DE102022207058A1

DE102022207058A1 - Schnittstellenmodul zum Laden und Entladen eines elektrochemischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102022207058A1
Application number: DE102022207058.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander Spaeth; Fabian Ebert; Achim Seidel; Daniel Monteiro Teixeira; Wolfgang Weydanz; Johannes Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2024-01-11
Also published as: WO2024012818A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schnittstellenmodul (16) zum Laden und Entladen eines elektrochemischen Energiespeichers (12) für einen elektrischen Verbraucher (14), insbesondere für ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74), mit einer ersten Schnittstelle (20) und zumindest einer mit der ersten Schnittstelle (20) elektrisch verbundenen, zweiten Schnittstelle (32). Es wird vorgeschlagen, dass die erste Schnittstelle (20) derart, insbesondere proprietär, ausgebildet ist, dass das Schnittstellenmodul (16) mit einer entsprechenden Gegenschnittstelle (20) des elektrochemischen Energiespeichers (12) verbindbar ist, und dass die zumindest eine zweite Schnittstelle (32) derart universell ausgebildet ist, dass das Schnittstellenmodul (16) zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers (12) mit einer entsprechenden Gegenschnittstelle (32) einer externen Konstantspannungs- oder -stromquelle (30) und zum Entladen des elektrochemischen Energiespeichers (12) mit einer entsprechenden Gegenschnittstelle (32) eines weiteren elektrischen Verbrauchers (44) verbindbar ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Andapter (102) und ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) mit einem erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul (16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Schnittstellenmodul zum Laden und Entladen eines elektrochemischen Energiespeichers für einen elektrischen Verbraucher sowie einen Adapter und ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Eine Vielzahl elektrischer Verbraucher wird mit wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeichern betrieben, die entsprechend durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. In der Regel bestehen derartige Energiespeicher aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel verschalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Batteriespannung bzw. -kapazität. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen (Li-lon) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine sehr hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen.
Insbesondere Energiespeicher für hohe Leistungs- und Energiedichten müssen in der Regel mit speziellen Ladegeräten aufgeladen werden. Dazu weisen sowohl die Ladegeräte als auch die elektrochemischen Energiespeicher spezielle Hochleistungsanschlüsse als elektromechanische Schnittstellen auf, die häufig herstellerspezifisch - also proprietär - ausgebildet sind, weil neben der Energie auch noch Ladeprotokolle und/oder Betriebsparameter, wie z.B. eine Batteriespannung, ein Batteriestrom, eine im Energiespeicher gemessene Temperatur, spezielle Codiersignale etc. zur Überwachung des Ladevorgangs vom Energiespeicher zum Ladegerät übertragen werden. Das fehlerfreie Zusammenspiel des Energeispeichers mit dem Ladegerät und der Anwendung ist dabei sehr wichtig, da Fehler sicherheitsrelevante Themen bis hin zu einem Brand des Energeispeichers hervorrufen können. Diese Übertragung kann entweder über spezielle Daten- bzw. Signalkontakte der elektromechanischen Schnittstellen oder auch als Powerline Communication über die Energiekontakte erfolgen. Weiterhin müssen die Ladegerät über spezielle und daher häufig kostenintensive Ladeelektroniken (AC/DC-Wandler, Trenntransformatoren, speziell ausgestaltete Gleichrichter- und Leistungsendstufen, etc.) verfügen.
Mit dem Bosch GAA 18V-24 und GAA 12V-21 sind zudem Adapter zur Nutzung von Elektrowerkzeug-Wechselakkupacks für weitere elektrische Verbraucher, wie Smartphones, Heizwesten, etc. bekannt. Dazu können die Adapter mittels einer zu den Wechselakkupacks kompatiblen, ersten, proprietären, elektromechanischen Schnittstelle werkzeuglos lösbar auf die Wechselakkupacks aufgeschoben werden, um die elektrischen Verbraucher dann mittels einer zweiten universellen USB-A-Schnittstelle aus den Wechselakkupacks mit Energie zu versorgen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Schnittstellenmodul bereitzustellen, dass neben dem Entladen auch ein sicheres Laden eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines elektrochemischen Hochenergiespeichers, mit einer einfach auszugestaltenden und demzufolge kostengünstigen, externen Energiequelle ermöglicht.
Vorteile der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass die erste Schnittstelle derart, insbesondere proprietär, ausgebildet ist, dass das Schnittstellenmodul mit einer entsprechenden Gegenschnittstelle des elektrochemischen Energiespeichers verbindbar ist, und dass die zumindest eine zweite Schnittstelle derart universell ausgebildet ist, dass das Schnittstellenmodul zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers mit einer entsprechenden Gegenschnittstelle einer externen Konstantspannungs- oder -stromquelle und zum Entladen des elektrochemischen Energiespeichers mit einer entsprechenden Gegenschnittstelle eines weiteren elektrischen Verbrauchers verbindbar ist.
Mit besonderem Vorteil ermöglicht die Erfindung das Laden eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines elektrochemischen Hochleistungsenergiespeichers, mit einem standardisierten Universal-Ladegerät, das als kostengünstige Konstantspannungs- oder -stromquelle ohne aufwändige AC/DC-Wandlung oder speziell ausgebildete Gleichrichtung ausgebildet sein kann. Beispiele hierfür wären USB-Steckernetzteile, Powerbanks oder einfache Kfz-Ladeadapter. Im Unterschied zu einem Ladegerät, dass beispielsweise mittels eines CCCV-Ladeverfahrens (Constant Current Constant Voltage) auf eine feste Batteriespannung regelt, stellt eine Konstantspannungs- oder -stromquelle nur eine bestimmte Maximalspannung bzw. einen bestimmten Maximalstrom zur Verfügung.
Neben der Ladefunktion erlaubt die Entladefunktion des elektrochemischen Hochleistungsenergiespeichers über die zweite universelle Schnittstelle dessen Nutzung als Powerbank zum Betrieb eines oder mehrerer weiteren/weiterer elektrischen/r Verbraucher(s), wie z.B. eines Laptops, zum Laden eines Mobiltelefons, einer Leuchte, eines elektrischen Kompressors oder Gebläses oder dergleichen.
Unter einer proprietären Schnittstelle soll eine Schnittstelle verstanden werden, die spezifisch für einen Hersteller bzw. für einen geschlossenen Herstellerverbund ist und die damit nicht universell nutzbar ist. Unter einer universellen Schnittstelle soll im Unterschied dazu eine Schnittstelle verstanden werden, die von einer Vielzahl unterschiedlicher Hersteller nutzbar ist und die sich insbesondere als Hersteller übergreifender Standard etabliert hat.
Unter dem Begriff „Laden und Entladen“ soll verstanden werden, dass das Schnittstellenmodul sowohl zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers - also zum Transfer von Energie in den Energeispeicher - als auch zum Entladen des elektrochemischen Energiespeichers - also zum Transfer von Energie aus dem Energiespeicher - geeignet ist. Insbesondere kann also darunter verstanden werden, dass mittels des Schnittstellenmoduls sowohl gleichzeitig als auch zeitlich voneinander getrennt ein Laden und Entladen des mit dem Schnittstellenmodul verbundenen elektrochemischen Energiespeichers möglich ist. Ein gleichzeitiges Laden und Entladen ergibt sich beispielsweise, wenn parallel zum Ladegerät auch ein weiterer elektrischer Verbraucher mit einer universellen Schnittstellen des Schnittstellenmoduls verbunden ist.
