-
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem solchen Energiespeicher.
-
Die
DE 10 2011 088 440 A1 offenbart eine Energiespeicherzelle mit einem Energiespeicher, einer Energiespeicherüberwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Eigenschaft des Energiespeichers zu erfassen und einen ersten Kommunikationsanschluss auf, der ausgebildet ist, um für eine drahtlose Übertragung der erfassten Eigenschaft mit einem weiteren Kommunikationsanschluss, der zu der Energiespeicherzelle extern ist, gekoppelt zu werden. Der
DE 10 2012 219 082 A1 ist eine Sicherheitsvorrichtung zur Anordnung in einer Batteriezelle einer Lithium-Ionen-Batterie als bekannt zu entnehmen. Außerdem ist aus der
DE 10 2012 208 509 A1 eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie bekannt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem solchen elektrischen Energiespeicher zu schaffen, so dass ein besonders großer Funktionserfüllungsumfang und eine besonders kompakte Bauweise des elektrischen Energiespeichers realisiert werden können.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
-
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen einfach auch als Energiespeicher bezeichneten, elektrischen Energiespeicher zum, insbesondere elektrochemischen, Speichern von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom für ein Kraftfahrzeug. Dies bedeutet, dass das vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand den Energiespeicher aufweist, in beziehungsweise mittels welchem elektrische Energie zu speichern oder gespeichert ist. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der elektrische Energiespeicher eine Hochvolt-Komponente ist, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- und/oder Nennspannung, vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt, ist und ganz vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Dadurch können beispielsweise besonders große elektrische Leistungen zum, insbesondere rein, elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs realisiert werden. Insbesondere ist es denkbar, dass der Energiespeicher als eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) ausgebildet ist. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Hybridfahrzeug oder aber als Elektrofahrzeug, insbesondere als batterieelektrisches Fahrzeug (BEV), ausgebildet. Somit umfasst das Kraftfahrzeug vorzugsweise in seinem vollständig hergestellten Zustand wenigstens eine elektrische Maschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann. Um das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine, insbesondere rein, elektrisch anzutreiben, wird die elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt, die in dem Energiespeicher gespeichert ist. Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die elektrische Maschine eine Hochvolt-Komponente ist, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- und/oder Nennspannung, vorzugsweise größer 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt, ist und ganz vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt.
-
Der elektrische Energiespeicher weist mehrere und somit wenigstens zwei Speicherzellen zum, insbesondere elektrochemischen, Speichern der elektrischen Energie auf. Die jeweilige Speicherzelle wird auch als Zelle oder Einzelzelle bezeichnet. Somit sind die Speicherzellen jeweilige, separate Einzelkomponenten. Es ist denkbar, dass der Energiespeicher mehrere und somit wenigstens zwei einfach auch als Module bezeichnete Speichermodule aufweist, wobei ein erstes der Speichermodule eine gegenüber 1 größere erste Anzahl an Speicherzellen und ein zweites der Speichermodul eine gegenüber 1 größere zweite Anzahl der Speicherzellen umfassen kann. Die Speicherzellen des jeweiligen Moduls sind elektrisch miteinander verbunden. Insbesondere ist es denkbar, dass eine erste der Speicherzellen Bestandteil des ersten Speichermoduls und eine zweite der Speicherzellen Bestandteil des zweiten Speichermoduls ist, oder die Speicherzellen sind Bestandteile desselben Speichermoduls. Beispielsweise sind die Speichermodule elektrisch miteinander verbunden.
-
Der jeweiligen Speicherzelle ist wenigstens ein Heizelement zugeordnet, mittels welchem die jeweilige Speicherzelle, welcher das Heizelement zugeordnet ist, beheizt, das heißt erwärmt und warm gehalten werden kann. Außerdem weist der Energiespeicher mehrere Microcontroller auf, wobei dem jeweiligen Microcontroller wenigstens eines der Heizelemente zugeordnet ist. Das jeweilige Heizelement gehört somit zu dem jeweiligen Mikrocontroller, dem das jeweilige Heizelement zugeordnet ist und umgekehrt. Dies bedeutet beispielsweise, dass einem ersten der Mikrocontroller wenigstens ein erstes der Heizelemente zugeordnet ist, sodass das erste Heizelement zu dem ersten Mikrocontroller und der erste Mikrocontroller zu dem ersten Heizelement gehört, wobei der erste Mikrocontroller dazu ausgebildet ist, das erste Heizelement zu aktivieren und vorzugsweise auch zu deaktivieren. Dementsprechend einem zweite der Mikrocontroller wenigstens ein zweites der Heizelemente zugeordnet, sodass das zweite Heizelement zu dem zweiten Mikrocontroller und der zweite Mikrocontroller zu dem zweiten Heizelement gehört, wobei der zweite Mikrocontroller dazu ausgebildet ist, das zweite Heizelement zu aktivieren und vorzugsweise auch zu deaktivieren. Das jeweilige Heizelement ist vorzugsweise ein bezüglich des jeweils zugehörigen Mikrocontrollers externes, zusätzlich dazu vorgesehenes Bauelement. Es ist denkbar, dass je Speicherzelle wenigstens oder genau ein Heizelement vorgesehen ist. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass je Heizelement wenigstens oder genau ein Mikrocontroller vorgesehen ist, oder es kann genau ein Mikrocontroller für mehrere, das heißt wenigstens oder genau zwei Heizelemente vorgesehen sein, sodass beispielsweise wenigstens oder genau zwei jeweilige der Heizelemente genau einem Mikrocontroller zugeordnet sein können. Der jeweilige Mikrocontroller ist dazu ausgebildet, das jeweils zugehörige Heizelement, das heißt das dem jeweiligen Mikrocontroller zugeordnete Heizelement zu aktivieren und vorzugsweise zu deaktivieren..
