe gehörigen Akkueinheiten, gefolgt von einem Wechsel der zu der zweiten Gruppe gehörigen Akkueinheiten, usw.
- Changing the battery packs belonging to the second group, followed by changing the battery packs belonging to the first group, followed by changing the battery packs belonging to the second group, etc.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schritte a) bis c) auch nach dem Wechsel der zu der zweiten Gruppe gehörigen Akkueinheiten durch aufgeladenen Akkueinheiten durchgeführt wird. Auf diese Weise erfolgt eine jeweils dynamische Zuordnung der Mehrzahl N an Akkueinheiten zu der ersten oder zweiten Gruppe an Akkueinheiten, so dass die Akkueinheiten des Akkumulator-Systems über die Laufzeit in etwa einer gleichen Belastung unterliegen.In a further refinement, it is provided that steps a) to c) are also carried out after the rechargeable battery units belonging to the second group have been replaced by charged rechargeable battery units. In this way, the plurality N of rechargeable battery units is dynamically assigned to the first or second group of rechargeable battery units, so that the rechargeable battery units of the rechargeable battery system are subjected to approximately the same load over the running time.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Computer läuft.According to a second aspect, a computer program product is proposed, which can be loaded directly into the internal memory of a digital computer and comprises software code sections, with which the steps of the method described herein and its embodiments are carried out when the product is run on a computer.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein netzunabhängig betreibbares mobiles System vorgeschlagen. Das mobile System umfasst ein Akkumulator-System mit einer Mehrzahl N an entnehmbaren und außerhalb des mobilen Systems wiederaufladbaren Akkueinheiten, eine Stromregelungseinheit mit der Mehrzahl N an individuell und unabhängig steuerbaren Stromreglern, eine Ladungsbestimmungseinheit, die dazu ausgebildet ist, für jede der Akkueinheiten eine aktuelle Ladung und eine in dem Akkumulator-System verfügbare aktuelle Gesamtladung zu bestimmen, eine Recheneinheit und eine allgemeine Last. Die genannten Komponenten sind wie vorstehend beschrieben ausgebildet. Die Recheneinheit ist zur Durchführung der Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens sowie eines oder mehrerer Ausgestaltungen ausgebildet.According to a third aspect, a mobile system that can be operated independently of the network is proposed. The mobile system includes an accumulator system with a plurality N of removable and rechargeable battery units outside of the mobile system, a current control unit with the plurality N of individually and independently controllable current regulators, a charge determination unit that is designed to determine a current charge for each of the battery units and determine a current total charge available in the accumulator system, a computing unit, and a general load. The components mentioned are designed as described above. The computing unit is designed to carry out the steps of the method described herein and one or more configurations.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines netzunabhängig betreibbaren mobilen Systems mit einem Akkumulator-System mit einer Mehrzahl N an Akkueinheiten gemäß einer Ausführung der Erfindung; -
2 ein Diagramm, das eine erste und eine zweite Entladekurve als Vorgabe-Entladekurven für eine erste bzw. eine zweite Gruppe an Akkueinheiten illustriert; -
3 ein Diagramm, das die beiden in2 dargestellten Entladekurven zusammen mit den realen Entladeverläufen der Mehrzahl N an Akkueinheiten illustriert; -
4 ein Diagramm, das die normierte Entladung jeweiliger zu der ersten und zu der zweiten Gruppe gehöriger Akkueinheiten über die Zeit und einen Wechsel der zu der zweiten Gruppe an Akkueinheiten gehörigen Akkueinheiten illustriert; und -
5 ein Diagramm, das den zeitlichen Entladungsverlauf für alle Akkueinheiten der Mehrzahl N an Akkueinheiten eines Akkumulator-Systems illustriert.
