DE102022207060A1 - Electric motor driven vehicle - Google Patents

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DE102022207060A1 DE102022207060.7A DE102022207060A DE102022207060A1 DE 102022207060 A1 DE102022207060 A1 DE 102022207060A1 DE 102022207060 A DE102022207060 A DE 102022207060A DE 102022207060 A1 DE102022207060 A1 DE 102022207060A1
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Alexander Spaeth
Thilo Koeder
Fabian Ebert
Achim Seidel
Daniel Monteiro Teixeira
Wolfgang Weydanz
Johannes Fischer
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74), insbesondere elektromotorisch angetriebenes Ein- oder Zweirad, mit einem mit dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug (74) lösbar verbindbaren oder in dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug (74) fest integrierten elektrochemischen Energiespeicher (12, 18). Es wird vorgeschlagen, dass das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug (74) zumindest eine universellen Schnittstelle (32) zum Laden und Entladen des elektrochemischen Energiespeichers (12, 18) aufweist.The invention relates to an electric motor-driven vehicle (74), in particular an electric motor-driven one-wheeler or two-wheeler, with an electrochemical energy storage device (12, 18) that can be detachably connected to the electric motor-driven vehicle (74) or is permanently integrated in the electric motor-driven vehicle (74). It is proposed that the electric motor-driven vehicle (74) has at least one universal interface (32) for charging and discharging the electrochemical energy storage (12, 18).

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug mit einem mit dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug lösbar verbindbaren oder in dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug fest integrierten elektrochemischen Energiespeicher nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to an electric motor-driven vehicle with an electrochemical energy storage device according to the preamble of the independent claim that can be detachably connected to the electric motor-driven vehicle or is permanently integrated in the electric motor-driven vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Eine Vielzahl elektromotorisch angetriebener Fahrzeuge wird mit wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeichern betrieben, die entsprechend durch das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug 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.A large number of electric motor-driven vehicles are operated with rechargeable electrochemical energy storage devices, which are correspondingly discharged by the electric motor-driven vehicle and can be recharged using a charger. As a rule, such energy storage devices consist of a plurality of energy storage cells connected in series and/or parallel to achieve a required battery voltage or capacity. If the energy storage cells are designed as lithium-ion cells (Li-lon), for example, a very high power and energy density can be achieved with particular advantage.

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. Weiterhin müssen die Ladegerät über spezielle und daher häufig kostenintensive Ladeelektroniken (AC/DC-Wandler, Trenntransformatoren, speziell ausgestaltete Gleichrichter- und Leistungsendstufen, etc.) verfügen.In particular, energy storage devices for high power and energy densities usually have to be charged with special chargers. For this purpose, both the chargers and the electrochemical energy storage devices have special high-performance connections as electromechanical interfaces, which are often manufacturer-specific - i.e. proprietary - because, in addition to the energy, there are also charging protocols and / or operating parameters, such as a battery voltage, a battery current, in the energy storage device measured temperature, special coding signals, etc. to monitor the charging process are transmitted from the energy storage device to the charger. The error-free interaction of the energy storage device with the charger and the application is very important, as errors can cause safety-relevant issues or even a fire in the energy storage device. Furthermore, the chargers must have special and therefore often cost-intensive charging electronics (AC/DC converters, isolation transformers, specially designed rectifier and power output stages, etc.).

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug 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.It is the object of the invention to provide an electric motor-driven vehicle that, in addition to discharging, also enables safe charging of an electrochemical energy storage device, in particular an electrochemical high-energy storage device, with an external energy source that is simple to design and therefore inexpensive.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass das elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug zumindest eine universellen Schnittstelle zum Laden und Entladen des elektrochemischen Energiespeichers aufweist.To solve the problem, it is provided that the electric motor-driven vehicle has at least one universal interface for charging and discharging the electrochemical energy storage.

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.With particular advantage, the invention enables the charging of an electrochemical energy storage device, in particular an electrochemical high-performance energy storage device, with a standardized universal charger, which can be designed as a cost-effective constant voltage or current source without complex AC/DC conversion or specially designed rectification. Examples of this would be USB plug-in power supplies, power banks or simple car charging adapters. In contrast to a charger that regulates to a fixed battery voltage using a CCCV (Constant Current Constant Voltage) charging process, for example, a constant voltage or current source only provides a specific maximum voltage or a specific maximum current.

Neben der Ladefunktion erlaubt die Entladefunktion des elektrochemischen Hochleistungsenergiespeichers über die zumindest eine 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.In addition to the charging function, the discharging function of the electrochemical high-performance energy storage device allows it to be used as a power bank via the at least one universal interface to operate one or more additional electrical consumers, such as a laptop, for charging a cell phone, a lamp, an electrical device Compressor or blower or the like.