-
Vorzugsweise ist der jeweilige Mikrocontroller, welcher auch als Chip oder Microchip bezeichnet wird, durch einen integrierten Schaltkreis beziehungsweise durch eine integrierte Schaltung gebildet, der beziehungsweise die auch als IC bezeichnet wird. Der jeweilige Microchip ist per se, das heißt an sich beziehungsweise für sich alleine betrachtet eine elektronische Recheneinheit, wobei der jeweilige Mikrocontroller dazu ausgebildet ist, das jeweilige zugehörige, das heißt das dem jeweiligen Mikrocontroller zugeordnete Heizelement in Abhängigkeit von einem Unterschied von Ladezuständen und/oder elektrischen Spannungen von wenigstens zwei der Speicherzellen oder von wenigstens zwei der Speichermodule des Energiespeichers zu aktivieren, um dadurch den Unterschied zumindest zu verringern, insbesondere aufzuheben. Mit anderen Worten, weist beispielsweise die erste Speicherzelle beziehungsweise das erste Speichermodul einen ersten Ladezustand und/oder eine erste elektrische Spannung auf, und weist beispielsweise die zweite Speicherzelle beziehungsweise das zweite Speichermodul einen von dem ersten Ladezustand unterschiedlichen, zweiten Ladezustand und/oder eine von der ersten elektrischen Spannung unterschiedliche, zweite elektrische Spannung auf, so dass ein Unterschied zwischen den Ladezuständen und/oder ein Unterschied zwischen den elektrischen Spannungen besteht, so ermittelt zumindest einer der Mikrocontroller den Unterschied, wobei es insbesondere vorgesehen ist, dass der eine Mikrocontroller ermittelt, dass der Unterschied beispielsweise einen vorgebbaren oder vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Die Ermittlung des Unterschieds beziehungsweise die Ermittlung, dass der Unterschied den Schwellenwert überschreitet, kann umfassen, dass der eine Mikrocontroller den Unterschied misst und mit dem Schwellenwert vergleicht und dadurch ermittelt, dass der Unterschied den Schwellenwert überschreitet, oder der jeweilige beziehungsweise der eine Mikrocontroller empfängt ein insbesondere elektrisches Signal, anhand dessen der eine Mikrocontroller den Unterschied ermittelt beziehungsweise ermittelt, dass der Unterschied den Schwellenwert überschreitet. Daraufhin aktiviert der eine Mikrocontroller das zugehörige, das heißt das dem einen Mikrocontroller zugeordnete Heizelement, insbesondere während beispielsweise das zu einem anderen der Mikrocontroller gehörende Heizelement deaktiviert bleibt. In der Folge wird der Unterschied zumindest verringert. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Ladezustände beziehungsweise Spannungen einander angenähert oder zumindest im Wesentlichen angeglichen werden, was auch als Balancing bezeichnet wird. Erfolgt bei dem Balancing, dass die Spannungen beziehungsweise Ladezustände der Speicherzellen aneinander angenähert beziehungsweise einander angeglichen werden, so erfolgt das Balancing auf Zellebene, so dass das Balancing auch als Zellbalancing bezeichnet wird. Erfolgt jedoch bei dem Balancing, dass die Spannungen beziehungsweise die Ladezustände der Speichermodule einander angenähert oder aneinander angeglichen werden, so erfolgt das Balancing auf Modulebene, so dass das Balancing auch als Modulbalancing bezeichnet wird.