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1 a schematic representation of a network-independent operable mobile system with a battery system with a plurality N of battery units according to an embodiment of the invention; -
2 a diagram illustrating a first and a second discharge curve as default discharge curves for a first and a second group of rechargeable battery units; -
3 a diagram that puts the two in2 illustrated discharge curves illustrated together with the real discharge curves of the plurality N of battery units; -
4 a diagram illustrating the normalized discharge of respective battery units belonging to the first and to the second group over time and a change of the battery units belonging to the second group of battery units; and -
5 a diagram that illustrates the discharge profile over time for all rechargeable battery units of the plurality N of rechargeable battery units of a rechargeable battery system.
Das mobile System 1 umfasst ein Akkumulator-System 10, eine Stromregelungseinheit 20, eine Ladungsbestimmungseinheit 30, eine Recheneinheit 40 sowie eine allgemeine Last 50. Das mobile System 1 kann darüber hinaus, z.B. je nach Anwendung, weitere Komponenten umfassen. In der vorliegenden Beschreibung werden Komponenten, wie z.B. zur Ermöglichung einer Bewegung und/oder Handhabung von Gegenständen und/oder Kommunikation, als Bestandteile der allgemeinen Last 50 verstanden.
Das Akkumulator-System 10 umfasst eine Mehrzahl N an entnehmbaren und außerhalb des mobilen Systems 1 wiederaufladbaren Akkueinheiten 11-1,...,11-n (n = 1 bis N). Unter einer Akkueinheit 11-1, ..., 11-n ist ein wiederaufladbares galvanisches Element zu verstehen, das aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten besteht und elektrische Energie auf elektrochemischer Basis speichert. Eine Akkueinheit 11-1, ..., 11-n kann eine beliebige Anzahl an unterschiedlichen Speicherelementen (Sekundärelement oder Sekundärzelle) umfassen, die in geeigneter Weise verschaltet sind. Eine Reihenschaltung mehrerer der Speicherelemente ermöglicht die Steigerung der nutzbaren elektrischen Spannung. Eine Parallelschaltung mehrerer Speicherelemente ermöglicht die Steigerung der nutzbaren Kapazität und eignet sich auch für höhere Stromstärken. Eine Akkueinheit kann auch eine Kombination aus seriell und parallel verschalteten Speicherelementen umfassen.The
Die Mehrzahl N beträgt zwei oder mehr, d.h. N ≥ 2. Die Mehrzahl N wird aus praktischen Gründen als geradzahlige Zahl gewählt, wobei dies jedoch nicht zwingend ist, z.B. N = 2, 4, 6, 8, 10, ...The plural number N is two or more, i.e. N ≥ 2. The plural number N is chosen as an even number for practical reasons, but this is not mandatory, e.g. N = 2, 4, 6, 8, 10, ...
Die Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n sind in einem in
Damit können auch die jeweiligen Gesamt-Energieinhalte, d.h. Kapazität C, der N Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n unterschiedlich sein.The respective total energy contents, i.e. capacity C, of the N rechargeable battery units 11-1, . . . , 11-n can therefore also be different.
