-
Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinheit, einem Energiespeicher zur Versorgung der elektrischen Antriebseinheit mit elektrischer Energie und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern eines Betriebs des Energiespeichers, wobei der Energiespeicher eine elektrochemische Batterie und mindestens eine Kondensatoreinheit mit mindestens einem Kondensator umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeugs.
-
Unter einem Elektrofahrzeug kann dabei sowohl ein rein batterieelektrisch betriebenes Elektrofahrzeug verstanden werden, als auch ein Hybrid-Fahrzeug. Hybrid-Fahrzeuge lassen sich wiederum in solche gliedern, deren Energiespeicher über eine externe Energiequelle geladen werden können, und die entsprechend auch als Plug-in-Hybrid bezeichnet werden, und solche, deren Energiespeicher nicht über eine externe Energiequelle geladen werden kann, zum Beispiel Mild-Hybrid-Elektrofahrzeuge. Als Energiespeicher verwenden solche Elektrofahrzeuge hauptsächlich elektrochemische Energiespeicher, die im Folgenden auch einfach als Batterie, z.B. Hochvolt-Batterie, bezeichnet werden. Gemäß heutigem Stand der Technik wird eine solche Hochvolt-Batterie beim Fahren unterschiedlich gefordert. Wenn viel Energie benötigt wird, muss die Batterie mehr Energie liefern. Auch Rekuperationsenergie wird wieder in die Batterie eingespeist. Diese Vorgänge belasten die Lebensdauer der Batterie und erfordern ein entsprechend ausgelegtes Batteriemanagementsystem.
-
Die
US 8,434,578 B2 beschreibt einen Energiespeicher für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit einem Hochvoltleistungsversorgungs-BUS, der an ein elektrisches Traktionssystem angeschlossen ist und/oder an ein elektrisches Leistungssystem, und welcher ein erstes elektrisches Leistungsspeicherelement aufweist, welches mit dem Leistungsversorgungs-BUS verbunden ist. Weiterhin umfasst der Energiespeicher ein zweites Speicherelement, das über ein Kopplungselement mit dem BUS verbunden ist. Dabei ist weiterhin eines der beiden Speicherelemente als elektrochemische Batterie ausgebildet, während das andere einen Superkondensator umfasst. Der Superkondensator kann dabei Rekuperationsenergie aufnehmen und Energie an die Batterie transferieren. Hierdurch kann das Laden des Superkondensators verlangsamt werden. Wenn der Superkondensator vollgeladen ist, wird während einem rein verbrennungsmotorischen Betrieb des Fahrzeugs Energie vom Superkondensator an die Batterie überführt.
-
Mit herkömmlichen Super Caps, d.h. Hochleistungskondensatoren, im Rundzellenformat kann man die Batterie nur teilweise entlasten, weil die Energiedichte viel zu niedrig ist und die Bauraumanforderungen nicht gegeben sind. Deshalb werden in vielen Elektrofahrzeugen bis heute keine Kondensatoren verwendet.
-
Ohne die Verwendung von Kondensatoren unterliegt die Batterie eines Elektrofahrzeugs also hohen Belastungen, zum Beispiel durch Rekuperationsenergie, und bei der Verwendung von Kondensatoren besteht der Nachteil, dass sehr viel zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Dies führt wiederum dazu, dass die Batterie wesentlich kleiner ausgelegt werden muss, wodurch jedoch die Gesamtreichweite unattraktiv wird. Dies gilt gerade für rein batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, die eine möglichst effiziente Auslegung und einen möglichst effizienten Betrieb eines Energiespeichers zur Versorgung einer elektrischen Antriebseinheit des Elektrofahrzeugs ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
-
Ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug weist eine elektrische Antriebseinheit auf, und einen Energiespeicher zur Versorgung der elektrischen Antriebseinheit mit elektrischer Energie. Zudem umfasst das Elektrofahrzeug eine Steuerungseinrichtung zum Steuern eines Betriebs des Energiespeichers. Weiterhin umfasst der Energiespeicher eine elektrochemische Batterie und mindestens eine Kondensatoreinheit mit mindestens einem Kondensator. Dabei ist der mindestens eine Kondensator als ein Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensator ausgebildet.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung von Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren in zweierlei Hinsicht Bauraum im Fahrzeug gespart werden kann: Zum einen weisen diese Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren eine deutlich höhere Leistungsdichte als zum Beispiel herkömmliche Superkondensatoren im Rundzellenformat auf, wodurch Bauraum gespart werden kann. Zum anderen unterscheiden sich Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren in ihrer Bauweise von herkömmlichen Superkondensatoren. Klassische Superkondensatoren, auch Super-Caps genannt, verwenden ein flüssiges Elektrolyt. Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren verwenden dagegen einen festen Elektrolyten als Leitstoffe. Dadurch ist es wiederum möglich, Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren so zu fertigen, dass sie hinsichtlich ihrer Geometrie ähnlich wie eine Batterie-Pouchzelle aussehen und sich dadurch auch ähnlich in einem Modul verbauen lassen. Dadurch lässt sich wiederum der Bauraum optimal ausnutzen. Ein solcher Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensator muss also nicht in einem Rundzellenformat bereitgestellt werden, und ist vorliegenden auch nicht bevorzugt, sondern kann dagegen als Kondensator in Flachbauweise geometrisch ähnlich einer Pouchzelle bereitgestellt werden. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, solche Kondensatoren in Form eines Kondensatorstapels mit je nach Anforderung mehr oder weniger Kondensatoren bereitzustellen. Die Anzahl der Kondensatoren, die zu einem solchen Kondensatorstapel, zum Beispiel zur Bildung der oben genannten Kondensatoreinheit verwendet werden, kann damit vorteilhafterweise an den zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst werden. Auch Länge und Breite eines solchen Kondensators können prinzipiell beliebig dimensioniert werden. So lässt sich eine solche Kondensatoreinheit vorteilhafterweise auch angepasst an kleinste Bauraumlücken im Fahrzeug anpassen beziehungsweise angepasst bereitstellen. In Kombination mit der erhöhten Energiedichte ist es somit vorteilhafterweise möglich, Kondensatoren als Teil eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeugs auf besonders effiziente Weise im Fahrzeug zu integrieren, ohne dafür beispielsweise die Dimensionierung der Batterie als solches vermindern zu müssen. Außerdem lässt es sich so bewerkstelligen, Kondensatoren beziehungsweise Kondensatoreinheiten mit deutlich größeren Kapazitäten ins Elektrofahrzeug zu integrieren, wodurch sich der Betrieb des Energiespeichers als Ganzes optimieren lässt. Um ein Beispiel zu nennen, ist es dann auch nicht mehr, oder zumindest nicht mehr so häufig erforderlich, den Kondensator während der Fahrt, wenn dieser bereits vollgeladen ist, in die Batterie zu entladen, damit wieder Rekuperationsenergie vom Kondensator aufgenommen werden kann. Dies ist dann deutlich schonender für die Batterie und steigert ihre Lebensdauer. Durch die deutlich stärkere Entlastung, die durch die Verwendung eines Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensators als Teil des Energiespeichers für die Batterie bereitgestellt werden kann, ist es beispielsweise, gerade im Hinblick auf Hybrid-Fahrzeuge, möglich, eine andere Zellchemie für die Batterie zu verwenden, die dann zum Beispiel für weniger Ladezyklen beziehungsweise eine weniger hohe Beanspruchung der Batterie durch wiederholte Laden und Entladen ausgelegt ist, dafür jedoch eine deutlich größere Reichweite bietet. Somit erlaubt die Erfindung vorteilhafterweise eine Umsetzung der Kondensatortechnologie im Fahrzeug auf besonders effiziente Weise und eine dadurch bereitgestellte Entlastung der Batterie und des Batteriemanagementsystems, wodurch wiederum höhere Lebensdauern erreicht werden können.
-
Unter einem Elektrofahrzeug kann wie eingangs bereits definiert ein rein batterieelektrisch betriebenes Elektrofahrzeug als auch ein Hybrid-Fahrzeug verstanden werden, und unter einem Hybrid-Fahrzeug kann wiederum ein Plug-in-Hybrid-Fahrzeug sowie auch ein Mild-Hybrid-Elektrofahrzeug und ein Vollhybrid-Elektrofahrzeug verstanden werden können. Insbesondere ist die Verwendung zumindest eines Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensators als Teil eines Energiespeichers für all diese Elektrofahrzeuge sehr vorteilhaft. Unter einer elektrischen Antriebseinheit kann insbesondere ein Elektromotor verstanden werden. Dieser kann direkt, und insbesondere als einziger Motor, zum Antrieb beitragen und/oder lediglich indirekt einen zusätzlich Verbrennungsmotor unterstützen. Je nach Elektrofahrzeugvariante kann auch zwischen diesen Betriebsweisen gewechselt werden. Die elektrische Antriebseinheit muss also nicht notwendigerweise die alleine den Antrieb bereitstellen, sondern kann beispielsweise, insbesondere im Falle eines Hybrid-Fahrzeugs als Elektrofahrzeug, einen zusätzlichen Verbrennungsmotor auch lediglich unterstützend betreiben. Mit anderen Worten kann die elektrische Antriebseinheit so ausgestaltet sein, dass durch diese alleine der Antrieb des Elektrofahrzeugs bereitgestellt werden kann oder der Antrieb durch einen Verbrennungsmotor bereitgestellt wird, der wiederum vom Elektromotor unterstützt wird. Dabei ist zum Beispiel im Falle eines Plug-in-Hybrids auch ein rein elektromotorischer Betrieb des Elektrofahrzeugs zeitweise bewerkstelligbar. Die mindestens eine Kondensatoreinheit und die Batterie können dabei bezüglich der elektrischen Antriebseinheit oder einer Leistungselektronik, die dieser elektrischen Antriebseinheit zugeordnet ist, zueinander parallel geschaltet sein oder schaltbar sein. Der Kondensator ist damit vorteilhafterweise dazu ausgelegt, Energie zur Versorgung der elektrischen Antriebseinheit zumindest zwischen zu speichern. Dabei kann der Kondensator beispielsweise Energie an die elektrische Antriebseinheit abgeben und, zum Beispiel in einer Rekuperationsphase, auch von der elektrischen Antriebseinheit aufnehmen.