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 elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs sowohl gleichzeitig als auch zeitlich voneinander getrennt ein Laden und Entladen des elektrochemischen Energiespeichers möglich ist. Ein gleichzeitiges Laden und Entladen ergibt sich beispielsweise, wenn parallel zum Ladegerät auch ein weiterer elektrischer Verbraucher mit einer universellen Schnittstelle des elektromotorisch angetriebene Fahrzeugs verbunden ist.The term “charging and discharging” is intended to mean that the interface module is suitable both for charging the electrochemical energy storage - i.e. for transferring energy into the energy storage - and for discharging the electrochemical energy storage - i.e. for transferring energy from the energy storage device . In particular, this can be understood to mean that charging and discharging of the electrochemical energy storage device is possible both simultaneously and separately in time by means of the electric motor-driven vehicle. Simultaneous charging and discharging occurs, for example, if another electrical consumer is connected to a universal interface of the electric motor-driven vehicle in parallel to the charger.

Das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug kann 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, Mono-wheels 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.The electric motor-driven vehicle can be, for example, an electric bicycle (e.g. EPAC - Electrically Power Assisted Cycle, e-bike, Pedelec, e-cargo bike, etc.), an electric motorcycle, a one- or two-wheeled e-scooter, an e-moped or the like , be trained. The inventor The application is also applicable to other applications in the field of micro-mobility applications such as e-kick scooters, mono-wheels or other non-approved vehicles with fixed or replaceable battery packs installed in the vehicle. An electric motor-driven vehicle should therefore also be understood to mean a vehicle that has a drive unit to support the driver or an electric motor partial drive.

Der elektrochemische Energiespeicher kann im elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug fest integriert oder als werkzeuglos lösbarer Wechselakkupack ausgebildet sein. Im Falle eines Wechselakkupacks kann zudem vorgesehen sein, dass dieser sowohl im mit dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug verbundenen Zustand als auch im vom elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug 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.The electrochemical energy storage can be permanently integrated into the electric motor-driven vehicle or designed as a removable battery pack that can be removed without tools. In the case of a removable battery pack, it can also be provided that it can be charged both when connected to the electric motor-driven vehicle and when separated from the electric motor-driven vehicle. In particular, according to an application, discharging by the application or the use of the application can be prevented when the removable battery pack is being charged, for example in electrically powered/assisted vehicles. The battery voltage of a typical electrochemical energy storage device is usually a multiple of the voltage of an individual energy storage cell of the energy storage device and results from the connection (in parallel and/or series) of the individual energy storage cells. The energy storage cells are preferably designed as lithium-based energy storage cells, for example Li-ion, Li-polymer, Li-metal, Na-ions or the like. However, the invention can also be used for electrochemical energy storage devices with Ni-Cd, Ni-MH cells or other suitable types of cells. For example, common Li-lon energy storage cells with a cell voltage of 3.6 V result in nominal battery voltages of 3.6 V, 18 V, 36 V, 54 V, etc. However, the invention is not related to the type and design of the energy storage cells used and the energy storage, but can be applied to any electrochemical energy storage and energy storage cells, e.g. in addition to round cells also pouch cells or the like, with battery voltages of 36 V, 48 V, 52 V or the like.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug eine Elektronikeinheit aufweist, die ein über die zumindest eine universelle Schnittstelle übertragenes universelles Lade- oder Endladeprotokoll in ein für den Lade- oder Entladevorgang des mit dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug 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 zumindest eine universelle Schnittstelle. Andernfalls könnten mögliche schwerwiegende Sicherheitsvorkommnisse auftreten, die zu beträchtlichen Schäden an dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug und/oder dem elektrochemischen Energiespeicher führen können. Die Übertragung der Protokolle erfolgt dabei bevorzugt über elektrische Daten- bzw. Signalkontakte der zumindest einen universellen Schnittstelle.In a further development of the invention, it is provided that the electric motor-driven vehicle has an electronic unit which converts a universal charging or discharging protocol transmitted via the at least one universal interface into an electrochemical energy storage device necessary for the charging or discharging process of the electric motor-driven vehicle. in particular proprietary, loading or unloading protocol translated and vice versa. With particular advantage, this allows the charging and discharging process to be started via the at least one universal interface. Otherwise, potentially serious safety incidents could occur that could result in significant damage to the electric motor-driven vehicle and/or the electrochemical energy storage device. The protocols are preferably transmitted via electrical data or signal contacts of the at least one universal interface.

Die Elektronikeinheit prüft vor dem Ladevorgang des elektrochemischen Energiespeichers, ob eine an der zumindest einen universellen Schnittstelle anliegende Gleichspannung und/oder ein fließender Gleichstrom einer 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 universelle Schnittstelle die Batteriespannung und/oder den Batteriestrom in Abhängigkeit von einer Versorgungsspannung und/oder eines Versorgungsstroms eines mit der zumindest einen 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 universellen Schnittstelle übertragen.Before the charging process of the electrochemical energy storage device, the electronic unit checks whether a direct voltage present at the at least one universal interface and/or a flowing direct current from an external constant voltage or current source is greater than or equal to a maximum battery voltage and/or a maximum battery current for the electrochemical energy storage device. In this way it can be ensured that the electrochemical energy storage is not overloaded during the charging process, since the electronic unit only releases the charging process when the maximum limit values have not been exceeded. Accordingly, before the start of the discharging process, the electronic unit sets the battery voltage and/or the battery current via the at least one universal interface depending on a supply voltage and/or a supply current of a further electrical consumer connected to the at least one universal interface in order to control the connected electrical To protect consumers from any damage. The corresponding limit values are transmitted analogously to the charging and/or discharging protocols via corresponding electrical data or signal contacts of the universal interface.