Die Stromregelungseinheit 20 umfasst die gleiche Mehrzahl N an Stromreglern 21-1, ..., 21-n (n = 1 bis N). Jeder der Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n ist genau ein Stromregler 21-1, ..., 21-n zugeordnet. Jeder der Stromregler 21-1, ..., 21-n ist dazu eingerichtet, die Stromabgabe jeder der ihm zugeordneten Akkueinheit 11-1, ..., 11-n individuell und unabhängig von den übrigen Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n einzustellen. Mit Hilfe eines jeweiligen Stromreglers 21-1, ..., 21-n ist es somit möglich, individuell die Strom- bzw. Leistungsabgabe jeder der Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n einzustellen. Hierzu kann der Stromregler 21-1, ..., 21-n beispielsweise als Regelschaltung in Form eines stromregelnden Schaltreglers ausgebildet sein.The
Die Ladungsbestimmungseinheit 30 ist dazu ausgebildet, für jede der Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n eine aktuelle Ladung Qn (n = 1 bis N) zu bestimmen. Aus der Gesamtheit (Summe) der aktuellen Ladungen Qn, kann dann eine in dem Akkumulator-System 10 verfügbare aktuelle Gesamtladung Qtot bestimmt werden.The
Die Recheneinheit 40 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit der aktuellen Ladung Qn der Mehrzahl N an Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n und der aktuellen Gesamtladung Qtot die Mehrzahl N an Stromregler 21-1, ..., 21-n der Stromregelungseinheit 20 zu steuern. Die Recheneinheit 40 ermöglicht es, in Abhängigkeit eines von ihr ausgeführten Verfahrens, die einzelnen Stromregler 21-1, ..., 21-n mit Sollwerten zu beaufschlagen, damit diese in vorgegebener Weise individuell und unabhängig die Stromabgabe jeder der Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n einstellen.The
Die allgemeine Last 50 umfasst sämtliche in dem mobilen System 1 enthaltenen Verbraucher, wie dies oben beschrieben wurde. Hierunter fallen z.B. elektrische Antriebe zur autonomen, teilautonomen oder gesteuerten Bewegung des mobilen Systems, autonome Antriebe zur Durchführung von Bewegungen von mechanischen Greif-, Halte- oder Bewegungsmitteln, Ein- und Ausgabeeinheiten einer Nutzerinteraktionsschnittstelle, Beleuchtungseinheiten, Audio- und/oder Videoeinheiten und dergleichen. Die allgemeine Last 50 repräsentiert somit sämtliche in dem mobilen System 1 vorhandenen Verbraucher, die zu deren Betrieb aus dem Akkumulator-System 10 mit Energie versorgt werden müssen.The
Zum unterbrechungsfreien Betreiben des netzunabhängig betriebenen mobilen Systems 1 sind neben der Anzahl N an in dem Akkumulator-System 10 enthaltenen Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n folgende Parameter festzulegen.In addition to the number N of battery units 11-1, . . .
Die Anzahl O der Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n stellt diejenige Anzahl der N Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n dar, welche erforderlich sind, um während einer Phase des Tauschens von entladenen Akkueinheiten noch genug Leistung für den Betrieb des mobilen Systems 1 zur Verfügung stellen zu können. Die Anzahl O der Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n stellt eine verbleibende (Teil-)Anzahl O der Mehrzahl N an Akkueinheiten der Erfindung dar, die verbleibende Anzahl O ist kleiner als N (d.h. O < N) und beträgt mindestens 1. In einer bevorzugten und praktischen Variante der Erfindung beträgt die verbleibende Anzahl O der Mehrzahl N an Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n in die Hälfte der Mehrzahl N an Akkueinheiten, d.h. O ½ × N, sofern N geradzahlig ist. Ist N ungeradzahlig gilt bevorzugt: O (½ × N) ± ½.The number O of rechargeable battery units 11-1, ..., 11-n represents the number of N rechargeable battery units 11-1, ..., 11-n that are required to still have enough during a phase of exchanging discharged rechargeable battery units To be able to provide power for the operation of the
Die geeignete Bestimmung der verbleibenden Anzahl O der Mehrzahl N an Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n ist erforderlich, da aus einer einzelnen Akkueinheit keine beliebig hohe Leistung entnommen werden kann. Es existieren jedoch Betriebsfälle des mobilen Systems 1, in dem mehr als eine Akkueinheit in dem Akkumulator-System 10 verbleiben muss, um einen zuverlässigen Betrieb der allgemeinen Last 50 zu gewährleisten.The suitable determination of the remaining number O of the plurality N of rechargeable battery units 11-1, . . . However, there are operating cases of the