Der elektrische Verbraucher kann insbesondere als ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug, beispielsweise als ein Elektrofahrrad (z.B. EPAC - Electrically Power Assisted Cycle, e-Bike, Pedelec, e-Lastenfahrrad, etc.), ein Elektromotorrad, ein ein- oder zweirädriger e-Scooter, ein e-Mofa oder dergleichen, ausgebildet sein. Die Erfindung ist ebenso anwendbar auf andere Anwendungen im Bereich der Micro-Mobilitäts-Anwendungen wie z.B. e-kick-Scooter, Monowheels oder andere nicht typzugelassener Fahrzeuge mit fest oder austauschbar im Fahrzeug verbauten Akkupacks. Unter einem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug soll daher auch ein Fahrzeug verstanden werden, dass eine Antriebseinheit zur Unterstützung des Fahrers bzw. einen elektromotorischen Teilantrieb aufweist.
Als elektrische Verbraucher können im Kontext der Erfindung zudem akkubetriebene Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann die Werkzeugmaschine sowohl als Handwerkzeugmaschine als auch als stationäre Werkzeugmaschine ausgebildet sein. Zudem kann der Akkupack in der Werkzeugmaschine fest integriert oder werkzeuglos austauschbar ausgestaltet sein. Typische Elektrowerkzeuge sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen, Kreis-, Tisch-, Kapp- und Stichsägen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch akkubetriebene Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Gebläse, Roboter-Breaker und -Bagger oder dergleichen in Frage. Weiterhin ist die Erfindung auf akkubetriebene Messgeräte, wie Laser-Entfernungsmesser oder -Nivelliergeräte, Wandscanner, etc. sowie Haushaltsgeräte, wie Staubsauger, Mixer und Campingzubehör, wie akkubetriebene Kühl- oder Heizgeräte, Kaffeemaschienen etc., anwendbar. Zudem ist die Erfindung auf elektrische Verbraucher anwendbar, die zur Erzielung einer hohen Laufzeit und/oder Leistungsfähigkeit gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Wechselakkupacks versorgt werden.
Der elektrische Verbraucher kann zum Antrieb einen mittels einer Leistungsendstufe per Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuerten bürstenlosen Gleichstrommotor (EC- oder BLDC-Motor) aufweisen. Ebenso sind ohne Einschränkung der Erfindung andere Arten von Elektromotoren, wie bürstenbehaftete DC-Motoren oder Wechselstrommotoren sowie induktive, kapazitive und/oder ohmsche Lasten denkbar, die elektrisch über den elektrochemischen Energiespeicher mit Energie versorgt werden. Diese sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen werden soll.
Der elektrochemische Energiespeicher kann im elektrischen Verbraucher fest integriert oder als werkzeuglos lösbarer Wechselakkupack ausgebildet sein. Im Falle eines Wechselakkupacks kann zudem vorgesehen sein, dass dieser sowohl im mit dem Verbraucher verbundenen Zustand als auch im vom Verbraucher getrennten Zustand aufladbar ist. Speziell kann auch einer Anwendung entsprechend das Entladen durch die Anwendung bzw. der Gebrauch der Anwendung unterbunden werden, wenn der Wechselakkupack geladen wird, z.B. in elektrisch angetriebenen/unterstützten Fahrzeugen. Die Batteriespannung eines typischen elektrochemischen Energiespeichers ist in der Regel ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle des Energiespeichers und ergibt sich aus der Verschaltung (parallel und/oder seriell) der einzelnen Energiespeicherzellen. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzellen, z.B. Li-Ion, Li-Polymer, Li-Metall, Na-Ionen oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für elektrochemische Energiespeicher mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-lon-Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft nominelle Batteriespannungen von 3,6 V, 18 V, 36 V, 54 V, etc. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energiespeicherzellen und des Energiespeichers abhängig, sondern kann auf beliebige elektrochemische Energiespeicher und Energiespeicherzellen, z.B. neben Rundzellen auch Pouchzellen oder dergleichen, mit Batteriespannungen von 36 V, 48 V, 52 V oder dergleichen angewendet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schnittstellenmodul eine Elektronikeinheit aufweist, die ein über die zumindest eine zweite universelle Schnittstelle übertragenes universelles Lade- oder Endladeprotokoll in ein für den Lade- oder Entladevorgang des mit der ersten Schnittstelle verbundenen elektrochemischen Energiespeichers notwendiges, insbesondere proprietäres, Lade- oder Entladeprotokoll übersetzt und umgekehrt. Mit besonderem Vorteil erlaubt dies das Starten des Lade- und Entladevorgangs über die zweite universelle Schnittstelle. Andernfalls könnten mögliche schwerwiegende Sicherheitsvorkommnisse auftreten, die zu beträchtlichen Schäden an dem elektrischen Verbraucher und/oder dem elektrochemischen Energiespeicher führen können. Die Übertragung der Protokolle erfolgt dabei bevorzugt über elektrische Daten- bzw. Signalkontakte der ersten und der zweiten Schnittstelle.
Die Elektronikeinheit prüft vor dem Ladevorgang des elektrochemischen Energiespeichers, ob eine an der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle anliegende Gleichspannung und/oder ein fließender Gleichstrom der externen Konstantspannungs- oder -stromquelle größer oder gleich einer maximalen Batteriespannung und/oder eines maximalen Batteriestroms für den elektrochemischen Energiespeicher ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der elektrochemische Energiespeicher während des Ladevorgangs nicht überlastet wird, da die Elektronikeinheit den Ladevorgang erst freigibt, wenn die maximalen Grenzwerte nicht überschritten sind. Entsprechend stellt die Elektronikeinheit vor dem Start des Entladevorgangs über die zumindest eine zweite universelle Schnittstelle die Batteriespannung und/oder den Batteriestrom in Abhängigkeit von einer Versorgungsspannung und/oder eines Versorgungsstroms des mit der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle verbundenen, weiteren elektrischen Verbrauchers ein, um den angeschlossenen elektrischen Verbraucher vor etwaigen Beschädigungen zu schützen. Die entsprechenden Grenzwerte werden analog den Lade- und/oder Entladeprotokollen über entsprechende, elektrische Daten- bzw. Signalkontakte der ersten und der zweiten Schnittstelle übertragen.
Ergänzend weist das Schnittstellenmodul einen DC/DC-Wandler auf, der von der Elektronikeinheit derart angesteuert wird, dass die an der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle anliegende Gleichspannung und/oder der fließende Gleichstrom an die Batteriespannung und/oder den Batteriestrom des elektrochemischen Energiespeichers angepasst wird oder dass die vom elektrochemischen Energiespeicher bereitgestellte Batteriespannung und/oder der Batteriestrom an die Versorgungsspannung und/oder den Versorgungsstrom des mit der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle verbundenen, weiteren elektrischen Verbrauchers angepasst wird. Ein Regelung der Batteriespannung bzw. des Batteriestroms ist erforderlich, um etwaige Abweichungen zwischen der Konstantspannungs- bzw. -stromquelle und dem elektrochemischen Energiereicher einerseits und dem elektrochemischen Energiereicher und dem weiteren elektrischen Verbraucher andererseits auszugleichen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Elektronikeinheit den Lade- und/oder Entladevorgang mittels zumindest eines im Schnittstellenmodul, im elektrochemischen Energiespeicher und/oder im elektrischen Verbraucher gemessenen Betriebsparameters überwacht. In bevorzugter Weise ist der zumindest eine Betriebsparameter als eine gemessene Ist-Spannung, eine maximale Batteriespannung, ein gemessener Ist-Strom, ein Stromintegral, ein maximaler Batteriestrom, eine Ist-Temperatur, eine obere und/oder untere Grenztemperatur, eine Information über einen Codierwiderstand bzw. andere Werte zur Identifikation des elektrochemischen Energiespeichers ausgebildet. Es ist möglich, im Falle mehrerer zur Überwachung herangezogener Betriebsparameter, weitere als Signal- oder Datenkontakte ausgebildete Kontakte der Schnittstellen zu nutzen. Sämtliche Datensignale können - wie eingangs erwähnt - alternativ auch über die elektrischen Energiekontakte der Schnittstellen im Sinne einer Powerline Communication übertragen werden. Entsprechende Verfahren zur Powerline Communication sind dem Fachmann bekannt und sollen hier nicht weiter ausgeführt werden.