Ergänzend weist das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug einen DC/DC-Wandler auf, der von der Elektronikeinheit derart angesteuert wird, dass die an der zumindest einen 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 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.In addition, the electric motor-driven vehicle has a DC/DC converter, which is controlled by the electronic unit in such a way that the direct voltage and/or the flowing direct current present at the at least one universal interface is adapted to the battery voltage and/or the battery current of the electrochemical energy storage device or that the battery voltage and/or the battery current provided by the electrochemical energy storage is adapted to the supply voltage and/or the supply current of the additional electrical consumer connected to the universal interface. Regulation of the battery voltage or battery current is necessary in order to compensate for any deviations between the constant voltage or current source and the electrochemical energy source on the one hand and the electrochemical energy source and the other electrical consumer on the other hand.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die Elektronikeinheit den Lade- und/oder Entladevorgang mittels zumindest eines im elektrochemischen Energiespeicher und/oder im elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug 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.Furthermore, it is provided that the electronic unit carries out the charging and/or discharging process by means of at least one operating parameter measured in the electrochemical energy storage and / or in the electric motor-driven vehicle is monitored. Preferably, the at least one operating parameter is a measured actual voltage, a maximum battery voltage, a measured actual current, a current integral, a maximum battery current, an actual temperature, an upper and/or lower limit temperature, information about a coding resistor or other values for identifying the electrochemical energy storage.

Neben der 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.In addition to the universal interface, further universal interfaces can be provided for, in particular, parallel connection with corresponding universal counter-interfaces of further constant voltage or current sources and/or other electrical consumers. This particularly advantageously enables, on the one hand, charging with higher charging currents, for example for a quick charging function, and, on the other hand, the simultaneous use of several different consumers, such as a lamp, a radio, a power bank, a smartphone or the like. Furthermore, it can be provided that universal interfaces that are used for charging cannot be used for discharging and vice versa.

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.In order to avoid that a dangerous voltage is present at the unused universal interfaces during a charging process or that damage occurs due to unforeseen short circuits, the electronic unit blocks these universal interfaces, in particular for the discharging process, if one or more of the universal interfaces connected to an external constant voltage or current source.

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 Batterieströme 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.It is particularly advantageous for at least one of the universal interfaces to be designed as a USB-C interface. Especially in conjunction with "USB-C next generation", battery voltages of up to 48 V and battery currents of 4 to 5 A can then be achieved via the universal interface, which is preferably the case with high-performance energy storage systems, such as those found in some EPACs, e-bikes or e -Scooters are used, resulting in correspondingly fast charging processes.

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.Additionally or alternatively, at least one of the universal interfaces is designed as a CHAdeMO-EPAC interface with two power supply contacts and preferably three signal or data contacts. With particular advantage, high direct voltages and currents can be provided via the power supply contacts of the CHAdeMO-EPAC interface, while the signal or data contacts are used for the parallel transmission of several of the above-mentioned operating parameters and the charging protocol.

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.Furthermore, it can be provided that at least one of the further, universal interfaces is a wireless, in particular inductive, interface with at least one primary coil for energy transmission, in particular according to the possibly further developed Qi or Ki standard or a protocol adapted for light electric vehicles based on the WPP , is trained. The transfer of the charging or discharging protocol and/or the operating parameters can then take place via Near Field Communication (NFC) using a separate data coil. Since more and more smartphones can be charged according to the Qi standard, this allows the interface module to be very universally usable.

Zum drahtlosen Datenaustausch mit einem externen Endgerät, wie beispielsweise einem Smartphone, einer Smart Watch, einem Tablet, einem PC, einem Fahrradcomputer, einem entfernten Cloud-Server oder dergleichen, weist das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug 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 elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug vorgesehen. Dabei kann das HMI beispielsweise als ein Touchdisplay oder als ein Display in Verbindung mit Hardware-Tastern eines Bordcomputers ausgebildet sein. Ebenso ist ein akustisches oder haptisches Feedback für bestimmte Einstellungen denkbar.The electric motor-driven vehicle has a communication interface for wireless data exchange with an external device, such as a smartphone, a smart watch, a tablet, a PC, a bicycle computer, a remote cloud server or the like. In this way, on the one hand, the operating parameters can be monitored and, on the other hand, settings can be made in the electronic unit with regard to different charging profiles or the like. The communication interface preferably uses WLAN, Bluetooth, BLE, ZigBee, NFC or the like for wireless transmission. A human machine interface (HMI) is also provided in the electric motor-driven vehicle for local setting and/or display of the different charging profiles and/or operating parameters. The HMI can be designed, for example, as a touch display or as a display in conjunction with hardware buttons on an on-board computer. Acoustic or haptic feedback for certain settings is also conceivable.