-
Der Mikrocontroller ist oder fungiert somit als eine Überwachungseinrichtung, mittels welcher insbesondere die Zellen und/oder die Module überwacht werden, so dass der Mikrocontroller auch als Zell-Monitoring IC oder Monitoring IC bezeichnet wird. Dabei ist unter Monitoring eine Überwachung beziehungsweise unter Zell-Monitoring ein Überwachen der jeweiligen Zelle zu verstehen.
-
Um nun einen besonders großen Funktionserfüllungsumfang und dabei gleichzeitig eine besonders kompakte Bauweise und somit nur einen geringen Bauraumbedarf des Energiespeichers realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der jeweilige Mikrocontroller auch dazu ausgebildet ist, einen jeweiligen Stromfluss durch das jeweils zugehörige, das heißt dem jeweiligen Mikrocontroller zugeordnete Heizelement zu überwachen und das jeweilige zugehörige Heizelement in Abhängigkeit von dem jeweiligen, überwachten Stromfluss zu regeln. Unter dem Stromfluss ist ein Fluss an elektrischem Strom durch das jeweilige Heizelement zu verstehen. Das Heizelement ist elektrisch betreibbar. Dies bedeutet, dass das Heizelement mittels elektrischem Strom und somit mittels des zuvor genannten Stromflusses durch das jeweilige Heizelement betreibbar ist beziehungsweise betrieben wird. Insbesondere ist es denkbar, dass das Heizelement mittels der elektrischen Energie beziehungsweise mittels des elektrischen Stroms betreibbar ist, die beziehungsweise der in der jeweiligen Speicherzelle gespeichert ist, zu welcher das jeweilige Heizelement gehört, das heißt der das jeweilige Heizelement zugeordnet ist. Ist somit das jeweilige Heizelement aktiviert, so wird das jeweilige Heizelement mit der elektrischen Energie beziehungsweise mit dem elektrischen Strom versorgt, die beziehungsweise der in der jeweiligen Speicherzelle gespeichert ist, der das jeweilige Heizelement zugeordnet ist.
-
Es ist erkennbar, dass erfindungsgemäß dem jeweiligen Mikrocontroller zumindest eine Dreifachfunktion zukommt. Eine erste, dem jeweiligen Mikrocontroller zukommende Funktion ist, das zugehörige Heizelement zu aktivieren und deaktivieren, um dadurch die Speicherzelle, der das dem jeweiligem Mikrocontroller zugeordnete Heizelement zugeordnet ist, bedarfsgerecht heizen, das heißt erwärmen und/oder warm halten zu können. Eine zweite, dem jeweiligen Mikrocontroller zukommende Funktion ist das zuvor genannte Balancing. Eine dritte, dem jeweiligen Mikrocontroller zukommende Funktion ist erfindungsgemäß das Überwachen des Stromflusses durch das dem jeweiligen Mikrocontroller zugeordnete Heizelement und das von dem jeweiligen, überwachten Stromfluss abhängige Regeln des dem jeweiligen Mikrocontroller zugeordneten Heizelements. Dadurch kann ein extrem hoher Grad an Funktionsintegration realisiert werden, in deren Rahmen eine Vielzahl an Funktionen in den jeweiligen Mikrocontroller oder auch in das auch als Heizung oder Zellheizung bezeichnete Heizelement integriert sind. Die Erfindung sieht somit eine Kombination der genannten, unterschiedlichen Funktionen vor, wobei dies mit Hilfe eines einfachen und somit kostengünstigen Hardware-Aufbaus realisiert werden kann. Der Hardware-Aufbau umfasst dabei zumindest den jeweiligen Mikrocontroller und das jeweils zugehörige Heizelement. Dabei kann vorgesehen sein, dass der jeweilige, auch als Überwachungseinheit oder Zellüberwachungseinheit bezeichnete Mikrocontroller und das jeweils zugehörige, auch als Zellheizung bezeichnete Heizelement in ein insbesondere gemeinsames Zellmodul integriert sind. Erfindungsgemäß werden der Mikrocontroller und die jeweils zugehörige Zellheizung nicht nur zum Heizen und nicht nur zum Balancing, sondern zusätzlich auch zum Regeln des Heizelements genutzt. Dadurch kann die jeweilige Speicherzelle auf einfache und kostengünstige Weise sowie besonders bedarfsgerecht beheizt beziehungsweise temperiert werden, so dass beispielsweise einerseits die jeweilige Speicherzelle in einem vorteilhaften Temperaturbereich gehalten werden kann. Andererseits können eine hohe Leistungsfähigkeit und ein besonders energieeffizienter Betrieb des Energiespeichers gewährleistet werden.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der jeweilige Mikrocontroller dazu ausgebildet, als Regelgröße eine jeweilige Heizleistung des jeweils zugehörigen, das heißt dem jeweiligen Mikrocontroller zugeordneten Heizelements in Abhängigkeit von dem überwachten Stromfluss zu regeln. Dadurch kann auf besonders bauraumgünstige Weise ein besonders energieeffizienter Betrieb des Energiespeichers und somit des Kraftfahrzeugs realisiert werden.