Ein weiterer zu definierender Parameter ist eine im Betrieb des mobilen Systems 1 in dem Akkumulator-System 10 erforderliche Restladung Rtot. Die Restladung Rtot ist diejenige Ladung, die während eines Wechsels eines Teils P (Anzahl P) der Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n des Akkumulator-Systems 10 in dem Akkumulator-System 10 verbleiben soll, damit während des Wechsels das mobile System 1 durch die in dem Akkumulator-System 10 verbleibenden Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n unterbrechungsfrei versorgt werden können. Es gilt dabei folgende Beziehung zwischen den Anzahlen O, P und N an Akkueinheiten 11-1, ..., ll-n: O + P = N oder P = N - O. Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass die Restladung Rtot derart festgelegt wird, dass der während des Wechsels bereitgestellte Betrieb mit reduzierter Performanz erfolgt.A further parameter to be defined is a residual charge R tot required in the
Für die Bestimmung, wann ein Wechsel des Teils P der Akkueinheiten des Akkumulator-Systems 10 erforderlich ist, muss bekannt sein, welche aktuelle Ladung Qn in jeder der in dem Akkumulator-System 10 vorhandenen Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n enthalten ist. Es sind verschiedene Verfahren zur Bestimmung der aktuellen Ladung in Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n aus dem Stand der Technik bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher ausgeführt.In order to determine when it is necessary to change the part P of the rechargeable battery units in the
Vorteilhafterweise werden die aktuellen Ladungen Qn auf die typische Kapazität C, also der typischerweise in einer Akkueinheit einlagerbaren Ladung, normiert: Qn/C. Weisen die Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n unterschiedliche Kapazitäten auf, so wird die typische Kapazität der jeweiligen Akkueinheitengröße auf Cn (n = 1 bis N) normiert. Nicht eingesetzte oder unbesetzte Akkueinheiten-Anschlüsse des Akkumulator-Systems 10 werden mit einer Restladung von 0 bewertet. Dadurch wird die gesamte im System vorhandene Ladung Qtot als Summe über alle vorhandenen Einzelladungen Qn berechnet, d.h.
Während des Entladevorgangs werden die Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n in zwei Gruppen eingeteilt. Die Einteilung erfolgt nach der Bestimmung der aktuellen Ladung Qn jeder der Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n mit Hilfe der Ladungsbestimmungseinheit 30.During the discharging process, the rechargeable battery units 11-1, ..., 11-n are divided into two groups. The classification takes place after the determination of the current charge Q n of each of the rechargeable battery units 11-1, ..., 11-n with the aid of the
Die Anzahl O der Mehrzahl N an Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n wird einer ersten Gruppe Grp_I an Akkueinheiten zugewiesen, wobei in der ersten Gruppe Grp_I die O Akkueinheiten mit der höchsten aktuellen Ladung Qn der Mehrzahl N an Akkueinheiten enthalten sind. Die verbleibende Anzahl P der Mehrzahl N an Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n wird einer zweiten Gruppe Grp_II an Akkueinheiten zugewiesen, wobei in der zweiten Gruppe diejenigen P Akkueinheiten mit der wenigsten aktuellen Ladung Qn der Mehrzahl N der Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n enthalten sind. Die Relation zwischen der verbleibenden Anzahl O, der Anzahl P und der Mehrzahl N ist wie oben ausgeführt: P = N - O. Wird, wie ebenfalls vorstehend beschrieben, O in als Hälfte der Mehrzahl N gewählt, so ergibt sich, dass auch die Anzahl P der Hälfte der Mehrzahl N entspricht (wobei in dieser Formulierung eine Geradzahligkeit von N angenommen ist).The number O of the plurality N of rechargeable battery units 11-1, are. The remaining number P of the plurality N of rechargeable battery units 11-1, ..., 11-n is assigned to a second group Grp_II of rechargeable battery units, with those P rechargeable battery units in the second group having the least current charge Q n of the plurality N of rechargeable battery units 11 -1, ..., 11-n are included. The relation between the remaining number O, the number P and the plurality N is as stated above: P = N - O. If, as also described above, O in is chosen as half of the plurality N, it follows that the number P equals half of the plurality N (where N is assumed to be even in this formulation).