AusführungsbeispieleExamples of embodiments

Zeichnungdrawing

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.The invention is explained below using the 1 until 6 explained by way of example, with the same reference numbers in the figures indicating the same components with the same functionality.

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.
Show it
  • 1 : a block diagram of a system consisting of a charger, an electrochemical energy storage device and the interface module according to the invention in a first exemplary embodiment,
  • 2 : a schematic representation of the interface module according to the invention in a further embodiment,
  • 3 : a schematic representation of a system consisting of an electrical consumer designed as an electric bicycle with an electrochemical energy storage device designed as a removable battery pack and the interface module according to the invention in a third exemplary embodiment,
  • 4 : a perspective view of the energy storage device designed as a removable battery pack without ( 4a) and with ( 4b) the interface module according to the invention designed as an adapter in a fourth embodiment,
  • 5 : a perspective view of the electrical consumer designed as an electric bicycle with a permanently integrated interface module according to the invention in a fifth embodiment and
  • 6 : A perspective view of the electrochemical energy storage designed as a removable battery pack with a permanently integrated interface module according to the invention in a sixth embodiment.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

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. 1 shows a block diagram of a system consisting of a commercially available charger 10, a commercially available, rechargeable, electrochemical energy storage 12 for an electrical consumer 14 and the interface module 16 according to the invention in a first exemplary embodiment. The electrochemical energy storage 12 can be either permanently integrated into the electrical consumer 14 or designed as a removable battery pack 18 that can be detachably connected to the electrical consumer 14. The removable battery pack 18 is preferably connected to the electrical consumer 14 in a detachable manner without tools - i.e. by hand - via a first, electromechanical interface 20 and a corresponding counter interface. For this purpose, the first electromechanical interface 20 has, in addition to electrical contacts (not shown in detail) for power supply and data or signal transmission, also possible mechanical coding, for example in the form of special slide rails, contact arrangements, recesses, projections, etc., which provide a connection only permitted in conjunction with the corresponding mechanical coding of the opposing interface. Since these mechanical codings are often manufacturer-specific, the first interfaces 20 are proprietary. A proprietary interface 20 should also be understood to mean that, in contrast to a universal interface, it can only be used by a restricted circle, for example a manufacturer group or a battery alliance. In this context, a universal interface should be understood to mean that it can be freely used across manufacturers. Since the proprietary interfaces can therefore be designed very differently, their design will not be discussed in more detail below. Depending on the application and manufacturer, a specialist will therefore use the corresponding proprietary first interface 20. For reasons of theft protection or other security measures, it may alternatively make sense for the removable battery pack 18 to be removable from the electrical consumer 14 only with the aid of special tools or a mechanical key. It can also be provided that the removable battery pack 18 is secured electronically in the electrical consumer 14.

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 UBatt 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 UBatt bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-lon-Rundspeicherzellen 22 mit einer nominellen Zellspannung UCell von jeweils 3,6 V fallen über die Energieversorgungskontakte der ersten Schnittstelle 22 Batteriespannungen UBatt 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 UCell 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.The electrochemical energy storage 12 has a plurality of energy storage cells 22, which can be connected in a series connection and / or in a parallel connection, the series connection defining a battery voltage U Batt of the electrochemical energy storage device 12 that drops via the energy supply contacts of the first electromechanical interface 20, while the Parallel connection of individual energy storage cells 22 primarily increases the capacity of the electrochemical energy storage 12. Individual cell clusters consisting of energy storage cells 22 connected in parallel can also be connected in series in order to achieve a specific battery voltage U Batt with simultaneously increased capacity. In common Li-lon circular storage cells 22 with a nominal cell voltage U Cell of 3.6 V each, battery voltages U Batt of n - 3.6 V drop via the energy supply contacts of the first interface 22, where n is the number of energy storage cells 22 connected in series or cell clusters are defined. For other electrochemical energy storage cells 22, the nominal cell voltage U Cell can differ, so that depending on the type and application of the electrochemical energy storage 12 battery voltages of 3.6 V to 70 V and more are possible. Depending on the number of energy storage cells 22 connected in parallel in a cell cluster, the capacity of commercially available high-performance energy storage devices 12 can be up to 14 Ah and more, so that up to over 750 Wh can be achieved, for example in the e-bike sector. However, the invention is not dependent on the type, design, voltage, current delivery capability, etc. of the energy storage cells 22 used, but can be applied to a large number of different energy storage devices 12.