-
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der jeweilige Mikrocontroller dazu ausgebildet ist, den jeweiligen Stromfluss durch das jeweils zugehörige Heizelement zu messen. Dadurch kann eine besonders umfangreiche Funktionsintegration realisiert werden, so dass die Teileanzahl, der Bauraumbedarf, die Kosten und das Gewicht des Energiespeichers in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden können.
-
Um auf besonders bauraum- und gewichtsgünstige Weise einen besonders großen Funktionserfüllungsumfang des elektrischen Energiespeichers realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der jeweilige Mikrocontroller auch dazu ausgebildet ist, eine jeweilige Impedanz der jeweiligen Speicherzelle zu ermitteln, insbesondere zu messen und/oder zu berechnen, welcher das jeweilige Heizelement zugeordnet ist, das dem jeweiligen Mikrocontroller zugeordnet ist. Der jeweilige Mikrocontroller gehört zu der jeweiligen Speicherzelle, der das jeweilige Heizelement zugeordnet ist, welches dem jeweiligen Mikrocontroller zugeordnet ist und umgekehrt. Mit anderen Worten gehört der Mikrocontroller zu der jeweiligen Speicherzelle, welcher das zu dem jeweiligen Mikrocontroller gehörende Heizelement zugeordnet ist und umgekehrt. Da mehrere, das heißt wenigstens oder genau zwei der Heizelemente zu dem jeweiligen Mikrocontroller gehören können, können mehrere, das heißt wenigstens oder genau zwei der Speicherzellen zu dem jeweiligen Mikrocontroller gehören. Die jeweilige Impedanz der jeweiligen Speicherzelle wird auch als Zellimpedanz bezeichnet, wobei das Ermitteln beziehungsweise Berechnen der jeweiligen Zellimpedanz auch als Impedanzermittlung oder Impedanzmessung bezeichnet wird. Somit kommt dem Mikrocontroller vorzugsweise eine vierte Funktion zu, welche die Impedanzmessung beziehungsweise Impedanzermittlung umfasst. Dadurch können eine besonders kompakte Bauweise und ein besonders großer Funktionserfüllungsumfang des Energiespeichers realisiert werden.
-
Um die jeweilige Impedanz auf besonders vorteilhafte Weise ermitteln, insbesondere berechnen, zu können, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der jeweilige Mikrocontroller dazu ausgebildet ist, zur Ermittlung der jeweiligen Impedanz einem über das jeweils zugehörige, das heißt dem jeweiligen Mikrocontroller zugeordnete Heizelement, welches bei der Messung der Impedanz mit elektrischer Energie aus der jeweiligen Speicherzelle, der das dem jeweiligen Microcontroller zugeordnete Heizelement zugeordnet ist, versorgt wird, verlaufenden Stromkreis ein Stromprofil mit einer vorgebbaren oder vorgegebenen Frequenz aufzuprägen und als daraus resultierende Messgrößen eine elektrische Spannung der jeweiligen Speicherzelle, der das dem jeweiligen Mikrocontroller zugeordneten Heizelement zugeordnet ist, und einen über den Stromkreis erfolgenden Stromverlauf zu ermitteln, insbesondere zu messen, und aus den ermittelten, insbesondere gemessenen, Messgrößen die jeweilige Impedanz zu berechnen.
-
Es ist erkennbar, dass beispielsweise der jeweilige Mikrocontroller und die jeweilige Zellheizung (Heizelement) einen Aufbau bilden, welcher sich in einen Steuerungsanteil und einen Heizungsanteil aufteilt. Der Steuerungsanteil ist durch den jeweiligen Mikrocontroller gebildet. Der jeweilige Heizungsanteil ist durch das jeweilige Heizelement gebildet. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, den Aufbau nicht nur zum Balancing, zum Beheizen und zum Regeln des jeweiligen Heizelements, sondern vorzugsweise auch zur Impedanzermittlung beziehungsweise Impedanzmessung zu verwenden.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der jeweilige Mikrocontroller auch dazu ausgebildet, das jeweils zugehörige Heizelement in Abhängigkeit von einer Temperatur der jeweiligen Speicherzelle, welcher das dem jeweiligen Mikrocontroller zugeordnete Heizelement zugeordnet ist, zu aktivieren und zu deaktivieren. Somit ist der jeweilige Mikrocontroller vorzugsweise auch dazu ausgebildet, die jeweilige, zugehörige Speicherzelle in Abhängigkeit von der Temperatur der jeweiligen, zugehörigen Speicherzelle zu beheizen, insbesondere unabhängig von dem Balancing. Dadurch kann auf besonders bauraum- und kostengünstige Weise ein besonders großer Funktionserfüllungsumfang realisiert werden.