Neben der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle können noch weitere universelle Schnittstellen zur insbesondere parallelen Verbindung mit entsprechenden universellen Gegenschnittstellen weiterer Konstantspannungs- oder -stromquellen und/oder weiterer elektrischer Verbraucher vorgesehen sein. Dies ermöglicht mit besonderem Vorteil einerseits ein Laden mit höheren Ladeströmen, beispielsweise für eine Schnellladefunktion, und andererseits die gleichzeitige Nutzung mehrerer unterschiedlicher Verbraucher, wie beispielsweise eine Leuchte, ein Radio, eine Powerbank, ein Smartphone oder dergleichen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass universelle Schnittstellen, die zum Laden genutzt werden, nicht zum Entladen nutzbar sind und umgekehrt.
Um zu vermeiden, dass während eines Ladevorgangs an den ungenutzten universellen Schnittstellen eine mitunter für Menschen gefährliche Spannung anliegt oder dass es aufgrund von unvorhergesehenen Kurzschlüssen zu Beschädigungen kommt, sperrt die Elektronikeinheit diese universellen Schnittstellen, insbesondere für den Entladevorgang, wenn eine oder mehrere der universellen Schnittstellen mit einer externen Konstantspannungs- oder -stromquelle verbunden sind.
Mit besonderem Vorteil ist zumindest eine der universellen Schnittstellen als eine USB-C-Schnittstelle ausgebildet. Insbesondere in Verbindung mit „USB-C next generation" können dann Batteriespannungen von bis zu 48 V und Ladeströme von 4 bis 5 A über die universelle Schnittstelle erzielt werden, was vorzugsweise bei Hochleistungsenergiespeichern, wie sie z.B. in einigen EPACs, e-Bikes oder e-Rollern zum Einsatz kommen, entsprechend schnelle Ladevorgänge bewirkt.
Ergänzend oder alternativ ist zumindest eine der universellen Schnittstellen als eine CHAdeMO-EPAC-Schnittstelle mit zwei Energieversorgungskontakten und bevorzugt drei Signal- bzw. Datenkontakten ausgebildet. Mit besonderem Vorteil können über die Energieversorgungskontakte der CHAdeMO-EPAC-Schnittstelle hohe Gleichspannungen und -ströme bereitgestellt werden, während die Signal- bzw. Datenkontakte zur parallelen Übertragung mehrerer der oben erwähnten Betriebsparameter und des Ladeprotokolls dienen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der weiteren, universellen Schnittstellen als eine drahtlose, insbesondere induktive, Schnittstelle mit zumindest einer Primärspule zur Energieübertragung, insbesondere nach dem gegebenenfalls weiterentwickelten Qi- oder Ki-Standard bzw. einem auf dem WPP aufsetzend für Elektroleichtfahrzeuge adaptierten Protokoll, ausgebildet ist. Die Übertragung des Lade- oder Entladeprotokolls und/oder der Betriebsparameter kann dann per Near Field Communication (NFC) mittels einer separaten Datenspule erfolgen. Da immer mehr Smartphones nach dem Qi-Standard geladen werden können, erlaubt dies eine sehr universelle Nutzbarkeit des Schnittstellenmoduls.
Zum drahtlosen Datenaustausch mit einem externen Endgerät, wie beispielsweise einem Smartphone, einer Smart Watch, einem Tablet, einem PC, einem entfernten Cloud-Server oder dergleichen, weist das Schnittstellenmodul eine Kommunikationsschnittstelle auf. Auf diese Weise können zum einen die Betriebsparameter überwacht und zum anderen Einstellungen in der Elektronikeinheit hinsichtlich unterschiedlicher Ladeprofile oder dergleichen vorgenommen werden. Die Kommunikationsschnittstelle nutzt vorzugsweise WLAN, Bluetooth, BLE, ZigBee, NFC oder dergleichen zur drahtlosen Übertragung. Zur lokalen Einstellung und/oder Anzeige der unterschiedlichen Ladeprofile und/oder der Betriebsparameter ist zudem ein Human Machine Interface (HMI) im Schnittstellenmodul vorgesehen. Dabei kann das HMI beispielsweise als ein Touchdisplay, als ein Display in Verbindung mit Hardware-Tastern oder auch als eine simpel LED-Anzeige ausgebildet sein. Ebenso ist ein akustisches oder haptisches Feedback für bestimmte Einstellungen denkbar.
Ferner betrifft die Erfindung einen Adapter mit dem erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul, wobei die erste Schnittstelle des Schnittstellenmoduls als eine elektromechanische Schnittstelle zur werkzeuglos lösbaren Verbindung mit einer entsprechenden elektromechanischen Schnittstelle eines elektrochemischen Energiespeichers oder eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs, ausgebildet ist. Dabei kann die elektromechanische Schnittstelle als eine Kabelverbindung mit einem elektromechanischen Stecker oder als in einem Gehäuse des Adapters aufgenommene Führungsschienen mit elektrischen Kontakten ausgeführt sein. Da die jeweiligen proprietären Schnittstellen sehr unterschiedlich ausgebildet sind, soll hierauf im Folgenden nicht weiter im Detail eingegangen werden. Ebenso wie die erste Schnittstelle kann auch die zumindest eine zweite universelle Schnittstelle als Kabelverbindung oder als in den Adapter integrierte Buchse bzw. Stecker ausgebildet sein. Zudem sind beliebige Mischformen denkbar. Der Adapter kann mit besonderem Vorteil an eine öffentliche Ladeinfrastruktur angebunden werden und ermöglicht überdies eine Ausgestaltung als besonders kompakter Reise-Ladeadapter, der beispielswies in Satteltaschen, Handtaschen, Rucksäcken oder dergleichen mitgeführt werden kann. Unter einer „werkzeuglos lösbaren Verbindung“ soll insbesondere eine von Hand lösbare und herstellbare Verbindung verstanden werden. Da der Fachmann derartige elektromechanische Schnittstellen insbesondere für Wechselakkupacks und damit betreibbare elektrische Verbraucher hinlänglich kennt, soll hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden.
Die Erfindung betrifft auch ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul, wobei das Schnittstellenmodul fest in einem Rahmen- oder Gehäuseteil des elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere einer Antriebseinheit des elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs, integriert ist.