-
Die elektrochemische Batterie kann zum Beispiel eine Hochvolt-Batterie darstellen oder auch nur eine Mittelvolt-Batterie, zum Beispiel eine 48-Volt-Batterie. Weiterhin kann die Batterie mehrere Batteriezellen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, umfassen, die optional auch zu Batteriemodulen zusammengefasst sein können. Die ist vor allem bei der Ausbildung der Batterie als Hochvolt-Batterie sehr vorteilhaft.
-
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Kondensatoreinheit mehrere als Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren ausgebildete Kondensatoren auf, die einen Kondensatorstapel bilden, in dem die mehreren Kondensatoren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die Kondensatoren jeweils in Stapelrichtung eine Dicke aufweisen, die kleiner ist als eine Länge und eine Breite des jeweiligen Kondensators, insbesondere wobei der Kondensatorstapel eine im Wesentlichen quaderförmige Außengeometrie aufweist. Wie oben bereits erwähnt, ist es dadurch vorteilhafterweise möglich, ein Kondensatormodul ähnlich wie ein Batteriemodul mit Pouchzellen bereitzustellen. Die geometrische Form der Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren kann also so gestaltet sein, dass sie der von typischen Pouchzellen ähnelt. Das heißt, solche Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren können extrem flach und zum Beispiel mit einer rechteckigen Grundform ausgebildet sein. In eine solche Grundform können wiederum beliebige Ausschnitte integriert sein, z.B. ein rechteckiger Ausschnitt am Rand und/oder ein runder Ausschnitt in der Mitte. Weiterhin können in einem Randbereich zwei entsprechende Fahnen als Polabgriffe vorgesehen sein. Damit lassen sich solche Kondensatorstapel besonders einfach vor allem in Stapelrichtung dimensionieren, indem in Stapelrichtung einfach mehr oder weniger Kondensatoren gestapelt werden. Ein solcher Kondensator kann zum Beispiel eine Kapazität zwischen 8000 µF und 20000 µF aufweisen. Beispielsweise kann ein solcher Kondensator mit einer Dicke in Stapelrichtung ausgebildet sein, die in der Größenordnung von 1 mm liegt und im Allgemeinen bevorzugt kleiner ist als 1 cm, insbesondere maximal 5 mm. Damit lassen sich in Stapelrichtung extrem viele Kondensatoren auf äußerst geringem Bauraum stapeln. 100 Kondensatoren weisen bei einer Dicke von 1 mm damit eine Gesamtdicke in Stapelrichtung von 10 cm auf und können entsprechend eine Gesamtkapazität von 2 F bereitstellen. Trennelemente zwischen den Kondensatoren oder zwischen einer solchen Kondensatoreinheit und einem Batteriemodul sind dabei nicht erforderlich, da zudem solche Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren deutlich weniger brandgefährdet sind als beispielsweise typische Batteriezellen. Dadurch kann wiederum Bauraum gespart werden. Dies macht den Einsatz solcher Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren in Elektrofahrzeugen besonders effizient. Länge und Breite der jeweiligen Kondensatoren beziehungsweise Kondensatorstapel können dabei an den gegebenen Bauraum einfach angepasst werden. Damit lassen sich vorhandene Lücken im Fahrzeug bedarfsgerecht mit solchen Kondensatoreinheiten auf einfache Weise schließen. Mit anderen Worten können bislang ungenutzte Toträume genutzt werden, um solche Kondensatoreinheiten zu integrieren. Damit ist vorteilhafterweise kein zusätzlicher Bauraum erforderlich.
-
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Elektrofahrzeug mehrere der mindestens einen Kondensatoreinheit aufweist. Dies hat den Vorteil, dass der vorhandene Bauraum deutlich effizienter ausgenutzt werden kann. Die mehreren Kondensatoreinheiten müssen dabei hinsichtlich ihrer Geometrie und ihren Außenabmessungen nicht übereinstimmen. Somit lassen sich die Kondensatoreinheiten auch individuell an entsprechende Bauraumlücken anpassen. Dies ist vor allem bei rein batterieelektrisch betriebenen Elektrofahrzeugen sehr vorteilhaft, da gerade hier der zur Verfügung stehende Bauraum äußerst begrenzt ist, da dieser typischerweise möglichst vollständig für die Hochvolt-Batterie genutzt werden soll, um eine möglichst große Reichweite bereitzustellen. Gerade hier lassen sich nunmehr auch kleinste Bauraumlücken effizient durch das Befüllen mit Kondensatoreinheiten ausnutzen. Dies ermöglicht damit vor allem auch eine lukrative Integration von Kondensatoren in rein batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge, und nicht nur in Hybrid-Fahrzeuge.