-
Die Temperatur der Speicherzelle wird beispielsweise mittels eines Temperatursensors gemessen und/oder berechnet, insbesondere mittels einer Recheneinrichtung. Der Mikrocontroller empfängt beispielsweise ein insbesondere elektrisches Ansteuersignal, wobei der Mikrocontroller in Abhängigkeit von dem empfangenen Ansteuersignal das jeweils zugehörige Heizelement aktiviert beziehungsweise deaktiviert, um dadurch die jeweilige Speicherzelle bedarfsgerecht zu beheizen.
-
Um den Bauraumbedarf des elektrischen Energiespeichers in einem besonders geringen Rahmen halten zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass dem jeweiligen Heizelement wenigstens oder genau ein jeweiliger Halbleiterschalter zugeordnet ist. Der jeweilige, dem jeweiligen Heizelement zugeordnete Halbleiterschalter gehört somit zu dem jeweiligen Heizelement. Dabei ist der jeweilige Mikrocontroller auch dazu ausgebildet, zum Aktivieren und Deaktivieren des jeweils zugehörigen Heizelements den jeweiligen, dem jeweiligen Heizelement zugeordneten Halbleiterschalter anzusteuern und dadurch zu schließen und zu öffnen.
-
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das jeweilige Heizelement eine jeweilige, insbesondere aus einem Kunststoff oder aber aus einem metallischen Werkstoff gebildete Folie und wenigstens eine an der Folie gehaltene Heizstruktur auf, welche vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist. Durch Versorgen der Heizstruktur mit elektrischer Energie, insbesondere aus der jeweiligen Speicherzelle, können die Heizstruktur und somit das Heizelement erwärmt werden, um dadurch die jeweilige Speicherzelle zu erwärmen. Vorzugsweise ist die Folie aus einem ersten Werkstoff gebildet, wobei es denkbar ist, dass die Heizstruktur aus einem insbesondere von dem ersten Werkstoff unterschiedlichen, zweiten Werkstoff gebildet ist. Bei dem ersten Werkstoff kann es sich um einen Kunststoff oder aber um einen metallischen Werkstoff handeln. Ferner ist es denkbar, dass es sich bei dem zweiten Werkstoff um einen metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Kupfer handelt. Die Folie an sich weist eine zumindest im Wesentlichen flächige und somit zweidimensionale Erstreckung auf. Dabei ist es denkbar, dass die Heizstruktur an der Folie angeordnet ist. Insbesondere ist es möglich, dass die Heizstruktur zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend und somit zumindest zu mehr als zur Hälfte oder aber vollständig, in die Folie eingebettet und somit in der Folie aufgenommen ist. Das Heizelement ist vorzugsweise als eine Heizschicht ausgebildet, welche auch als Heizsheet bezeichnet wird. Hierdurch kann insbesondere eine Dicke des Heizelements besonders gering gehalten werden, so dass der Bauraumbedarf des Energiespeichers in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden kann. Insbesondere durch Schließen und Öffnen des Halbleiterschalters kann eine Heizfunktion des Heizelements aktiviert und deaktiviert werden. Im Rahmen der Heizfunktion beziehungsweise dann, wenn die Heizfunktion aktiviert ist, ist das Heizelement aktiviert, welches somit die Zelle beheizt.
-
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der jeweilige Mikrocontroller auch dazu ausgebildet ist, die jeweilige, auch als Zellspannung bezeichnete elektrische Spannung der jeweiligen, zugehörigen Speicherzelle zu ermitteln und insbesondere zu überwachen. Insbesondere in Abhängigkeit von der jeweiligen, mittels des jeweiligen Mikrocontrollers ermittelten, elektrischen Spannung der jeweiligen, zugehöiren Zelle kann das zuvor beschriebene Balancing durchgeführt werden.
-
Um die Teileanzahl, die Kosten und den Bauraumbedarf des elektrischen Energiespeichers in einem besonders geringen Rahmen halten zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Heizelement wenigstens ein PTC-Element (PTC - Positive Temperature Coefficient) zum Heizen der jeweiligen Speicherzelle aufweist. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass das Heizelement, insbesondere die Heizstruktur, aus einem metallischen Werkstoff wie beispielsweise Kupfer oder aber aus einem Material mit PTC-Verhalten gebildet ist.