Ausführungsbeispiele
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 6 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen

1: ein Blockschaltbild eines Systems bestehend aus einem Ladegerät, einem elektrochemischen Energiespeicher und dem erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul in einem ersten Ausführungsbeispiel,
2: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Schnittstellenmoduls in einer weiteren Ausführungsform,
3: eine schematische Darstellung eines Systems bestehen aus einem als ein Elektrofahrrad ausgebildeten elektrischen Verbraucher mit einem als Wechselakkupack ausgebildeten elektrochemischen Energiespeicher und dem erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul in einem dritten Ausführungsbeispiel,
4: eine perspektivischen Ansicht des als Wechselakkupack ausgebildeten Energiespeichers ohne (4a) und mit (4b) dem als ein Adapter ausgebildeten erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul in einer vierten Ausführungsform,
5: eine perspektivische Ansicht des als Elektrofahrrad ausgebildeten elektrischen Verbrauchers mit fest integriertem, erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul in einer fünften Ausführungsform und
6: eine perspektivische Ansicht des als Wechselakkupacks ausgebildeten elektrochemischen Energiespeichers mit fest integriertem, erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul in einer sechsten Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems bestehend aus einem handelsüblichen Ladegerät 10, einem handelsüblichen, wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicher 12 für einen elektrischen Verbraucher 14 und dem erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul 16 in einem ersten Ausführungsbeispiel. Der elektrochemische Energiespeicher 12 kann sowohl fest in dem elektrischen Verbraucher 14 integriert sein als auch als ein lösbar mit dem elektrischen Verbraucher 14 verbindbarer Wechselakkupack 18 ausgebildet sein. Bevorzugt ist der Wechselakkupack 18 werkzeuglos - also von Hand - lösbar mit dem elektrischen Verbraucher 14 über eine erste, elektromechanische Schnittstelle 20 und eine dazu korrespondierende Gegenschnittstelle verbunden. Zu diesem Zweck verfügen die ersten, elektromechanischen Schnittstelle 20 neben nicht näher gezeigten elektrischen Kontakten zur Energieversorgung und zur Daten- bzw. Signalübertragung auch über mögliche, mechanische Kodierungen, beispielswiese in Form spezieller Gleitschienen, Kontaktanordnungen, Ausnehmungen, Vorsprünge, etc., die eine Verbindung nur in Verbindung mit den korrespondierenden mechanischen Kodierungen der Gegenschnittstelle erlauben. Da diese mechanischen Kodierungen häufig herstellerspezifisch sind, sind die ersten Schnittstellen 20 proprietär ausgebildet. Unter einer proprietären Schnittstelle 20 soll aber auch verstanden werden, dass sie im Gegensatz zu einer universellen Schnittstelle nur von einem eingeschränkten Kreis, beispielsweise einem Herstellerverbund oder einer Batterie-Allianz nutzbar ist. In diesem Zusammenhang soll unter einer universellen Schnittstelle verstanden werden, dass sie herstellerübergreifend frei nutzbar ist. Da die proprietären Schnittstellen demzufolge sehr unterschiedlich ausgestaltet sein können, soll auf ihre Ausgestaltung im Folgenden nicht detaillierter eingegangen werden. Je nach Anwendungsfall und Hersteller wird ein Fachmann daher die entsprechende proprietäre erste Schnittstelle 20 verwenden. Es kann aus Gründen des Diebstahlschutzes oder anderer Sicherheitsmaßnahmen alternativ sinnvoll sein, dass der Wechselakkupack 18 nur unter Zuhilfenahme von Spezialwerkzeug oder mittels eines mechanischen Schlüssels, aus dem elektrischen Verbraucher 14 entnehmbar ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass der Wechselakkupack 18 elektronisch im elektrischen Verbraucher 14 gesichert ist.
Der elektrochemische Energiespeicher 12 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 22 auf, die in einer Reihenschaltung und/oder in einer Parallelschaltung verschaltet sein können, wobei die Reihenschaltung eine über die Energieversorgungskontakte der ersten elektromechanischen Schnittstelle 20 abfallende Batteriespannung U_Batt des elektrochemischen Energiespeichers 12 definiert, während die Parallelschaltung einzelner Energiespeicherzellen 22 primär die Kapazität des elektrochemische Energiespeicher 12 erhöht. Es können auch einzelne aus parallel verschalteten Energiespeicherzellen 22 bestehende Zell-Cluster in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Batteriespannung U_Batt bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-Ion-Rundspeicherzellen 22 mit einer nominellen Zellspannung U_Cell von jeweils 3,6 V fallen über die Energieversorgungskontakte der ersten Schnittstelle 22 Batteriespannungen U_Batt von n - 3,6 V ab, wobei n die Anzahl der in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 22 bzw. Zell-Cluster definiert. Bei anderen elektrochemischen Energiespeicherzellen 22 kann die nominelle Zellspannung U_Cell abweichen, so dass je nach Typ und Anwendungsfall des elektrochemischen Energiespeichers 12 Batteriespannungen von 3,6 V bis 70 V und mehr möglich sind. Je nach Anzahl der in einem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 22 kann die Kapazität handelsüblicher Hochleistungsenergiespeicher 12 bis zu 14 Ah und mehr betragen, so dass beispielsweise im e-Bike-Bereich bis über 750 Wh erzielbar sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art, Bauform, Spannung, Stromlieferfähigkeit, etc. der verwendeten Energiespeicherzellen 22 abhängig, sondern kann auf eine Vielzahl unterschiedlicher Energiespeicher 12 angewendet werden.
Zur Überwachung der einzelnen, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 22 bzw. Zell-Cluster des Energiespeichers 12 kann eine nicht gezeigt SCM-Vorstufe (Single-Cell-Monitoring) vorgesehen sein, die von einer Elektronikeinheit 24 des Energiespeichers 12 angesteuert wird. Die Elektronikeinheit 24 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch denkbar, dass die Elektronikeinheit 24 aus mehreren Mikroprozessoren oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik besteht. Zudem kann die Elektronikeinheit 24 einen Speicher zur Speicherung von Betriebsparametern des Energiespeichers 12, wie beispielsweise der Batteriespannung U_Batt, den Zellspannungen U_Cell, einer Temperatur T, eines Batteriestroms I oder dergleichen aufweisen. Mittels eines im elektrochemischen Energiespeicher 12 angeordneten Temperatursensors 26, der vorzugsweise als NTC ausgebildet ist und im engen thermischen Kontakt mit mindestens einer der Energiespeicherzellen 22 steht, kann die Temperatur T des Energiespeichers 12 bzw. der Energiespeicherzellen 22 gemessen werden. Damit ein mit der ersten Schnittstelle 20 verbundenes, nicht gezeigtes Ladegerät den Energiespeicher 12 identifizieren und ggf. zum Laden freigeben kann, weist der Energiespeicher 12 einen Kodierwiderstand 28 mit einem festen Widerstandswert R_C auf. Stimmt der als weiterer Betriebsparameter ausgebildete Widerstandswert R_C des Kodierwiderstands 28 mit einem in dem Ladegerät hinterlegen Wert überein, so gibt das Ladegerät den Ladevorgang frei und lädt den Energiespeicher 12 entsprechend der in einer Look-Up-Tabelle hinterlegten Betriebsparameter, insb. dem gemessenen Batteriestrom I, einem maximalen Batteriestrom I_Batt,max, der gemessenen Batteriespannung U_Batt, einer maximalen Batteriespannung U_Batt,max, der gemessenen Temperatur T, einem zulässigen Temperaturbereich, etc. auf. In analoger Weise kann über den Kodierwiderstand 28 oder einen nicht gezeigten, weiteren Kodierwiderstand der elektrische Verbraucher 14 den Entladevorgang des Energiespeichers 12 freigeben. Stimmen die Werte nicht überein, wird der Entladevorgang des Energiespeichers 12 gestoppt bzw. nicht erlaubt, so dass der elektrische Verbraucher 14 nicht in Betrieb genommen werden kann. Bei Übereinstimmung kann ein Bediener den elektrischen Verbraucher 14 in Betrieb nehmen. Weiterhin können zur Identifizierung bzw. zu Anpassung der Betriebsparameter auch entsprechende Lade- oder Entladeprotokolle über die erste Schnittstelle 20 übertragen werden.
In der Regel dient ein mit der ersten Schnittstelle 20 verbindbares Ladegerät zum Aufladen des Energiespeichers 12. Derartige Ladegeräte müssen jedoch häufig an die Spezifikationen der mit ihnen zu ladenden Energiespeicher 12 angepasst oder flexibel anpassbar sein. Dies erfordert neben einer AC/DC-Wandlung häufig auch entsprechend teure Trenntransformatoren sowie Leistungs-, Gleichrichter- und Filterstufen. Das erfindungsgemäße Schnittstellenmodul 16 bietet diesbezüglich nun den Vorteil, dass ein besonders einfaches und kostengünstiges Ladegerät 10 zum universellen Aufladen des Energiespeichers 12 nutzbar ist. Das Ladegerät 10 weist dazu eine Konstantspannungs- oder -stromquelle 30 auf bzw. ist als eine solche ausgebildet, so dass auf die AC/DC-Wandlung, etwaige Trenntransformatoren sowie ggf. kostenintensive Leistungs-, Gleichrichter- und Filterstufen verzichtet werden kann. Derartige universalen Ladegeräte 10 bzw. Konstantspannungs- oder -stromquellen 30 sind hinlänglich als Steckernetzteile oder dergleichen bekannt und im Handel verfügbar, so dass hierauf nicht weiter eingegangen werden soll. Sie verfügen in der Regel über eine universelle Schnittstelle 32 in Form eines USB-Anschlusses (z.B. USB-A, USB-C) oder dergleichen, über dessen elektrische Kontakte neben der Energie auch ein bestimmtes Lade-Protokoll (PD - Power Delivery) für einen angeschlossenen elektrischen Verbraucher bzw. dessen Energiespeicher übertragbar und in einer im Ladegeräte 10 integrierten Elektronikeinheit 34 auswertbar ist.