-
Denkbar ist es aber auch, dass das Elektrofahrzeug nur eine einzige Kondensatoreinheit mit mehreren Kondensatoren aufweist. Die Kondensatoren einer Kondensatoreinheit sind dabei in einem gemeinsamen Verbund angeordnet und entsprechend nicht räumlich verteilt. Beispielsweise kann so auch ein Modulgehäuse eines mehrere Batteriemodule umfassenden Energiespeichers statt mit Batteriezellen mit Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren befüllt werden. So können solche Kondensatoren besonders einfach in einen Energiespeicher integriert werden, ohne die Bauraumauslegung für diesen Energiespeicher ändern oder neu konzipieren zu müssen.
-
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den Betrieb des Energiespeichers so zu steuern, dass durch Rekuperation erzeugte Energie in die mindestens eine Kondensatoreinheit geladen wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da gerade typische Batterien, gerade bei Hybrid-Fahrzeugen, sehr stark durch Rekuperationsenergie belastet werden. Dies führt nämlich zu einem ständigen Laden und Entladen einer solchen Batterie. Dies kann nun vorteilhafterweise vermieden werden, indem die Rekuperationsenergie, vorzugsweise vollständig, in die Kondensatoreinheit geladen wird. Da sich die Kondensatoreinheit durch die Verwendung der Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren auf gegebenem Bauraum mit einer besonders hohen Kapazität ausgestalten lässt, wie oben bereits beschrieben, ist es nun vorteilhafterweise auch möglich, die Rekuperationsenergie, das heißt, die durch Rekuperation erzeugte Energie, vollständig in die Kondensatoreinheit zu laden, ohne während der Fahrt Energie von der Kondensatoreinheit in die Batterie laden zu müssen. Dies entlastet die Batterie im Vergleich zu bisherigen Konzepten zusätzlich. Wie bereits erwähnt, ist es hierdurch dann vorteilhafterweise auch möglich, als Zellchemie für die Batterie eine deutlich günstigere Zellchemie zu verwenden, da die Batterie hierfür kleiner ist und beim herkömmlichen Betrieb in herkömmlichen Fahrzeugen durch die ständigen Lade- und Entladevorgänge stärker belastet wird. Durch die vorliegende zusätzliche Entlastung einer solchen Batterie ist entsprechend die Verwendung einer günstigeren Zellchemie möglich. Vor allem beim Mild-Hybrid-Elektrofahrzeugen stellt dies einen großen Vorteil dar. Hier wird der Motor im besten Betriebspunkt, zum Beispiel gemäß einem Kennfeld, betrieben und lädt parallel den Energiespeicher. Anstatt nunmehr die Energie dabei in die Batterie zu laden, kann diese ebenso vornehmlich oder vollständig in die Kondensatoreinheit geladen werden, um die Batterie zu entlasten.
-
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es daher vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den Betrieb des Energiespeichers so zu steuern, dass keine durch Rekuperation erzeugte Energie direkt in die Batterie geladen wird. Direkt soll hierbei so verstanden werden, dass es prinzipiell dennoch denkbar ist, durch Rekuperation erzeugte Energie in die Kondensatoreinheit zu laden und von dieser in die Batterie, z.B. wenn die Kondensatoreinheit bereits vollgeladen ist. Der Rekuperationsstrang, über welchen die durch Rekuperation erzeugte Energie in den Energiespeicher geladen wird, ist jedoch bevorzugt nur mit der mindestens einen Kondensatoreinheit verbunden, und nicht mit der Batterie. Dies ist besonders schonend für die Batterie und verlängert ihre Lebensdauer. Umgekehrt kann bei gleichbleibender Lebensdauer eine günstigere Zellchemie für die Batterie verwendet werden, da sie durch diese Betriebsweise nicht mehr so stark belastet wird.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den Betrieb des Energiespeichers so zu steuern, dass durch eine in der mindestens einen Kondensatoreinheit gespeicherte Energie eine Boostfunktion zur Bereitstellung einer temporär erhöhten Leistung an der Antriebseinheit bereitstellbar ist. Eine solche Boostfunktion lässt sich zum Beispiel bereitstellen, wenn aktuell eine sehr hohe Leistungsanforderung besteht, zum Beispiel wenn der Fahrer des Fahrzeugs stark beschleunigen möchte. Eine solche Boostfunktion ist herkömmlicherweise allein durch eine Batterie nur begrenzt bereitstellbar, grundsätzlich ist die von einer elektrochemischen Batterie bereitstellbare Leistung nach oben hin begrenzt, wobei zusätzliche Limitierungen durch ungünstige Rand- und Umgebungsbedingungen, zum Beispiel hohe Temperaturen, gegeben sein können, so dass eine solche Boostfunktion teilweise nicht oder sehr stark zeitlich begrenzt bereitgestellt werden kann. Denkbar ist auch die Verwendung eines DC/DC-Konverters, um eine solche Boostfunktion zu ermöglichen. Dies beansprucht solche DC/DC-Konverter jedoch zusätzlich. Durch die vorgesehene mindestens eine Kondensatoreinheit lässt sich nunmehr auch eine solche Boostfunktion besonders effizient, zeitlich länger und auch öfter bereitstellen. Dies ist gerade bei rein batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen sehr von Vorteil. Aber auch bei Hybrid-Fahrzeugen kann eine solche Boostfunktion wie beschrieben vorgesehen und umgesetzt sein.