In einem nächsten Schritt wird die gesamte Restladung Rtot als Summe aller Restladungen aller Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n der Mehrzahl N bestimmt, wobei in vorgegebenen Zeitschritten ein Vergleich mit der vorgegebenen Restladung Rtot erfolgt. Erreicht die bestimmte aktuelle Restladung den vorgegebenen Restladungswert Rtot, so kann beispielsweise eine Information an einen Nutzer oder eine Station ausgegeben werden, dass ein Teil der entladenen Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n getauscht werden muss. Erfolgt der Tausch in automatisierter Weise, so kann das mobile System 1 auch eine entsprechende Station anfahren.In a next step, the total residual charge R tot is determined as the sum of all residual charges of all rechargeable battery units 11-1 , . If the determined current residual charge reaches the predefined residual charge value R tot , information can be output to a user or a station, for example, that some of the discharged rechargeable battery units 11-1, . . . , 11-n must be replaced. If the exchange takes place in an automated manner, the
Das beschriebene Verfahren ermöglicht eine gleichzeitige und definiert ungleichmäßige (im Sinne der Leistungsentnahme) Entladung der Mehrzahl N an Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n des Akkumulator-Systems 10, so dass einerseits eine möglichst lange Nutzungsdauer bis zum Wechseln von Akkueinheiten und andererseits auch genug Energiereserve während des Wechselns der Akkueinheiten gewährleistet ist.The method described enables a simultaneous and defined uneven (in terms of power consumption) discharge of the plurality N of battery units 11-1, ..., 11-n of the
Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Beschreibung der Begriff „Ladung“ als Maß für den „Füllstand“ der Akkueinheiten genutzt wird. Alternativ kann das Verfahren selbstverständlich auch mit der enthaltenen Energie als „Füllstandsmaß“ realisiert werden.It should be noted that in this description the term "charge" is used as a measure for the "level" of the battery units. Alternatively, the process can of course also be implemented with the energy contained as a "level gauge".
Ein schonendes Entladen und eine hohe Energieausbeute wird dadurch erreicht, dass keine der N Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n ungenützt in dem Akkumulator-System verbleibt, sondern immer alle Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n sowohl aus der ersten als auch der zweiten Gruppe Grp_I, Grp_II mit unterschiedlichem Lastanteil für jede der beiden Gruppen entladen werden. Dabei werden die erste und die zweite Gruppe Grp_I, Grp_II gleichzeitig entladen, wobei die zu der zweiten Gruppe Grp_II gehörigen Akkueinheiten schneller entladen werden als die zu der ersten Gruppe Grp_I gehörigen Akkueinheiten, um während des Wechsels der Akkueinheiten der schneller entladenen Gruppe (zweite Gruppe Grp_II) die Versorgung der allgemeinen Last 50 durch die Akkueinheiten der ersten Gruppe Grp_I sicherzustellen. Nach dem Wechsel der zunächst schneller entladenen Akkueinheiten der zweiten Gruppe Grp_II stellen deren vollgeladene Akkueinheiten die Versorgung der allgemeinen Last 50 sicher, so dass die Akkueinheiten der ersten Gruppe Grp_I gewechselt werden können. Dieses Vorgehen wiederholt sich dann in zyklischer Weise.Gentle discharging and a high energy yield are achieved in that none of the N rechargeable battery units 11-1, ..., 11-n remains unused in the rechargeable battery system, but always all rechargeable battery units 11-1, ..., 11-n be discharged from both the first and the second group Grp_I, Grp_II with a different load share for each of the two groups. The first and the second group Grp_I, Grp_II are discharged at the same time, the battery units belonging to the second group Grp_II being discharged more quickly than the battery units belonging to the first group Grp_I, so that during the changeover of the battery units of the more quickly discharged group (second group Grp_II ) ensure the supply of the
Dazu werden, wie dies in
Die Entladekurve y1 für die O Akkueinheiten der ersten Gruppe Grp_I wird durch zwei Geradenstücke definiert. Das erste Geradenstück sei 1 (100 %) bei Qtot/Ctot = 1 (100 %) und fällt linear auf Rtot/Ctot/P .· N bei Qtot/Ctot = Rtot/Ctot ab.The discharge curve y1 for the O battery units of the first group Grp_I is defined by two straight lines. The first line segment is 1 (100%) at Q tot /C tot = 1 (100%) and falls linearly to R tot /C tot /P .· N at Qtot/Ctot = R tot /C tot .