Das erfindungsgemäße Schnittstellenmodul 16 soll nun ein derartiges universelles Ladegerät 10 zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers 12 nutzbar machen. Dazu weist es zum einen eine erste Schnittstelle 20 auf zur elektrischen Verbindung mit der entsprechenden proprietären Gegenschnittstelle 20 des elektrochemischen Energiespeichers 12. Zum Anderem ist zumindest eine zweite universelle Schnittstelle 32 vorgesehen, die mit der ersten Schnittstelle 20 derart elektrisch verbunden ist, dass eine mit der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle 32 verbundene, externe Konstantspannungs- oder - stromquelle 30 den Energiespeicher 20 aufladen kann.
Das Schnittstellenmodul 16 weist dazu eine Elektronikeinheit 36 auf, die ein über die zumindest eine zweite universelle Schnittstelle 32 übertragenes universelles Lade- oder Endladeprotokoll in ein für den Lade- oder Entladevorgang des mit der ersten Schnittstelle 20 verbundenen elektrochemischen Energiespeichers 12 notwendiges, insbesondere proprietäres, Lade- oder Entladeprotokoll übersetzt und umgekehrt. Dies ist notwendig, um etwaige schwerwiegende Sicherheitsvorkommnisse, die zu beträchtlichen Schäden an dem elektrischen Verbraucher 14 und/oder dem Energiespeicher 12 führen könnten, zu vermeiden. Dazu steuert die Elektronikeinheit 36 eine Leistungselektronik 38 des Schnittstellenmoduls 16 an, um bei Abweichungen bzw. Unstimmigkeiten den Lade- oder Entladevorgang mittels entsprechender Schaltmittel (z.B. Relais, Transistoren) unterbrechen zu können. Darüber hinaus kann die Leistungselektronik 38 weitere Filtermittel zu einer ggf. notwendigen Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) des Schnittstellenmoduls 16 aufweisen. Zudem kann vorgesehen sein, dass die Elektronikeinheit 36 vor dem Ladevorgang des elektrochemischen Energiespeichers 12 prüft, ob eine an der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle 32 anliegende Gleichspannung U_DC und/oder ein fließender Gleichstrom I_DC der externen Konstantspannungs- oder -stromquelle 30 größer oder gleich der maximalen Batteriespannung U_Batt,max und/oder des maximalen Batteriestroms I_Batt,max für den Energiespeicher 12 ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Energiespeicher 12 während des Ladevorgangs nicht überlastet wird, da die Elektronikeinheit 36 den Ladevorgang erst freigibt, wenn die maximalen Grenzwerte nicht überschritten sind.
Ein DC/DC-Wandler 40 der Leistungselektronik 38 dient darüber hinaus einer ggf. notwendigen Anpassung zwischen der von der Konstantspannungs- bzw. - stromquelle 30 bereitgestellten Gleichspannung U_DC bzw. des fließenden Gleichstroms I_DC und der zum Laden des Energiespeichers 12 benötigten Batteriespannung U_Batt bzw. des Batteriestroms I_Batt oder der zum Laden des Energiespeichers 12 erlaubten maximalen Batteriespannung U_Batt,max bzw. des maximalen Batteriestroms I_Batt,max. Die Regelung ist erforderlich bzw. vorteilhaft, da die externe Konstantspannungs- bzw. -stromquelle 30 nur eine konstante Gleichspannung U_DC bzw. einen konstanten Gleichstrom I_DC bereitstellen kann und diese nicht immer direkt zum Laden des Energiespeichers 12 geeignet sind. Zudem kann die Leistungselektronik 38 einen Temperatursensor 42 zur Erfassung der im Schnittstellenmodul 16 bzw. in der Leistungselektronik 38 auftretenden Temperatur T aufweisen, so dass die Elektronikeinheit 36 ggf. bei zu hohen Temperaturwerten den Ladevorgang unterbricht oder reduziert. Entsprechend kann die Elektronikeinheit 36 die im Energiespeicher 12 und in der dortigen Elektronikeinheit 24 gespeicherten Betriebsparameter über die erste Schnittstelle 20 empfangen und zur Regulierung des Ladevorgangs speichern und auswerten.
Die erste und die zumindest eine zweite universelle Schnittstelle 20, 32 können nicht nur zum Laden, sondern auch zum Entladen des Energiespeichers 12 genutzt werden. Somit ist nicht nur die Daten- bzw. Signalübertragung über die erste und die zweite Schnittstelle 20, 32 bidirektional, sondern auch der Energietransport. Aus diesem Grund wurden die Pfeile zwischen den Schnittstellen 20, 32 auch als Doppelpfeile dargestellt. Wird statt des Ladegeräts 10 ein weiterer elektrischer Verbraucher 44 mit seiner universellen Schnittstelle 32 an die zumindest eine zweite universelle Schnittstelle 32 des Schnittstellenmoduls 16 angeschlossen, so stellt die Elektronikeinheit 36 des Schnittstellenmoduls 16 vor dem Start des Entladevorgangs des Energiespeichers 12 die Batteriespannung U_Batt und/oder den Batteriestrom I_Batt mittels des DC/DC-Wandlers 40 in Abhängigkeit von einer Versorgungsspannung U_Load und/oder eines Versorgungsstroms I_Load des weiteren elektrischen Verbrauchers 44, insbesondere eines im weiteren elektrischen Verbraucher integrierten Energiespeichers 46, ein, um den angeschlossenen elektrischen Verbraucher vor etwaigen Beschädigungen zu schützen. Entsprechend sind sämtliche für den Ladevorgang mittels der Leistungselektronik 38 durchführbaren Schutzmaßnahmen auch für den Entladevorgang möglich.
Optional kann das Schnittstellenmodul 16 eine zusätzliche universelle Schnittstelle 32 aufweisen, die als eine drahtlose, insbesondere induktive, Schnittstelle 48 mit zumindest einer Primärspule 50 zur Energieübertragung, insbesondere nach dem Qi-Standard, Ki-Standard bzw. einem weiterentwickelten Protokoll auf deren Basis ausgebildet ist. Die Übertragung des Lade- oder Entladeprotokolls und der Betriebsparameter kann dann per Near Field Communication (NFC) mittels einer separaten Datenspule 52 erfolgen, die bevorzugt konzentrisch innerhalb der Primärspule 50 angeordnet ist. Auf diese Weise kann z.B. der Energiespeicher 46 eines als Smartphone ausgebildeten weiteren elektrischen Verbrauchers 44 über das Schnittstellenmodul 16 induktiv geladen werden.
Zum drahtlosen Datenaustausch mit einem externen Endgerät 54, wie beispielsweise einem Smartphone, einer Smart Watch, einem Tablet, einem PC, einem entfernten Cloud-Server oder dergleichen, weisen das Schnittstellenmodul 16 und das externe Endgerät 54 jeweils eine Kommunikationsschnittstelle 56 auf. Auf diese Weise können zum einen per App die Betriebsparameter überwacht und zum anderen Einstellungen in der Elektronikeinheit 36 hinsichtlich unterschiedlicher Ladeprofile, einem zeitgesteuerten Laden oder Entladen, einem Winter-/Transport-/Lagermodus (Entladen des Energiespeichers 12 auf 50%/30%) oder dergleichen vorgenommen werden. Die Kommunikationsschnittstelle 56 nutzt vorzugsweise WLAN, Bluetooth, BLE, ZigBee, NFC oder dergleichen zur drahtlosen Übertragung. Entsprechende Kommunikationsschnittstellen 56 können auch im Energiespeicher 12, im elektrischen Verbraucher 14 und/oder im weiteren elektrischen Verbraucher 44 vorgesehen sein.