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 UBatt, den Zellspannungen UCell, 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 RC auf. Stimmt der als weiterer Betriebsparameter ausgebildete Widerstandswert RC 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 IBatt,max, der gemessenen Batteriespannung UBatt, einer maximalen Batteriespannung UBatt,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.To monitor the individual, series-connected energy storage cells 22 or cell clusters of the energy storage 12, an SCM precursor (single cell monitoring), not shown, can be provided, which is controlled by an electronic unit 24 of the energy storage 12. The electronic unit 24 can be designed as an integrated circuit in the form of a microprocessor, ASIC, DSP or the like. However, it is also conceivable that the electronic unit 24 consists of several microprocessors or at least partially of discrete components with corresponding transistor logic. In addition, the electronic unit 24 can have a memory for storing operating parameters of the energy storage 12, such as the battery voltage U Batt , the cell voltages U Cell , a temperature T, a battery current I or the like. By means of a temperature sensor 26 arranged in the electrochemical energy storage 12, which is preferably designed as an NTC and is in close thermal contact with at least one of the energy storage cells 22, the temperature T of the energy storage 12 or the energy storage cells 22 can be measured. So that a charger (not shown) connected to the first interface 20 can identify the energy storage 12 and, if necessary, enable it for charging, the energy storage 12 has a coding resistor 28 with a fixed resistance value R C. If the resistance value R C of the coding resistor 28, which is designed as a further operating parameter, matches a value stored in the charger, the charger releases the charging process and charges the energy storage device 12 according to the operating parameters stored in a look-up table, in particular the measured battery current I, a maximum battery current I Batt,max , the measured battery voltage U Batt , a maximum battery voltage U Batt,max , the measured temperature T, a permissible temperature range, etc. In an analogous manner, the electrical consumer 14 can enable the discharging process of the energy storage 12 via the coding resistor 28 or a further coding resistor (not shown). If the values do not match, the discharging process of the energy storage 12 is stopped or not permitted, so that the electrical consumer 14 cannot be put into operation. If there is a match, an operator can put the electrical consumer 14 into operation. Furthermore, corresponding charging or discharging protocols can also be transmitted via the first interface 20 to identify or adapt the operating parameters.

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.As a rule, a charger that can be connected to the first interface 20 is used to charge the energy storage device 12. However, such chargers often have to be adapted to the specifications of the energy storage devices 12 to be charged with them or can be flexibly adapted. In addition to AC/DC conversion, this often also requires correspondingly expensive isolation transformers as well as power, rectifier and filter stages. The interface module 16 according to the invention now offers the advantage in this regard that a particularly simple and cost-effective charger 10 can be used for universal charging of the energy storage device 12. For this purpose, the charger 10 has a constant voltage or current source 30 or is designed as such, so that the AC/DC conversion, any isolation transformers and possibly cost-intensive power, rectifier and filter stages can be dispensed with. Such universal chargers 10 or constant voltage or current sources 30 are well known as plug-in power supplies or the like and are commercially available, so this will not be discussed further. They usually have a universal interface 32 in the form of a USB port (e.g. USB-A, USB-C) or the like, whose electrical contacts not only provide energy but also a specific charging protocol (PD - Power Delivery) for you connected electrical consumer or its energy storage can be transferred and evaluated in an electronic unit 34 integrated in the charger 10.

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.The interface module 16 according to the invention is now intended to make such a universal charger 10 usable for charging the electrochemical energy storage device 12. For this purpose, on the one hand, it has a first interface 20 for electrical connection to the corresponding proprietary mating interface 20 of the electrochemical energy storage 12. On the other hand, at least one second universal interface 32 is provided, which is electrically connected to the first interface 20 in such a way that one with the At least a second universal interface 32 connected, external constant voltage or current source 30 can charge the energy storage 20.

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 UDC und/oder ein fließender Gleichstrom IDC der externen Konstantspannungs- oder -stromquelle 30 größer oder gleich der maximalen Batteriespannung UBatt,max und/oder des maximalen Batteriestroms IBatt,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.For this purpose, the interface module 16 has an electronics unit 36, which converts a universal charging or discharging protocol transmitted via the at least one second universal interface 32 into a charging or discharging process that is necessary, in particular proprietary, for the charging or discharging process of the electrochemical energy storage 12 connected to the first interface 20 - or unloading protocol translated and vice versa. This is necessary in order to avoid any serious safety incidents that could lead to significant damage to the electrical consumer 14 and/or the energy storage device 12. For this purpose, the electronic unit 36 controls power electronics 38 of the interface module 16 in order to be able to interrupt the charging or discharging process using appropriate switching means (e.g. relays, transistors) in the event of deviations or discrepancies. Dari In addition, the power electronics 38 can have further filter means to improve the electromagnetic compatibility (EMC) of the interface module 16 if necessary. In addition, it can be provided that the electronics unit 36 checks before the charging process of the electrochemical energy storage 12 whether a direct voltage U DC and/or a flowing direct current I DC of the external constant voltage or current source 30 present at the at least one second universal interface 32 is greater or is equal to the maximum battery voltage U Batt,max and/or the maximum battery current I Batt,max for the energy storage 12. In this way it can be ensured that the energy storage 12 is not overloaded during the charging process, since the electronic unit 36 only releases the charging process when the maximum limit values have not been exceeded.