-
Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, zur Bereitstellung der Boostfunktion Energie aus der mindestens einen Kondensatoreinheit und aus der Batterie und insbesondere zusätzlich aus einem DC/DC-Konverter gleichzeitig an der elektrischen Antriebseinheit bereitzustellen. Dadurch kann die Antriebseinheit vorteilhafterweise zumindest temporär mit sehr hoher Leistung betrieben werden. Damit lassen sich sehr hohe Beschleunigungen erzielen. Optional kann dabei auch zusätzlich noch ein DC/DC-Konverter verwendet werden, wodurch dann sozusagen ein Triple-Boost bereitgestellt werden kann. Die maximal bereitstellbare Leistung kann damit nochmal gesteigert werden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den Betrieb des Energiespeichers so zu steuern, dass eine aktuell in der mindestens einen Kondensatoreinheit gespeicherte Energie im Stillstand des Elektrofahrzeugs unter zumindest einer Bedingung zumindest zum Teil und bevorzugt vollständig in die Batterie entladen wird. Dies beruht wiederum auf der Erkenntnis, dass sich Energie aufgrund von Leckströmen nicht dauerhaft in Kondensatoren speichern lässt. Wird das Elektrofahrzeug also beispielsweise abgestellt und ist in diesem Zustand die Kondensatoreinheit teilweise geladen, so wird sich diese im Laufe der Zeit allmählich selbst entladen. Dieser Vorgang dauert zwar einige Stunden, je nach Ladungszustand, nichts desto weniger ist es sehr vorteilhaft, die in der mindestens einen Kondensatoreinheit gespeicherte Restenergie möglichst vollständig in die Batterie zu entladen, wenn das Elektrofahrzeug abgestellt wird beziehungsweise nicht mehr betrieben wird. Dadurch können Energieverluste vorteilhafterweise vermieden werden.
-
Umgekehrt ist es ebenso vorteilhaft, wenn während des Betriebs des Elektrofahrzeugs beziehungsweise während der Fahrt des Elektrofahrzeugs keine Energie von der mindestens einen Kondensatoreinheit in die Batterie geladen wird. Im Allgemeinen kann es auch vorgesehen sein, dass eine aktuell in der mindestens einen Kondensatoreinheit gespeicherte Energie während des Betriebs des Elektrofahrzeugs oder während der Fahrt nur zum Teil und nur unter der Bedingung, dass die mindestens eine Kondensatoreinheit vollständig geladen ist, in die Batterie entladen wird. Mit anderen Worten nur wenn die Kondensatoreinheit bereits vollgeladen ist, kann es vorgesehen sein, einen Teil dieser Energie in der Batterie zu entladen. Bevorzugt ist die Kapazität der Kondensatoreinheit jedoch so groß dimensioniert, dass es nicht erforderlich ist, Energie während der Fahrt beziehungsweise während des Betriebs des Elektrofahrzeugs von der Kondensatoreinheit in die Batterie zu transferieren. Eine zusätzliche Belastung der Batterie durch solche Umladevorgänge kann hierdurch zusätzlich vermieden werden. Wird das Elektrofahrzeug dagegen abgestellt, so ist es sehr vorteilhaft, die dann aktuell in der mindestens einen Kondensatoreinheit befindliche Energie in die Batterie umzuladen, um wie beschrieben Energieverluste zu vermeiden.