Zur lokalen Einstellung und/oder Anzeige der unterschiedlichen Ladeprofile, Betriebsparameter und/oder des Ladezustands des Energiespeichers 12 ist zudem ein Human Machine Interface (HMI) 58 im Schnittstellenmodul 16 vorgesehen. Dabei kann das HMI 58 beispielsweise als ein Touchdisplay, als ein Display in Verbindung mit Hardware-Tastern oder auch als eine simpel LED-Anzeige ausgebildet sein. Ebenso ist ein akustisches oder haptisches Feedback für bestimmte Einstellungen denkbar.
Weiterhin kann das Schnittstellenmodul Zusatzfunktionen 60 beispielsweise in Gestalt einer Taschenlampe, eines integrierten Radios, einer lokalen Wetterstation (Messung von Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Helligkeit, etc.), eines Datenhubs oder dergleichen aufweisen.
2 zeigt das Schnittstellenmodul in einer weiteren Ausführungsform. Es weist eine Mehrzahl von insgesamt sechs universellen Schnittstellen 32 zur insbesondere parallelen Verbindung mit entsprechenden universellen Gegenschnittstellen weiterer Konstantspannungs- oder -stromquellen 30 und/oder weiterer elektrischer Verbraucher 44 auf. Dies ermöglicht mit besonderem Vorteil einerseits ein Laden mit höherem Batteriestrom I_Batt, beispielsweise für eine Schnellladefunktion, und andererseits die gleichzeitige Nutzung mehrerer unterschiedlicher Verbraucher 44, wie beispielsweise eine Leuchte, ein Radio, eine Powerbank, ein Smartphone oder dergleichen.
Um zu vermeiden, dass während eines Ladevorgangs an den ungenutzten universellen Schnittstellen 32 eine mitunter für Menschen gefährliche Spannung anliegt oder dass es aufgrund von unvorhergesehenen Kurzschlüssen zu Beschädigungen kommt, sperrt die Elektronikeinheit 36 diese universellen Schnittstellen mittels der Leistungselektronik 38, insbesondere für den Entladevorgang, wenn eine oder mehrere der universellen Schnittstellen 32 mit einer externen Konstantspannungs- oder -stromquelle 30 verbunden sind.
Drei der sechs universellen Schnittstellen 32 sind jeweils als eine USB-C-Schnittstelle 62 ausgebildet. Insbesondere in Verbindung mit „USB-C next generation“ kann auf diese Weise eine Batteriespannung U_Batt von bis zu 48 V und ein Batteriestrom I_Batt von 4 bis 5 A über die universelle Schnittstelle 32 bereitgestellt werden, was vorzugsweise bei einem als Hochleistungsenergiespeicher ausgebildeten elektrochemischen Energiespeicher 32, wie er z.B. in einigen EPACs bzw. e-Bikes zum Einsatz kommt, entsprechend schnelle Ladevorgänge ermöglicht. Die USB-C-Schnittstellen 62 können sowohl zum Laden als auch zum Entladen des über ein Kabel 72 mit der ersten Schnittstelle 20 verbundenen Energiespeichers 12 genutzt werden.
Zwei weitere universelle Schnittstellen 32 des Schnittstellenmoduls 16 sind als eine USB-A-Schnittstelle 64 ausgebildet. Da über eine derartige universelle Schnittstelle 32 nur eine beschränkte elektrische Leistung übertragbar ist, werden die USB-A-Schnittstellen 64 vorzugsweise nur zum Entladen des Energiespeichers 32 und/oder zur Datenübertragung für entsprechende elektrische Verbraucher 44 genutzt. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass das Schnittstellenmodul 16 als ein Datenhub für die USB-C-Schnittstellen 62 und die USB-A-Schnittstellen 64 dient.
Um auch ein Laden über öffentliche Ladepunkte zu ermöglichen, ist eine der universellen Schnittstellen 32 als eine CHAdeMO-EPAC-Schnittstelle 66 mit zwei Energieversorgungskontakten 68 und vorzugsweise drei Signal- bzw. Datenkontakten 70 ausgebildet. Mit besonderem Vorteil können über die Energieversorgungskontakte 68 der CHAdeMO-EPAC-Schnittstelle 66 hohe Gleichspannungen U_DC und -ströme I_DC bereitgestellt werden, während die Signal- bzw. Datenkontakte 70 zur parallelen Übertragung mehrerer der oben erwähnten Betriebsparameter und des Ladeprotokolls dienen. Neben den gezeigten universellen Schnittstellen 32, sind auch andere Arten von universellen Schnittstellen 32 zur Energie- und/oder Datenübertragung im Schnittstellenmodul 16 denkbar.
In 3 ist eine schematische Darstellung eines System gezeigt, das aus dem als ein Elektrofahrrad 74 ausgebildeten elektrischen Verbrauchers 14 mit dem als Wechselakkupack 18 ausgebildeten elektrochemischen Energiespeicher 12, dem Ladegerät 10 mit der Konstantspannungs- bzw. -stromquelle 30 und dem erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul 16 gezeigt. Das Elektrofahrrad 74 kann beispielsweise als ein Pedelec, als ein e-Bike oder dergleichen ausgebildet sein.
Das Elektrofahrrad 74 weist ein Gehäuse in Form eines Rahmens 76 mit zwei im Rahmen 76 gelagerten Rädern 78 auf. Mit dem Rahmen 76 ist zudem der Wechselakkupack 18 über eine Verbindungsvorrichtung 80 lösbar verbunden. Zudem weist das Elektrofahrrad 74 eine Antriebseinheit 82 auf, die einen vorzugsweise als EC- bzw. BLDC-Motor ausgebildeten Elektromotor 84 in Form eines Mittelmotors umfasst. Statt eines Mittelmotor kann alternativ auch ein Nabenmotor in einem der Räder 78 zum Einsatz kommen. Das Elektrofahrrad 74, insbesondere dessen Antriebseinheit 82, wird über den Wechselakkupack 18 mit Energie versorgt. Die Antriebseinheit 82 umfasst eine Elektronikeinheit (nicht dargestellt) zur Steuerung oder Regelung des Elektrofahrrads 74, insbesondere des Elektromotors 84. Die Elektronikeinheit ist ferner mit einer Sensoreinheit (nicht dargestellt) verbunden, die beispielhaft mehrere Sensorelemente, wie einen Drehmomentsensor, einen Bewegungssensor, beispielsweise in Form eines Beschleunigungssensors, und einen Magnetsensor umfasst. Das Elektrofahrrad 74 weist weiterhin eine Tretkurbel 86 mit einer Tretkurbelwelle 88 auf. Die Elektronikeinheit, die Antriebseinheit 82 mit dem Elektromotor 84 und die Tretkurbelwelle 88 sind in einem mit dem Rahmen 76 verbundenen Antriebsgehäuse 90 angeordnet.
Die Antriebsbewegung des Elektromotors 84 wird vorzugsweise über ein Getriebe (nicht dargestellt) auf die Tretkurbelwelle 88 übertragen, wobei die Intensität der Unterstützung durch die Antriebseinheit 82 mittels der Elektronikeinheit gesteuert oder geregelt wird. Die Elektronikeinheit ist dazu ausgebildet, die Antriebseinheit 82 derart anzusteuern, dass ein Fahrer des Elektrofahrrads 74 beim Treten unterstützt wird. Vorzugsweise ist die Elektronikeinheit durch den Fahrer bedienbar ausgebildet, sodass der Fahrer den Unterstützungsgrad einstellen kann.