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 UDC bzw. des fließenden Gleichstroms IDC und der zum Laden des Energiespeichers 12 benötigten Batteriespannung UBatt bzw. des Batteriestroms IBatt oder der zum Laden des Energiespeichers 12 erlaubten maximalen Batteriespannung UBatt,max bzw. des maximalen Batteriestroms IBatt,max. Die Regelung ist erforderlich bzw. vorteilhaft, da die externe Konstantspannungs- bzw. -stromquelle 30 nur eine konstante Gleichspannung UDC bzw. einen konstanten Gleichstrom IDC 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.A DC/DC converter 40 of the power electronics 38 is also used for any necessary adjustment between the direct voltage U DC or the flowing direct current I DC provided by the constant voltage or current source 30 and the battery voltage U required for charging the energy storage 12 Batt or the battery current I Batt or the maximum battery voltage U Batt,max or the maximum battery current I Batt,max permitted for charging the energy storage 12. The regulation is necessary or advantageous because the external constant voltage or current source 30 can only provide a constant direct voltage U DC or a constant direct current I DC and these are not always directly suitable for charging the energy storage 12. In addition, the power electronics 38 can have a temperature sensor 42 for detecting the temperature T occurring in the interface module 16 or in the power electronics 38, so that the electronics unit 36 interrupts or reduces the charging process if the temperature values are too high. Accordingly, the electronics unit 36 can receive the operating parameters stored in the energy storage 12 and in the electronics unit 24 there via the first interface 20 and store and evaluate them to regulate the charging process.

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 UBatt und/oder den Batteriestrom IBatt mittels des DC/DC-Wandlers 40 in Abhängigkeit von einer Versorgungsspannung ULoad und/oder eines Versorgungsstroms ILoad 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.The first and at least one second universal interface 20, 32 can be used not only for charging but also for discharging the energy storage device 12. Thus, not only the data or signal transmission via the first and second interfaces 20, 32 is bidirectional, but also the energy transport. For this reason, the arrows between the interfaces 20, 32 were also shown as double arrows. If, instead of the charger 10, another electrical consumer 44 with its universal interface 32 is connected to the at least one second universal interface 32 of the interface module 16, the electronic unit 36 of the interface module 16 sets the battery voltage U Batt and/or before the start of the discharging process of the energy storage device 12. or the battery current I Batt by means of the DC/DC converter 40 as a function of a supply voltage U Load and/or a supply current I Load of the further electrical consumer 44, in particular an energy storage device 46 integrated in the further electrical consumer, to the connected electrical consumer to protect against any damage. Accordingly, all protective measures that can be carried out for the charging process using the power electronics 38 are also possible for the discharging process.

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.Optionally, the interface module 16 can have an additional universal interface 32, which is designed as a wireless, in particular inductive, interface 48 with at least one primary coil 50 for energy transmission, in particular according to the Qi standard, Ki standard or a further developed protocol based on them . The transfer of the charging or discharging protocol and the operating parameters can then take place via Near Field Communication (NFC) using a separate data coil 52, which is preferably arranged concentrically within the primary coil 50. In this way, for example, the energy storage 46 of a further electrical consumer 44 designed as a smartphone can be inductively charged via the interface module 16.

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.For wireless data exchange with an external terminal 54, such as a smartphone, a smart watch, a tablet, a PC, a remote cloud server or the like, the interface module 16 and the external terminal 54 each have a communication interface 56. In this way, on the one hand, the operating parameters can be monitored via app and, on the other hand, settings in the electronic unit 36 with regard to different charging profiles, time-controlled charging or discharging, a winter/transport/storage mode (discharging the energy storage 12 to 50%/30%) or the like can be done. The communication interface 56 preferably uses WLAN, Bluetooth, BLE, ZigBee, NFC or the like for wireless transmission. Corresponding communication interfaces 56 can also be provided in the energy storage 12, in the electrical consumer 14 and/or in the further electrical consumer 44.

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.A human machine interface (HMI) 58 is also provided in the interface module 16 for local setting and/or display of the different charging profiles, operating parameters and/or the charging status of the energy storage device 12. The HMI 58 can be used, for example, as a touch display, as a display in conjunction with hardware Buttons or can be designed as a simple LED display. Acoustic or haptic feedback for certain settings is also conceivable.

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.Furthermore, the interface module can have additional functions 60, for example in the form of a flashlight, an integrated radio, a local weather station (measuring ambient temperature, humidity, brightness, etc.), a data hub or the like.

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 IBatt, 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. 2 shows the interface module in a further embodiment. It has a plurality of a total of six universal interfaces 32 for, in particular, parallel connection to corresponding universal counter-interfaces of further constant voltage or current sources 30 and/or further electrical consumers 44. This particularly advantageously enables, on the one hand, charging with a higher battery current I Batt , for example for a quick charging function, and, on the other hand, the simultaneous use of several different consumers 44, such as a lamp, a radio, a power bank, a smartphone or the like.

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.In order to avoid that a voltage that is sometimes dangerous for people is present at the unused universal interfaces 32 during a charging process or that damage occurs due to unforeseen short circuits, the electronic unit 36 blocks these universal interfaces by means of the power electronics 38, in particular for the discharging process, if one or more of the universal interfaces 32 are connected to an external constant voltage or current source 30.