Für Werte von Qtot/Ctot > Rtot/Ctot fällt das zweite Geradenstück steiler ab, so dass sie bei Qtot/Ctot = 0 (0 %) auf 0 (0 %) abfällt. Hierdurch ergibt sich für die O Akkueinheiten der ersten Gruppe Grp_I folgende Definition:
Die Entladekurve y2 für die P Akkueinheiten der zweiten Gruppe Grp_II ist definiert durch 1 (100 %) bei Qtot/Ctot = 1 (100 %) und einen linearen Abfall auf 0 (0 %) bei Qtot/Ctot = Rtot/Ctot. Für Werte von Qtot/Ctot > Rtot/Ctot bleibt sie 0 (0 %). Für die P Akkueinheiten der zweiten Gruppe Grp_II ergibt sich dadurch für die Entladekurve y in Abhängigkeit der im System aktuellen Gesamtladung Qtot folgende Definition:
Die in
Der im Folgenden beschriebene Regelalgorithmus sorgt dafür, dass die O Akkueinheiten der ersten Gruppe Grp_I, die initial die höchste aktuelle Ladung Qn der Mehrzahl N an Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n umfassen, beim Entladen der Entladekurve y1 und die Einheiten der zweiten Gruppe Grp_II an Akkueinheiten der Entladekurve y2 folgen.The control algorithm described below ensures that the O battery units of the first group Grp_I, which initially include the highest current charge Q n of the plurality N of battery units 11-1, ..., 11-n, when discharging the discharge curve y1 and the Units of the second group Grp_II of battery units follow the discharge curve y2.
Hierzu wird der relative Ladezustand jeder Akkueinheit Qn/Cn mit der für sie - je nach Ladezustand - zuständigen Entladekurve y1 oder y2 verglichen und ein Lastanteil An (n = 1 bis N) über einen Proportionalanteil k, sowie eine Stellgrößenbegrenzung auf einen Wertebereich zwischen Amin und Amax bestimmt gemäß:
Die Stellgrößenbegrenzung auf den Wertebereich zwischen Amin und Amax ermöglicht eine Begrenzung des Pendelns um die vorgegebene Entladekurve. Die Stellgrößenbegrenzung dient außerdem dazu, dass die Akkueinheiten durch die ermittelten Vorgaben nicht unabsichtlich umgeladen werden. Ferner ermöglicht es die Stellgrößenbegrenzung, dass auch noch etwas Ladung aus fast leeren Akkueinheiten abgenommen werden kann, wodurch sich eine bessere Kapazitätsausnutzung ergibt.Limiting the manipulated variable to the value range between Amin and Amax makes it possible to limit fluctuations around the specified discharge curve. The command value limit also serves to ensure that the battery units are not unintentionally recharged as a result of the specifications determined. Furthermore, the limitation of the manipulated variable makes it possible for some charge to be taken from almost empty battery units, which results in a better utilization of capacity.