Das Elektrofahrrad 74 umfasst zudem beispielhaft einen Bordcomputer 92, der an einem Lenker 94 des Elektrofahrrads 74 angeordnet ist. Der Bordcomputer 92 ist beispielhaft teilweise lösbar mit dem Elektrofahrrad 74 ausgebildet. Der Bordcomputer 92 umfasst ein HMI, das zur Anzeige von Informationen und zur Steuerung des Bordcomputer 92 und/oder des Elektrofahrrads 74 bzw. der Antriebseinheit 82 dient. Das HMI ist beispielhaft als ein Touchscreen oder dergleichen ausgebildet. Der Bordcomputer 92 ist mit der Antriebseinheit 82 zum Austausch von Informationen und Befehlen verbunden. Beispielsweise ist über das HMI eine von der Elektronikeinheit der Antriebseinheit 82 ermittelte Geschwindigkeit, ein eingestellter Unterstützungsgrad des Elektromotors 84, eine Routeninformation einer im Bordcomputer 92 integrierten Navigationseinheit oder ein Ladezustand des Wechselakkupacks 18 anzeigbar.
Entsprechend der Beschreibung zu den 1 und 2 kann nun der Wechselakkupack 18 mittels der Konstantspannungs- bzw. -stromquelle 30 des Ladegeräts 10 und dem erfindungsgemäßen Schnittstellenmodul 16 geladen werden. Dazu wird das Schnittstellenmodul 16 einerseits über zumindest eine der universellen Schnittstellen 32 mit dem Ladegerät 10 - beispielsweise mittels eines geeigneten USB-C-Kabels 96 - und andererseits über die erste proprietäre Schnittstelle 20 und dem mit der Schnittstelleneinheit 16 fest verbundenen Kabel 72 verbunden.
In 4 ist der als Wechselakkupack 18 ausgebildete elektrochemische Energiespeicher 12 für den als Elektrofahrrad 74 ausgebildeten elektrischen Verbraucher 14 in einer perspektivischen Teilansicht gezeigt. Der Wechselakkupack 18 weist ein Gehäuse 98 auf, das beispielhaft aus mehreren Gehäuseteilen ausgebildet ist. In dem Gehäuse 98 ist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 22 (nicht gezeigt) mittels zumindest eines Zellenhalters (nicht gezeigt) angeordnet. Zudem ist in dem Gehäuse 98 des Wechselakkupack 18 die in 1 beschriebene Elektronikeinheit 24 für das Battery Management System (BMS) und ggf. zumindest einen der Temperatursensoren 26, 28 sowie die Kommunikationsschnittstelle 56 aufgenommen. An einer ersten Außenseite des Gehäuses 98 ist ein HMI 100 als Ladezustands- und Fehleranzeige vorgesehen. Gemäß 4a befindet sich an einer weiteren Außenseite des Gehäuses 98 die proprietäre elektromechanische Schnittstelle 20, über deren elektrische Kontakte der Wechselakkupack 18 einerseits mit einem speziellen Ladegerät geladen und andererseits mittels des Elektrofahrrads 74 entladen werden kann. Dazu weisen das spezielle Ladegerät und das Elektrofahrrad 74 jeweils die entsprechend korrespondierenden Gegenschnittstellen 20 auf. Zudem sind weitere elektrische Kontakte der proprietären elektromechanischen Schnittstellen 20 als Daten- bzw. Signalkontakte zur Übertragung der Betriebsparameter und der entsprechenden Lade- bzw. Entladeprotokolle vorgesehen. Die elektrischen Kontakte können beispielsweise als federnde Kontaktelemente in Form von Kontakttulpen oder als Flachkontakte in Form von Kontaktklingen ausgebildet sein.
4b zeigt das auf die proprietäre Schnittstelle 20 aufgesteckte Schnittstellenmodul 16 in der Ausgestaltung eines Adapters 102 mit einem eigenständigen Gehäuse 104. Das Gehäuse 104 kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein und umgibt sämtliche elektronischen Komponenten des Schnittstellenmoduls 16 (vgl. 1) vollständig, um sie vor Feuchtigkeit und Schmutz zu schützen. Vorzugsweise ist das Gehäuse 104 aus Kunststoff gefertigt. Es sind aber auch andere Materialien, wie Metall, Holz, Keramikverbundstoffe oder dergleichen denkbar. An einer ersten Außenseite des Gehäuses 104 ist die proprietäre Schnittstelle 20 (nicht sichtbar) zur werkzeuglos lösbaren Verbindung mit der proprietären Schnittstelle 20 des Wechselakkupacks 18 vorgesehen. Zur Fixierung des Adapters 102 am Wechselakkupack 18 ist eine Arretiervorrichtung 106 vorgesehen, die bei aufgestecktem Adapter 102 in Eingriff mit entsprechenden Fixierelementen der proprietären Schnittstelle 20 des Wechselakkupacks 18 tritt. Um den Adapter 102 werkzeuglos lösen zu können, ist an einer weiteren Außenseite des Adapters 102 ein Betätigungsknopf 108 vorgesehen, der bei entsprechender Betätigung die Arretiervorrichtung 106 löst, so dass der Adapter 102 von der proprietären Schnittstelle 20 des Wechselakkupacks 18 abgezogen werden kann.
An zumindest einer dritten Außenseite des Gehäuses 104 sind die universellen Schnittstellen 32 derart angeordnet, dass sie bei auf dem Wechselakkupack 18 aufgestecktem Adapter 102 frei zugänglich sind. Beispielhaft sind zwei universelle USB-C-Schnittstellen 62 und eine universelle CHAdeMO-EPAC-Schnittstelle 66 vorgesehen. Der Adapter kann mit besonderem Vorteil über die CHAdeMO-EPAC-Schnittstelle 66 an eine öffentliche Ladeinfrastruktur angebunden werden. Alternativ ist auch ein Laden über die USB-C-Schnittstellen 62 möglich. Diese können zudem auch zum Entladen des Wechselakkupacks 18 im Sinne einer Powerbank für weitere elektrische Verbraucher 44 (vgl. 1) genutzt werden. Der Adapter 102 kann besonders kompakt als Reise-Adapter ausgestaltet sein, um ihn beispielswies in Satteltaschen, Handtaschen, Rucksäcken oder dergleichen mitführen zu können.
Weiterhin kann der Adapter 102 auch derart ausgestaltet sein, dass er über die proprietäre Schnittstelle 20 direkt mit einer entsprechenden Gegenschnittstelle 20 des Elektrofahrrads 74 zu dessen Versorgung verbindbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Elektrofahrrad 74 einen fest eingebauten elektrochemischen Energiespeicher 12 aufweist.
5 zeigt ein derartiges Elektrofahrrad 74 mit fest eingebautem elektrochemischen Energiespeicher 12. Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen ist das Schnittstellenmodul 16 nun vollständig im Rahmen 76 des Elektrofahrrads 74 integriert. Zum Laden und Entladen des Energiespeichers 12 über das Schnittstellenmodul 16 weist das Elektrofahrrad 74 nun direkt zwei universelle Schnittstellen 32 auf. Diese sind beispielhaft als USB-C-Schnittstellen 62 ausgebildet, wobei eine erste USB-C-Schnittstelle 62 im Rahmen 76 des Elektrofahrrads 74 und eine zweite USB-C-Schnittstelle im Antriebsgehäuse 90 der Antriebseinheit 82 angeordnet ist. Da sowohl der Energiespeicher 12 als auch das Schnittstellenmodul 16 fest im Rahmen 76 des Elektrofahrrads 74 integriert sind, kann auf die proprietären Schnittstellen 20 verzichtet werden. Stattdessen können Energiespeicher 12 und Schnittstellenmodul 16 fest miteinander verdrahtet sein. Nichtsdestotrotz soll der Begriff „Schnittstellenmodul“ auch hier verwendet werden, weil immer noch eine entsprechende Übersetzung der Lade- und Entladeprotokolle für die universellen Schnittstellen 32 erforderlich ist. Auch sonst unterscheidet sich das Schnittstellenmodul 16 gemäß 5 in seiner Funktionalität nicht von den in den 1 bis 4 beschriebenen Ausgestaltungsformen des Schnittstellenmoduls 16.