-
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildetes Kraftfahrzeug, welches wenigstens einen elektrischen Energiespeicher gemäß dem ersten Aspekt aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
-
Zur Erfindung gehört außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Bei dem Verfahren wird mittels des jeweiligen Mikrocontrollers das jeweils zugehörige Heizelement in Abhängigkeit von dem Unterschied aktiviert, um dadurch den Unterschied zumindest zu verringern, mithin das beschriebene Balancing durchzuführen. Ferner wird mittels des jeweiligen Mikrocontrollers der jeweilige Stromfluss durch das jeweils zugehörige Heizelement überwacht, und mittels des jeweiligen Mikrocontrollers wird das jeweils zugehörige Heizelement in Abhängigkeit von dem jeweiligen, überwachten Stromfluss geregelt. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie der zugehörigen Zeichnung. Dabei zeigt die einzige 1 ausschnittsweise in einer schematischen Draufsicht einen erfindungsgemäßen, elektrischen Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug.
-
1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Draufsicht einen elektrischen Energiespeicher 1 für ein vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildetes Kraftfahrzeug. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand den elektrischen Energiespeicher 1 aufweist. Außerdem umfasst das Kraftfahrzeug wenigstens eine elektrische Maschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch antreibbar ist. Um das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine, insbesondere rein, elektrisch anzutreiben, wird die elektrische Maschine mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom versorgt, die beziehungsweise der in dem Energiespeicher 1 gespeichert beziehungsweise zu speichern ist. Der Energiespeicher 1 weist eine auch als Speichergehäuse bezeichnetes Gehäuse 2 auf, welches einen Aufnahmeraum 3 bildet oder begrenzt. In dem Aufnahmeraum 3 sind mehrere, einfach auch als Zellen bezeichnete Speicherzellen 4 des Energiespeichers 1 aufgenommen. Mittels der beziehungsweise in den Speicherzellen 4 wird die elektrische Energie, insbesondere elektrochemisch, gespeichert. Hierzu sind beispielsweise die Speicherzellen 4 elektrisch miteinander verbunden.
-
Der jeweiligen Speicherzelle 4 ist wenigstens ein Heizelement 5 zum Heizen der jeweiligen Speicherzelle 4 zugeordnet. Der Energiespeicher 1 weist außerdem mehrere Mikrocontroller 6 auf. Dem jeweiligen Mikrocontroller 6 ist wenigstens ein jeweiliges der Heizelemente 5 zugeordnet. Insbesondere ist es denkbar, dass wenigstens oder genau zwei jeweilige der Heizelemente 4 genau einem jeweiligen der Mikrocontroller 6 zugeordnet sind. Der jeweilige Mikrocontroller 6 gehört zu dem jeweiligen Heizelement 4, das dem jeweiligen Mikrocontroller 6 zugeordnet ist und umgekehrt. Somit gehört das jeweilige Heizelement 4 zu dem jeweiligen Mikrocontroller 6, dem das jeweilige Heizelement 4 zugeordnet ist. Es ist erkennbar, dass das jeweilige Heizelement 5 ein bezüglich des jeweils zugehörigen Mikrocontrollers 6 externes Bauelement ist beziehungsweise umgekehrt. Der jeweilige Mikrocontroller 6 ist dazu ausgebildet, das jeweils zugehörige Heizelement 5 anzusteuern und dadurch zu aktivieren und zu deaktivieren. Durch Aktivieren des jeweiligen Heizelements 5 wird das jeweilige Heizelement 5 mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom aus der Speicherzelle 4 versorgt, der das jeweilige Heizelement 5 zugeordnet ist. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die elektrische Energie beziehungsweise der elektrische Strom durch einen Stromkreis fließt, welcher über das jeweilige Heizelement 5 verläuft, so dass das jeweilige Heizelement 5 in dem jeweiligen Stromkreis angeordnet ist. Dadurch fließt der elektrische Strom beziehungsweise die elektrische Energie durch das jeweilige, aktivierte Heizelement 5.
-
Der Energiespeicher 1 weist beispielsweise mehrere, einfach auch als Module bezeichnete Speichermodule auf, wobei beispielsweise ein erstes der Module mehrere, erste der Speicherzellen 4 und ein zweites der Module mehrere, zweite der Speicherzellen 4 umfasst. Alternativ dazu ist es denkbar, dass die Speicherzellen 4 Speicherzellen desselben Speichermoduls sind. Es ist möglich, dass wenigstens zwei der Speicherzellen 4 und/oder zumindest zwei der Speichermodule unterschiedliche Ladezustände aufweisen, mithin unterschiedlich stark geladen beziehungsweise entladen sind, und/oder dass die zumindest zwei Speicherzellen beziehungsweise die zumindest zwei Speichermodule unterschiedliche elektrische Spannungen aufweisen. Somit kann es zu einem Unterschied zwischen den Ladezuständen beziehungsweise zwischen den elektrischen Spannungen der Speicherzellen beziehungsweise der Speichermodule kommen. Der jeweilige Mikrocontroller 6 ist nun dazu ausgebildet, das jeweils zugehörige Heizelement 5 in Abhängigkeit von dem beschriebenen Unterschied zu aktivieren, um dadurch den Unterschied zumindest zu verringern oder aber aufzuheben. Das Verringern oder Aufheben des Unterschieds wird auch als Balancing bezeichnet. Somit ist der jeweilige Mikrocontroller 6 dazu ausgebildet, das jeweils zugehörige Heizelement 5 zu aktivieren, um das Balancing durchzuführen.