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 UBatt von bis zu 48 V und ein Batteriestrom IBatt 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.Three of the six universal interfaces 32 are each designed as a USB-C interface 62. In particular in conjunction with "USB-C next generation", a battery voltage U Batt of up to 48 V and a battery current I Batt of 4 to 5 A can be provided in this way via the universal interface 32, which is preferably the case with an electrochemical device designed as a high-performance energy storage device Energy storage 32, as used for example in some EPACs or e-bikes, enables correspondingly fast charging processes. The USB-C interfaces 62 can be used both for charging and discharging the energy storage device 12 connected to the first interface 20 via a cable 72.

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.Two further universal interfaces 32 of the interface module 16 are designed as a USB-A interface 64. Since only limited electrical power can be transmitted via such a universal interface 32, the USB-A interfaces 64 are preferably only used for discharging the energy storage 32 and/or for data transmission for corresponding electrical consumers 44. It is possible, for example, for the interface module 16 to serve as a data hub for the USB-C interfaces 62 and the USB-A interfaces 64.

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 UDC und -ströme IDC 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 order to also enable charging via public charging points, one of the universal interfaces 32 is designed as a CHAdeMO-EPAC interface 66 with two power supply contacts 68 and preferably three signal or data contacts 70. With particular advantage, high direct voltages U DC and currents I DC can be provided via the power supply contacts 68 of the CHAdeMO-EPAC interface 66, while the signal or data contacts 70 serve for the parallel transmission of several of the above-mentioned operating parameters and the charging protocol. In addition to the universal interfaces 32 shown, other types of universal interfaces 32 for energy and/or data transmission in the interface module 16 are also conceivable.

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.In 3 a schematic representation of a system is shown, which consists of the electrical consumer 14 designed as an electric bicycle 74 with the electrochemical energy storage 12 designed as a removable battery pack 18, the charger 10 with the constant voltage or current source 30 and the interface module 16 according to the invention. The electric bicycle 74 can be designed, for example, as a pedelec, as an e-bike or the like.

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.The electric bicycle 74 has a housing in the form of a frame 76 with two wheels 78 mounted in the frame 76. The removable battery pack 18 is also detachably connected to the frame 76 via a connecting device 80. In addition, the electric bicycle 74 has a drive unit 82, which includes an electric motor 84 in the form of a mid-engine, preferably designed as an EC or BLDC motor. Instead of a mid-engine, a hub motor can alternatively be used in one of the wheels 78. The electric bicycle 74, in particular its drive unit 82, is supplied with energy via the removable battery pack 18. The drive unit 82 includes an electronics unit (not shown) for controlling or regulating the electric bicycle 74, in particular the electric motor 84. The electronics unit is further connected to a sensor unit (not shown), which, for example, has a plurality of sensor elements, such as a torque sensor, a motion sensor, for example Form of an acceleration sensor, and a magnetic sensor. The electric bicycle 74 also has a pedal crank 86 with a pedal crankshaft 88. The electronics unit, the drive unit 82 with the electric motor 84 and the pedal crankshaft 88 are arranged in a drive housing 90 connected to the frame 76.

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.The drive movement of the electric motor 84 is preferably transmitted to the pedal crankshaft 88 via a gear (not shown), the intensity of the support from the drive unit 82 being controlled or regulated by means of the electronic unit. The electronic unit is designed to control the drive unit 82 in such a way that a driver of the electric bicycle 74 is supported when pedaling. Preferably, the electronic unit is designed to be operable by the driver, so that the driver can adjust the level of assistance.

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.The electric bicycle 74 also includes, for example, an on-board computer 92, which is arranged on a handlebar 94 of the electric bicycle 74. The on-board computer 92 is, for example, designed to be partially detachable from the electric bicycle 74. The on-board computer 92 includes an HMI that is used to display information and to control the on-board computer 92 and/or the electric bicycle 74 or the drive unit 82. The HMI is designed, for example, as a touchscreen or the like. The on-board computer 92 is connected to the drive unit 82 for exchanging information and commands. For example, a speed determined by the electronic unit of the drive unit 82, a set level of assistance of the electric motor 84, route information from a navigation unit integrated in the on-board computer 92 or a charge status of the removable battery pack 18 can be displayed via the HMI.

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.According to the description for the 1 and 2 The removable battery pack 18 can now be charged using the constant voltage or current source 30 of the charger 10 and the interface module 16 according to the invention. For this purpose, the interface module 16 is connected to the charger 10 on the one hand via at least one of the universal interfaces 32 - for example by means of a suitable USB-C cable 96 - and on the other hand via the first proprietary interface 20 and the cable 72 which is firmly connected to the interface unit 16.