-
Dabei ist es weiterhin sehr vorteilhaft, wenn die zumindest eine Bedingung, unter welcher die in der Kondensatoreinheit gespeicherte Energie im Stillstand des Elektrofahrzeugs in die Batterie entladen wird, umfasst, dass das Elektrofahrzeug abgeschaltet ist und/oder sich keine Person im Elektrofahrzeug befindet und/oder das Elektrofahrzeug bereits für eine bestimmte Mindestzeitdauer abgeschaltet ist und/oder gemäß einem bestimmten Kriterium kein Anschalten oder Betrieb des Elektrofahrzeugs innerhalb eines bestimmten Zeitraums, das heißt zukünftigen Zeitraums, zu erwarten ist. Wie beschrieben ist es sehr vorteilhaft, die Energie aus dem Kondensator in die Batterie umzuladen, wenn das Elektrofahrzeug für längere Zeit abgeschaltet wird. Auslöser für diesen Umladevorgang können die beschriebenen Bedingungen sein. Diese können auch miteinander kombiniert werden. Ein Umladen kann also initiiert werden, sobald das Elektrofahrzeug abgeschaltet wird, das heißt, der Motor und die Zündung abgeschaltet werden und/oder wenn sich keine Person mehr im Elektrofahrzeug befindet und/oder das Elektrofahrzeug verschlossen wurde oder auch dass das Elektrofahrzeug schon für eine bestimmte Mindestzeitdauer abgeschaltet ist. Hierdurch lässt sich zum Beispiel sehr wahrscheinlich vermeiden, dass der Kondensator umgeladen wird, obwohl der Fahrer nur kurz das Elektrofahrzeug abgeschaltet oder abgestellt hat und gleich wieder fährt. Es können auch verschiedene und aufwendigere Verfahren zum Vorhersagen, dass das Elektrofahrzeug nunmehr für längere Zeit abgeschaltet bleibt, verwendet werden. Eine solche Vorhersage kann zum Beispiel auf gespeicherten Erfahrungswerten oder Nutzerprofilen, historischen Fahrdaten, Gewohnheiten des Fahrers, die durch das Fahrzeug dokumentiert werden, auf der aktuelle Uhrzeit beziehungsweise Tageszeit, und so weiter beruhen. Auch lernende Verfahren können zum Bereitstellen einer solchen Vorhersage genutzt werden. Diese können durch die Steuereinrichtung ausgeführt werden. Wird das Fahrzeug beispielsweise abgeschaltet und befindet sich das Elektrofahrzeug dabei an seiner Heimatadresse und ist es bereits abends, so ist eine erneute Inbetriebnahme des Elektrofahrzeugs innerhalb kurzer Zeit sehr unwahrscheinlich und ein Umladen kann initiiert werden.
-
Das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeugs mit einer elektrischen Antriebseinheit, einem Energiespeicher zur Versorgung der elektrischen Antriebseinheit mit elektrischer Energie und mit einer Steuerungseinrichtung zum Steuern eines Betriebs des Energiespeichers, wobei der Energiespeicher eine elektrochemische Batterie und mindestens eine Kondensatoreinheit mit mindestens einem Kondensator umfasst. Dabei wird zumindest ein Teil der Energie zur Versorgung der elektrischen Antriebseinheit mittels eines Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensators als der mindestens eine Kondensator zwischengespeichert.
-
Die für das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug und seine Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
-
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
-
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
-
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensators für ein Elektrofahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Superkondensators im Rundzellenformat gemäß dem Stand der Technik;
- 3 eine schematische Darstellung der Verschaltung mehrerer Kondensatoren zu einer Kondensatoreinheit für ein Elektrofahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Kondensatoreinheit mit vielzähligen Kondensatoren für ein Elektrofahrzeug gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 5 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensators 10 für ein Elektrofahrzeug 12 (vgl. 5) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensator 10 ist dabei in 1 einmal in einer Draufsicht von vorne, das heißt, entgegen der dargestellten y-Richtung, dargestellt, und einmal in einer perspektivischen Seitenansicht. Der Kondensator 10 ist dabei in Flachbauweise gefertigt und weist eine Länge L in der dargestellten z-Richtung und eine Breite B in der dargestellten x-Richtung auf, sowie eine Dicke D in der hier dargestellten y-Richtung. Die Breite B und die Länge L sind dabei deutlich größer als die Dicke D, insbesondere um eine oder mehrere Größenordnungen, wobei die Dicke D in diesem Beispiel lediglich 1 mm beträgt. Länge L und Breite B sind darüber hinaus beliebig dimensionierbar. Außerdem weist der Kondensator noch zwei Polabgriffe 10a, 10b auf, nämlich einen positiven Pol 10a und einen negativen Pol 10b. In diesem Beispiel weist der Kondensator 10 eine Kapazität von 8.000 µF auf. Grundsätzlich lässt sich ein solcher Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensator zum Beispiel mit einer Kapazität zwischen 8.000 µF und 20.000 µF bereitstellen. Auch größere Kapazitäten sind denkbar. Im vorliegenden Beispiel liegt die zulässige Betriebstemperatur des Kondensators 10 zwischen - 55 °C und 125 °C. Zur besseren Veranschaulichung der Abmessungen des Kondensators 10 ist zudem noch eine Vierteldollarmünze 13 in 1 dargestellt.