-
Um nun auf besonders bauraumgünstige Weise eine besonders große Funktionsintegration des Energiespeichers 1 realisieren zu können, ist es ferner vorgesehen, dass der jeweilige Mikrocontroller 6 auch dazu ausgebildet ist, einen jeweiligen Stromfluss durch das jeweils zugehörige Heizelement 5 zu überwachen und das jeweils zugehörige Heizelement 5 in Abhängigkeit von dem jeweiligen, überwachten Stromfluss zu regeln. Der jeweilige Mikrocontroller 6 ist somit eine Überwachungseinrichtung, insbesondere eine Zellüberwachungseinrichtung, welche den Stromfluss durch das jeweilig zugehörige Heizelement 5 und vorzugsweise auch die jeweilige elektrische Spannung der jeweiligen Speicherzelle 4, der der jeweilige Mikrocontroller 6 zugeordnet ist, ermittelt und dadurch überwacht. Außerdem ist die Überwachungseinrichtung dazu ausgebildet, das jeweils zugehörige Heizelement 5 anzusteuern und dadurch zu aktivieren und zu deaktivieren.
Vorzugsweise ist das jeweilige Heizelement 5 als ein sogenanntes Heizsheet, das heißt als eine sogenannte Heizschicht ausgebildet. Hierzu ist es insbesondere vorgesehen, dass das jeweilige Heizelement 5 eine jeweilige, sehr dünne Folie und wenigstens eine oder mehrere Heizstrukturen aufweist, die an der jeweiligen Folie gehalten ist beziehungsweise sind. Insbesondere dann, wenn das jeweilige Heizelement 5 aktiviert ist, fließt der elektrische Strom durch die jeweilige Heizstruktur, wodurch diese erwärmt wird. Die jeweilige Heizstruktur kann aus einem metallischen Werkstoff wie beispielsweise Kupfer oder aber aus einem Material mit PTC-Verhalten gebildet sein. Das jeweilige Heizelement 5 beziehungsweise die jeweilige Folie weist somit eine zumindest im Wesentlichen flächige Erstreckung auf, so dass die jeweilige Speicherzelle 4 auf wenigstens einer Seite zumindest überwiegend, insbesondere vollständig, durch das jeweilige Heizelement 5 überdeckt ist. Das jeweilige Heizelement 5 ist vorzugsweise so an der jeweiligen Speicherzelle 4 angebracht, insbesondere aufgebracht, dass ein relativ geringer thermischer Widerstand zwischen dem jeweiligen Heizelement 5 und der jeweiligen Speicherzelle 4 entsteht.
-
Vorzugsweise ist dem jeweiligen Heizelement 4 ein jeweiliger Halbleiterschalter zugeordnet. Der jeweilige Mikrocontroller 6 ist dabei dazu ausgebildet, zum Aktivieren und Deaktivieren des jeweils zugehörigen Heizelements 5 den jeweiligen, dem jeweiligen Heizelement 4 zugeordneten Halbleiterschalter, der dem Heizelement 4 zugeordnet ist, das zum jeweiligen Mikrocontroller 6 gehört, anzusteuern und dadurch zu schließen und zu öffnen. Somit kann der jeweilige Mikrocontroller 6 beispielsweise mit Hilfe des jeweiligen Halbleiterschalters, der dem zu dem jeweiligen Mikrocontroller 6 gehörenden Heizelement 4 zugeordnet ist, den Stromkreis insbesondere zwischen dem größten und kleinsten Spannungspotential, insbesondere des Speichermoduls und/oder über die Heizelemente 5, schließen, wodurch das jeweilige Heizelement 5 aktiviert wird.