Vollständig leere Akkueinheiten oder nicht in das Akkumulator-System 10 eingesteckte Akkueinheiten erhalten einen Lastanteil An = 0.Completely empty battery units or battery units that are not plugged into the
Der Proportionalanteil k wird empirisch bestimmt. Der Proportionalanteil k ergibt sich aus dem Reglerprinzip. Ein Wert von k = 10 hat sich bei Versuchen als gut nutzbar herausgestellt. Die Stellgrößenbegrenzung Amin wird größer als 0 gewählt. Werte kleiner als 0 sein hätten zur Folge, dass der Regler ein Umladen zwischen den Akkueinheiten 11-1, ..., 11-n auslösen würde. Kleinere Werte für Amin in der Größenordnung von [0,1 ... 1] führen zu einer leichten Abweichung von einem idealen Verhalten, sorgen für eine Mitnutzung auch nahezu leerer Akkueinheiten und verbessern damit die Gesamtlaufzeit des Akkumulator-Systems 10. Ein Wert im Bereich [1 ... 10] für Amax ergab in Versuchen gute Wert und ist empirisch bestimmt.The proportional component k is determined empirically. The proportional component k results from the controller principle. A value of k=10 has proven to be useful in tests. The manipulated variable limit Amin is selected to be greater than 0. Values less than 0 would result in the controller triggering charge transfer between the battery units 11-1, ..., 11-n. Smaller values for Amin in the order of [0.1...1] lead to a slight deviation from ideal behavior, ensure shared use of almost empty battery units and thus improve the overall running time of the
Mit den Lastanteilen An und der benötigten Gesamtleistung Ltot kann der aus jeder Akkueinheit 11-1, ..., 11-n zu entnehmende Strom bzw. die zu entnehmende Leistung Ln (n = 1 bis N) dadurch festgelegt werden, dass die benötigte Gesamtleistung Ltot mit dem Verhältnis des jeweiligen Lastanteils An zur Summe aller Lastanteile multipliziert wird gemäß:
Werden nun ein oder mehrere der Akkueinheiten der zweiten Gruppe Grp_II („Einheit 4“, „Einheit 5“, „Einheit 6“) gewechselt, d.h. durch vollgeladene Akkueinheiten ersetzt, so passt sich der Algorithmus automatisch an die neuen Gegebenheiten an.If one or more of the battery units of the second group Grp_II ("
Soll das Verfahren dafür sorgen, dass nach dem Tauschen der leeren Akkueinheiten der zu der zweiten Gruppe Grp_II gehörigen Akkueinheiten, die noch nicht ganz leeren Akkueinheiten der ersten Gruppe Grp_I an Akkueinheiten dann zügiger entladen werden, um sie dann auch alsbald tauschen zu können, so kann der Abstand zwischen Amin und Amax verkleinert und gegebenenfalls der Faktor k vergrößert werden.If the method is to ensure that after the exchange of the empty battery units of the battery units belonging to the second group Grp_II, the not yet completely empty battery units of the first group Grp_I of battery units are then discharged more quickly so that they can then also be exchanged immediately the distance between amine and Amax can be reduced and, if necessary, the factor k can be increased.
Das Zuweisen jeweiliger Akkueinheiten zu der ersten Gruppe Grp_I an Akkueinheiten oder der zweiten Gruppe Grp_II an Akkueinheiten nach dem Bestimmen jeweiliger aktueller Ladungen Qn erfolgt zum einen initial, wenn die Mehrzahl N an Akkumulator-Einheiten vollständig aufgeladen in das Akkumulator-System 10 eingebracht wird. Weiter werden die genannten Schritte nach jedem Wechsel der zu der zweiten Gruppe Grp_II gehörigen Akkueinheiten durch aufgeladene Akkueinheiten durchgeführt bzw. allgemein nach jedem Wechsel zumindest einer Akkueinheit durchgeführt.The assignment of respective rechargeable battery units to the first group Grp_I of rechargeable battery units or the second group Grp_II of rechargeable battery units after determining the respective current charges Q n takes place initially when the plurality N of rechargeable battery units is brought into the
Das beschriebene Verfahren eignet sich auch in einer einfacheren Ausführungsform dazu, ausschließlich Akkueinheiten der zweiten Gruppe Grp_II zu entladen und die zu der ersten Gruppe Grp_I gehörigen Akkueinheiten zu schonen, bis die Akkueinheiten aus der zweiten Gruppe Grp_II vollständig entladen sind. Daraufhin wird eine Information erzeugt, dass nun die Akkueinheiten der zweiten Gruppe Grp_II getauscht werden können, aber nicht müssen. Ab diesem Zeitpunkt werden ausschließlich die Akkueinheiten der ersten Gruppe Grp_I entladen. Sobald die Gesamtladung unter die vorgegebene Restladung Rtot fällt, wird eine Warninformation ausgegeben, dass nun die leeren Akkueinheiten gewechselt werden müssen, wenn ein unterbrechungsfreier Betrieb sichergestellt werden soll.In a simpler embodiment, the described method is also suitable for exclusively discharging rechargeable battery units of the second group Grp_II and protecting the rechargeable battery units belonging to the first group Grp_I until the rechargeable battery units from the second group Grp_II are completely discharged. Information is then generated that the rechargeable battery units of the second group Grp_II can now be exchanged, but do not have to. From this point on, only the battery units of the first group Grp_I are discharged. As soon as the total charge falls below the specified residual charge R tot , warning information is issued that the empty battery units now have to be replaced if uninterrupted operation is to be ensured.