-
Weiterhin zeigt 2 zum Vergleich einen herkömmlichen Superkondensator 14. Der Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensator 10 und der in 2 dargestellte Superkondensator 14 weisen dabei den gleichen Nennwelligkeitsstrom auf, insbesondere 54 Arms (Ampere root mean square) bei 45 °C und 20 kHz, aber das Volumen des Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensators 10 beträgt lediglich 6 Prozent des Volumens des Superkondensators 14.
-
Durch die Verwendung solcher Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren 10 im Fahrzeug 12 kann mit der deutlich höheren bereitstellbaren Leistungsdichte enorm viel Bauraum gespart werden und gleichzeitig kann die Batterie 16 (vgl. 5) des Elektrofahrzeugs 12 entlastet werden. Durch die Flachbauweise, die bei solchen Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren 10, wie in 1 dargestellt, möglich ist, besteht zudem vorteilhafterweise die Möglichkeit, solche Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren 10 in Modulen ähnlich wie bei Batterie-Pouchzellen anzuordnen, so dass beispielsweise ein Modul anstatt mit Batteriezellen einfach mit solchen Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren 10 bestückt werden kann. Dies soll anhand von 3 und 4 veranschaulicht werden.
-
3 zeigt dabei eine schematische Darstellung der Verschaltung von Pouchzellen 18 zu einem Batteriemodul 20. Hierdurch soll insbesondere die Ähnlichkeit der Formgebung solcher Pouchzellen 18 zum beschriebenen Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensator 10, wie in 1 dargestellt, veranschaulicht werden. Entsprechend kann es sich bei dem dargestellten Modul 20 auch um ein Kondensatormodul beziehungsweise eine Kondensatoreinheit 22 mit mehreren solchen Elektrolytkondensatoren 10 handeln. Auch die Verschaltungsprinzipien mit den hier dargestellten Verschaltungselementen 24, wie sie für Pouchzellen 18 verwendet werden, können in gleicher Weise auch oder zumindest ähnlich für diese Kondensatoren 10 verwendet werden. Es sind aber auch andere Verschaltungstechniken denkbar. 4 zeigt nochmal eine schematische und perspektivische Darstellung eines Teils eines Batteriemoduls 20 mit mehreren Pouchzellen 18, welches in gleicher Weise aber auch als Kondensatoreinheit 22 mit mehreren Kondensatoren aufgefasst werden kann. Mit anderen Worten können Kondensatoreinheiten 22 als Stapel mehrerer Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren 10 genauso bereitgestellt werden, wie dies für Pouchzellen 18 üblich ist. Ein solches Kondensatormodul 22 kann somit in einer im Wesentlichen quaderförmigen Geometrie bereitgestellt werden und ähnelt damit der typischen Geometrie eines Batteriemoduls 20. Die für die nachfolgend näher erläuterte Batterie 16 verwendeten Batteriemodule 20 müssen jedoch nicht notwendigerweise Pouchzellen 18 umfassen, sondern können beispielsweise auch aus prismatischen Batteriezellen oder anderen Batteriezellen, zum Beispiel Rundzellen, aufgebaut sein. Die Länge I dieser Kondensatoreinheit 22 lässt sich damit auf einfache Weise an die gegebene Bauraumsituation anpassen, indem einfach mehr oder weniger Kondensatoren 10 zu einem solchen Kondensatorstapel 22 zusammengefasst werden. Damit lassen sich Toträume im Fahrzeug 12 besonders effizient ausnutzen und mit solchen Kondensatoreinheiten 22 befüllen.