-
Eine auch als Strombegrenzung bezeichnete Begrenzung des durch das jeweilige Heizelement 5 fließenden, elektrischen Stroms erfolgt beispielsweise durch einen jeweiligen Heizwiderstand des jeweiligen Heizelements 5, gegebenenfalls mit PTC-Verhalten. Durch Aktivieren des jeweiligen Heizelements 5 stellt das jeweilige Heizelement 5 eine Heizleistung zum Beheizen der jeweiligen Speicherzelle 4 bereit. Dabei wird die von dem jeweiligen Heizelement 5 bereitgestellte und in die jeweilige Speicherzelle 4 eingebrachte Heizleistung mittels des jeweils zugehörigen Mikrocontrollers 6 geregelt, insbesondere in Abhängigkeit von dem überwachten Stromfluss durch das jeweilige Heizelement 5. Beispielsweise ist der jeweilige Mikrocontroller 6 dazu ausgebildet, den Stromfluss, mithin den jeweiligen, durch das jeweilige Heizelement 5 fließenden, elektrischen Strom zu messen, mithin eine Strommessung durchzuführen und hierdurch den Stromfluss zu ermitteln und zu überwachen. Etwaig entstehende, elektrische Verluste dienen dabei als direkte Heizquelle für die verwendeten, beispielsweise als Batteriezellen ausgebildeten Speicherzellen 4.
-
Der jeweilige Mikrocontroller 6, das jeweils zugehörige Heizelement 5 und vorzugsweise auch der jeweilige Halbleiterschalter sind Bestandteile eines auch als Hardware-Aufbau bezeichneten Aufbaus, welcher auch zu dem zuvor beschriebenen Balancing, insbesondere auf Modulebene, verwendet werden kann. Wird zwischen den verwendeten, auch als Zellmodule bezeichneten Speichermodulen eine ungleiche Ladung, mithin der zuvor beschriebene Unterschied in den Ladezuständen und/oder den elektrischen Spannungen festgestellt, so kann dieser Unterschied durch die gezielte Aktivierung zumindest einer der Heizelemente 5 bei einzelnen Speichermodulen und/oder den Speicherzellen 4 zumindest verringert oder aufgehoben werden. Dies kann spannungsgesteuert und/oder zeitgesteuert erfolgen. Mit anderen Worten wird beispielsweise das Balancing solange durchgeführt, bis der Unterschied einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert unterschreitet. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass das Balancing zumindest oder höchstens eine Zeitspanne unterbrechungsfrei durchgeführt wird, insbesondere unabhängig von einer aus dem Balancing etwaig resultierenden Veränderung des Unterschieds. Ein solches, auch als Balancing-Funktionalität bezeichnetes Balancing ist vor allem zum Angleichen von zwei Hälften des Energiespeichers 1 in Verbindung mit einer Umschaltmatrix vorteilhaft.
-
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der jeweilige Mikrocontroller 6 auch dazu ausgebildet, eine jeweilige, auch als Zellimpedanz bezeichnete Impedanz der jeweiligen Speicherzelle 4, der das dem jeweiligen Mikrocontroller 6 zugeordnete Heizelement 4 zugeordnet ist, zu ermitteln, insbesondere zu berechnen. Das Ermitteln, insbesondere Berechnen, der Zellimpedanz wird auch als Impedanzermittlung, Impedanzberechnung oder Impedanzmessung bezeichnet. Der beschriebene Hardware-Aufbau kann somit zusätzlich zur Ermittlung beziehungsweise Bestimmung der jeweiligen Zellimpedanz verwendet werden. So wird beispielsweise mittels des Stromkreises über die Heizelemente 5 ein Stromprofil mit einer bestimmten Frequenz aufgeprägt, wobei das Stromprofil beispielsweise sinusförmig oder rechteckförmig sein kann. Aus dem Stromprofil resultiert eine jeweilige, elektrische Spannung der jeweiligen Speicherzelle 4 und ein Stromverlauf, wobei die jeweilige elektrische Spannung der jeweiligen Speicherzelle 4 und der Stromverlauf ermittelt, insbesondere gemessen werden. Aus der ermittelten, elektrischen Spannung der jeweiligen Speicherzelle 4 und aus dem ermittelten Stromverlauf wird dann die jeweilige Zellimpedanz berechnet und dadurch ermittelt, insbesondere mittels des jeweiligen Mikrocontrollers 6. Es ist erkennbar, dass eine Vielzahl an Funktionen durch Verwendung des beschriebenen Hardware-Aufbaus realisiert werden kann, wodurch die Kosten, die Teileanzahl, der Bauraumbedarf und das Gewicht des Energiespeichers 1 besonders gering gehalten werden können.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Energiespeicher
- 2
- Gehäuse
- 3
- Aufnahmeraum
- 4
- Speicherzellen
- 5
- Heizelement
- 6
- Mikrocontroller
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011088440 A1 [0002]
- DE 102012219082 A1 [0002]
- DE 102012208509 A1 [0002]