Ein Vorteil der einfacheren Ausführungsform besteht darin, dass so früh wie möglich wechselbereite Akkus vorhanden sind. Darüber hinaus ist diese Variante besonders einfach. Ein Nachteil besteht darin, dass die Last immer ungleichmäßig auf die Akkueinheiten verteilt wird und damit eine geringere Energieausbeute in Kauf genommen werden muss, was aufgrund des bekannten Peukert-Effekts und erhöhtem Innenwiderstand resultiert. Darüber hinaus werden diejenigen Akkueinheiten, die eine leicht überdurchschnittliche Kapazität aufweisen, geschont, da vollere Akkueinheiten zunächst nicht entladen werden und auch nach einem Wechseln der leereren Einheiten gegen die volleren Einheiten wieder ausschließlich Ladung aus den Einheiten der anderen Gruppe mit der geringeren Kapazität entnommen wird. Dadurch verbleiben die Akkueinheiten mit der höchsten Kapazität zunächst und eventuell für längere Zeit ungenutzt im System.An advantage of the simpler embodiment is that batteries that are ready to be replaced are available as early as possible. In addition, this variant is particularly simple. One disadvantage is that the load is always distributed unevenly across the battery units, which means that a lower energy yield has to be accepted, which results from the well-known Peukert effect and increased internal resistance. In addition, those battery units that have a slightly above-average capacity Protected, since fuller battery units are initially not discharged and even after replacing the empty units with the fuller units, charge is only taken from the units of the other group with the lower capacity. As a result, the battery units with the highest capacity initially remain unused in the system and possibly for a longer period of time.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- mobiles Systemmobile system
- 1010
- Akkumulator-Systemaccumulator system
- 11-1, ..., 11-n11-1, ..., 11-n
- Akkueinheitenbattery units
- 2020
- Stromregelungseinheitcurrent control unit
- 21-1, ..., 21-n21-1, ..., 21-n
- Stromreglercurrent regulator
- 3030
- Ladungsbestimmungseinheitcharge determination unit
- 4040
- Recheneinheitunit of account
- 5050
- Lastload
- Grp_IGrp_I
- ersten Gruppe an Akkueinheitenfirst group of battery packs
- Grp_IIGrp_II
- zweite Gruppe an Akkueinheitensecond group of battery units
- QnQn
- aktuellen Ladungcurrent charge
- Rtotred
- Restladungresidual charge
Claims (12)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE102020212769.7A DE102020212769A1 (en) | 2020-10-09 | 2020-10-09 | Method for the uninterrupted operation of a network-independent mobile system and mobile system |
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DE102020212769A1 true DE102020212769A1 (en) | 2022-04-14 |
Family
ID=80818136
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102020212769.7A Pending DE102020212769A1 (en) | 2020-10-09 | 2020-10-09 | Method for the uninterrupted operation of a network-independent mobile system and mobile system |
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5959368A (en) | 1994-10-31 | 1999-09-28 | Fujitsu Limited | Power supply apparatus for supplying power from a plurality of batteries to a plurality of loads, and electronic appliance using the power supply apparatus |
US20050121979A1 (en) | 2003-12-09 | 2005-06-09 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Direct-current uninterruptible power source unit |
EP2441632B1 (en) | 2009-06-10 | 2016-04-06 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Power supply system for electric vehicle and method for controlling same |
-
2020
- 2020-10-09 DE DE102020212769.7A patent/DE102020212769A1/en active Pending
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