-
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Elektrofahrzeug 12 weist in diesem Beispiel, wie bereits erwähnt, eine Batterie 16 auf, welche zum Beispiel als Hochvolt-Batterie ausgebildet sein kann. In diesem Beispiel umfasst die Batterie 16 mehrere Batteriemodule 20, die wiederum jeweils mehrere Batteriezellen 18 umfassen. Im Falle eines rein batterieelektrisch betriebenen Elektrofahrzeugs 12 kann die Hochvolt-Batterie 16 insbesondere Hunderte solcher Batteriezellen 18 umfassen. Mit anderen Worten sind hierbei exemplarisch nur einige solcher Batteriezellen 18 dargestellt. Im Falle eines Hybrid-Fahrzeugs kann die Batterie 16 entsprechend auch weniger Batteriezellen 18 aufweisen. Weiterhin umfasst das Elektrofahrzeug 12 noch mindestens eine Kondensatoreinheit 22. Es können aber auch wiederum mehrere solcher Kondensatoreinheiten 22 vorgesehen sein. Jede Kondensatoreinheit 22 umfasst wiederum vorzugsweise mehrere Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren 10. Die durch diese Kondensatoren 10 in Summe bereitgestellte oder bereitzustellende Kapazität lässt sich auf einfache Weise durch die Anzahl der Kondensatoren dimensionieren. Die mindestens eine Kondensatoreinheit 22 sowie die Batterie 20 stellen dabei einen Energiespeicher 24 zur Versorgung einer elektrischen Antriebseinheit 26 des Elektrofahrzeugs 12 bereit. Diese umfasst in diesem Beispiel wiederum einen Elektromotor 28 und eine Leistungselektronik 30 zur Ansteuerung des Elektromotors 28. Optional kann auch eine weitere Antriebseinheit 32, zum Beispiel in Form eines Verbrennungsmotors 32, vorgesehen sein. Dabei kann der Elektromotor 28 je nach Ausbildung des Elektrofahrzeugs 12 auch nur dazu vorgesehen sein, den Verbrennungsmotor 32 im Antrieb zu unterstützen. Weiterhin umfasst das Elektrofahrzeug 12 auch eine Steuerungseinrichtung 34 zum Steuern des Betriebs des Energiespeichers 24. Dabei haben sich die nachfolgend näher erläuterten Steuerstrategien als besonders vorteilhaft erwiesen:
-
Besonders vorteilhaft ist es dabei, Rekuperationsenergie R in die Kondensatoren 10, insbesondere ausschließlich in die Kondensatoren 10, einzuspeisen, anstatt in die Batterie 16. Der Rekuperationsstrang ist folglich bevorzugt lediglich mit der Kondensatoreinheit 10 verbunden, nicht jedoch mit der Batterie 16. Gerade das Laden der Batterie 16 durch Rekuperationsenergie belastet eine solche Batterie sehr stark, was nun vorteilhafterweise vermieden werden kann. Dies gilt vor allem für Hybrid-Elektrofahrzeuge. Alternativ oder zusätzlich kann aus der Batterie 16 auch gleichmäßig der Kondensator 10 geladen werden, zum Beispiel um Boostfunktionen realisieren zu können. Dies ist gerade bei rein batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen sehr vorteilhaft.
-
Die Verwendung solcher Kondensatoren 10 ist zudem bei Hybrid-Fahrzeugen, insbesondere Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen, auch deshalb vorteilhaft, weil durch sie möglicherweise eine günstigere Zellchemie verwendet werden kann, da die Batterie 16 dann nicht mehr so stark durch vielzählige Lade- und Entladevorgänge belastet wird. Die Kapazität der Kondensatoreinheit 22 kann zum Beispiel 2 F oder auch mehr betragen. Dies kann wiederum vom Fahrzeugtyp abhängen.
-
Ist das Fahrzeug 12 beispielsweise als Mild-Hybrid-Fahrzeug ausgebildet, so kann die Batterie 16 nicht durch eine externe Stromquelle geladen werden. Der Energiespeicher 24 dient dann lediglich dazu, um den Motor 32 gemäß einem Motorkennlinienfeld immer im optimalen Betriebspunkt zu betreiben. Als Leistungspuffer kann nun vorteilhafterweise die Kondensatoreinheit 22 mit den Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren 10 vor die Batterie 16 geschaltet werden, um diesen hochdynamischen Bereich zu puffern. Im Vergleich zu bisherigen Kondensatoren kann durch diese Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren 10 enorm Bauraum gespart werden und ein einfacher Abgriffspunkt bereitgestellt werden. Die Rekuperationsenergie R wird dann bevorzugt vollständig in den Kondensator beziehungsweise die Kondensatoreinheit 22 geladen. Durch den geringen Bauraumbedarf lässt sich dies durch entsprechend große Kapazitätswahl der Kondensatoreinheit 22 einfach bewerkstelligen.
-
Im Fall eines Plug-in-Hybrids ergeben sich die gleichen Vorteile. Zusätzlich lässt sich hier nunmehr die Batterie 16 durch die zusätzliche Kondensatoreinheit 22 im Betrieb deutlich entlasten, was die Verwendung einer deutlich kostengünstigeren Zellchemie erlaubt. In beiden Fällen ist auch die Bereitstellung einer Boostfunktion möglich.
-
Diese ist vor allem aber im Zusammenhang mit einem rein batterieelektrisch betriebenen Fahrzeug von Vorteil. Zur Bereitstellung der Boostfunktion kann die elektrische Antriebseinheit 28 gleichzeitig durch die Kondensatoreinheit 22 und die Batterie 16, sowie optional auch einem zusätzlichem, vorliegend nicht dargestellten DC/DC-Konverter mit Energie gespeist werden.
-
Weiterhin ist es in allen Fällen bevorzugt, bei längeren Standzeiten die noch in der Kondensatoreinheit 22 gespeicherte Energie in die Batterie 16 zu laden. Hierdurch können Energieverluste durch Leckströme der Kondensatoren 10 vermieden werden.
-
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung die Nutzung von Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren in Elektrofahrzeugen bereitgestellt werden kann, um die Batterie und die Leistungselektronik zu entlasten.
-
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
-