In 6 ist eine weitere Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Schnittstellenmoduls 16 gezeigt. In diesem Fall ist es direkt im Wechselakkupack 18 integriert. Zusätzlich zur proprietären Schnittstelle 20 weist der Wechselakkupack 18 nun beispielshaft noch zwei universelle Schnittstellen 32 in Form von USB-C-Anschlüssen 62 auf. Somit kann der Wechselakkupack 18 wahlweise über die universellen Schnittstellen 32 unmittelbar mit einer geeigneten Konstantspannungs- oder -stromquelle 30 oder im ausgebauten Zustand über die proprietäre Schnittstelle 20 mit einem geeigneten Ladegerät geladen werden. Die universellen Schnittstellen 32 erlauben demnach im Unterschied zur proprietären Schnittstelle 20 auch das Laden im mit dem Rahmen 76 des Elektrofahrrads 74 verbundenen Zustand. Zudem können die universellen Schnittstellen 32 zum Entladen des Wechselakkupacks 18 im Sinne einer Powerbank für zumindest einen weiteren elektrischen Verbraucher 44 genutzt werden.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 6 noch auf die genannten Werte und die gezeigten Größenverhältnisse beschränkt sind. So wurden insbesondere die universellen Schnittstellen 32 zur besseren Erkennbarkeit nicht maßstabsgetreu dargestellt.

Claims

Schnittstellenmodul (16) zum Laden und Entladen eines elektrochemischen Energiespeichers (12) für einen elektrischen Verbraucher (14), insbesondere für ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74), mit einer ersten Schnittstelle (20) und zumindest einer mit der ersten Schnittstelle (20) elektrisch verbundenen, zweiten Schnittstelle (32), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schnittstelle (20) derart, insbesondere proprietär, ausgebildet ist, dass das Schnittstellenmodul (16) mit einer entsprechenden Gegenschnittstelle (20) des elektrochemischen Energiespeichers (12) verbindbar ist, und dass die zumindest eine zweite Schnittstelle (32) derart universell ausgebildet ist, dass das Schnittstellenmodul (16) zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers (12) mit einer entsprechenden Gegenschnittstelle (32) einer externen Konstantspannungs- oder -stromquelle (30) und zum Entladen des elektrochemischen Energiespeichers (12) mit einer entsprechenden Gegenschnittstelle (32) eines weiteren elektrischen Verbrauchers (44) verbindbar ist.
Schnittstellenmodul (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnittstellenmodul (16) eine Elektronikeinheit (24) aufweist, die ein über die zumindest eine zweite universelle Schnittstelle (32) übertragenes universelles Lade- oder Endladeprotokoll in ein für den Lade- oder Entladevorgang des mit der ersten Schnittstelle (20) verbundenen elektrochemischen Energiespeichers (12) notwendiges, insbesondere proprietäres, Lade- oder Entladeprotokoll übersetzt und umgekehrt.
Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (24) vor dem Ladevorgang des elektrochemischen Energiespeichers (12) prüft, ob eine an der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle (32) anliegende Gleichspannung (U_DC) und/oder ein fließender Gleichstrom (I_DC) der externen Konstantspannungs- oder -stromquelle (30) größer oder gleich einer maximalen Batteriespannung (U_Batt,max) und/oder eines maximalen Batteriestroms (I_Batt,max) für den elektrochemischen Energiespeicher (12) ist.
Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Elektronikeinheit (24) zum Entladen des elektrochemischen Energiespeichers (12) über die zumindest eine zweite universelle Schnittstelle (32) eine Batteriespannung (U_Batt) und/oder ein Batteriestrom (I_Batt) in Abhängigkeit von einer Versorgungsspannung (U_Load) und/oder eines Versorgungsstroms (I_Laod) des mit der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle (32) verbundenen, weiteren elektrischen Verbrauchers (44) einstellbar ist.
Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnittstellenmodul (16) einen DC/DC-Wandler (40) aufweist, der von der Elektronikeinheit (24) derart angesteuert wird, dass die an der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle (32) anliegende Gleichspannung (U_DC) und/oder der fließende Gleichstrom (I_DC) an die Batteriespannung (U_Batt) und/oder den Batteriestrom (I_Batt) des elektrochemischen Energiespeichers (12) angepasst wird oder dass die vom elektrochemischen Energiespeicher (12) bereitgestellte Batteriespannung (U_Batt) und/oder der Batteriestrom (I_Batt) an die Versorgungsspannung (U_Laod) und/oder den Versorgungsstrom (I_Load) des mit der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle (32) verbundenen, weiteren elektrischen Verbrauchers (44) angepasst wird.
Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (24) den Lade- und/oder Entladevorgang mittels zumindest eines im Schnittstellenmodul (16), im elektrochemischen Energiespeicher (12) und/oder im elektrischen Verbraucher (14, 44) gemessenen Betriebsparameters überwacht.
Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der zumindest einen zweiten universellen Schnittstelle (32) noch weitere universelle Schnittstellen (32) zur insbesondere parallelen Verbindung mit entsprechenden universellen Gegenschnittstellen (32) weiterer Konstantspannungs- oder -stromquellen (30) und/oder weiterer elektrischer Verbraucher (44) vorgesehen sind.
Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (24) alle ungenutzten universellen Schnittstellen (32), insbesondere für den Entladevorgang, sperrt, wenn zumindest eine der universellen Schnittstellen (32) mit einer externen Konstantspannungs- oder -stromquelle (30) verbunden ist.
Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der universellen Schnittstellen (32) als eine USB-C-Schnittstelle (62) ausgebildet ist.
Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der universellen Schnittstellen (32) als eine CHAdeMO-EPAC-Schnittstelle (66) mit zwei Energieversorgungskontakten (68) und vorzugsweise drei Signal- bzw. Datenkontakten (70) ausgebildet ist.
Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der weiteren, universellen Schnittstellen (32) als eine drahtlose, insbesondere induktive, Schnittstelle (48) mit zumindest einer Primärspule (50) zur Energieübertragung, insbesondere nach dem Qi- oder Ki-Standard, ausgebildet ist.
Schnittstellenmodul (16) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung des Lade- oder Entladeprotokolls und/oder der Betriebsparameter über die drahtlose, insbesondere induktive, Schnittstelle (48) per Near Field Communication mittels einer separaten Datenspule (52) erfolgt.
Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnittstellenmodul (16) eine Kommunikationsschnittstelle (56) zum drahtlosen Austausch von Signalen bzw. Daten mit einem externen Endgerät (54) aufweist.
Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnittstellenmodul (16) ein Human Machine Interface (58) zur Einstellung und/oder Anzeige der Betriebsparameter und/oder unterschiedlicher Ladeprofile der Elektronikeinheit (24) aufweist.
Adapter (102) mit einem Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, insbesondere proprietäre, Schnittstelle (20) des Schnittstellenmoduls (16) als eine elektromechanische Schnittstelle zur werkzeuglos lösbaren Verbindung mit einer entsprechenden elektromechanischen Schnittstelle (20) eines elektrochemischen Energiespeichers (12) oder eines elektrischen Verbrauchers (14), insbesondere eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs (74), ausgebildet ist.
Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) mit einem Schnittstellenmodul (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnittstellenmodul (16) fest in einem Rahmen- oder Gehäuseteil (76, 90) des elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs (74), insbesondere einer Antriebseinheit (82) des elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs (74), integriert ist.