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.In 4 the electrochemical energy storage 12, designed as a removable battery pack 18, for the electrical consumer 14, designed as an electric bicycle 74, is shown in a partial perspective view. The removable battery pack 18 has a housing 98, which is formed, for example, from several housing parts. A plurality of energy storage cells 22 (not shown) are arranged in the housing 98 by means of at least one cell holder (not shown). In addition, the in 1 described electronic unit 24 for the Battery Management System (BMS) and possibly at least one of the temperature sensors 26, 28 and the communication interface 56. An HMI 100 is provided on a first outside of the housing 98 as a charge status and error display. According to 4a On another outside of the housing 98 is the proprietary electromechanical interface 20, via whose electrical contacts the removable battery pack 18 can be charged with a special charger on the one hand and discharged using the electric bicycle 74 on the other. For this purpose, the special charger and the electric bicycle 74 each have the corresponding corresponding counter interfaces 20. In addition, further electrical contacts of the proprietary electromechanical interfaces 20 are provided as data or signal contacts for transmitting the operating parameters and the corresponding charging or discharging protocols. The electrical contacts can be designed, for example, as resilient contact elements in the form of contact tulips or as flat contacts in the form of contact blades.

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. 4b shows the interface module 16 plugged onto the proprietary interface 20 in the form of an adapter 102 with an independent housing 104. The housing 104 can be designed in one or more parts and surrounds all electronic components of the interface module 16 (cf. 1 ) completely to protect them from moisture and dirt. The housing 104 is preferably made of plastic. However, other materials such as metal, wood, ceramic composites or the like are also conceivable. On a first outside of the housing 104, the proprietary interface 20 (not visible) is provided for a tool-free connection to the proprietary interface 20 of the removable battery pack 18. To fix the adapter 102 on the removable battery pack 18, a locking device 106 is provided, which engages with corresponding fixing elements of the proprietary interface 20 of the removable battery pack 18 when the adapter 102 is attached. In order to be able to release the adapter 102 without tools, an actuation button 108 is provided on another outside of the adapter 102, which, when actuated accordingly, releases the locking device 106 so that the adapter 102 can be removed from the proprietary interface 20 of the removable battery pack 18.

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.The universal interfaces 32 are arranged on at least a third outside of the housing 104 in such a way that they are freely accessible when the adapter 102 is plugged onto the removable battery pack 18. As an example, two universal USB-C interfaces 62 and one universal CHAdeMO-EPAC interface 66 are provided. The adapter can be used with particular advantage via the CHA deMO-EPAC interface 66 can be connected to a public charging infrastructure. Alternatively, charging via the USB-C interfaces 62 is also possible. These can also be used to discharge the removable battery pack 18 in the sense of a power bank for other electrical consumers 44 (cf. 1 ) be used. The adapter 102 can be designed to be particularly compact as a travel adapter so that it can be carried in saddlebags, handbags, backpacks or the like, for example.

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.Furthermore, the adapter 102 can also be designed in such a way that it can be connected via the proprietary interface 20 directly to a corresponding counter interface 20 of the electric bicycle 74 to supply it. This is particularly advantageous if the electric bicycle 74 has a permanently installed electrochemical energy storage device 12.

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. 5 shows such an electric bicycle 74 with a permanently installed electrochemical energy storage device 12. In contrast to the previous exemplary embodiments, the interface module 16 is now completely integrated into the frame 76 of the electric bicycle 74. For charging and discharging the energy storage device 12 via the interface module 16, the electric bicycle 74 now has two universal interfaces 32. These are, for example, designed as USB-C interfaces 62, with a first USB-C interface 62 being arranged in the frame 76 of the electric bicycle 74 and a second USB-C interface being arranged in the drive housing 90 of the drive unit 82. Since both the energy storage 12 and the interface module 16 are firmly integrated into the frame 76 of the electric bicycle 74, the proprietary interfaces 20 can be dispensed with. Instead, energy storage 12 and interface module 16 can be hard-wired together. Nevertheless, the term “interface module” should also be used here because an appropriate translation of the charging and discharging protocols for the universal interfaces 32 is still required. The interface module 16 also differs in other ways 5 its functionality does not differ from those in the 1 until 4 described embodiments of the interface module 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.In 6 a further embodiment of the interface module 16 according to the invention is shown. In this case it is integrated directly into the removable battery pack 18. In addition to the proprietary interface 20, the removable battery pack 18 now has, for example, two universal interfaces 32 in the form of USB-C ports 62. Thus, the removable battery pack 18 can either be charged directly with a suitable constant voltage or current source 30 via the universal interfaces 32 or, when removed, with a suitable charger via the proprietary interface 20. In contrast to the proprietary interface 20, the universal interfaces 32 also allow charging when connected to the frame 76 of the electric bicycle 74. In addition, the universal interfaces 32 can be used to discharge the removable battery pack 18 in the sense of a power bank for at least one further electrical consumer 44.

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.Finally, it should be pointed out that the exemplary embodiments shown are not based on the 1 until 6 are still limited to the values mentioned and the proportions shown. In particular, the universal interfaces 32 were not shown to scale for better visibility.

Claims (14)

Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74), insbesondere elektromotorisch angetriebenes Ein- oder Zweirad, mit einem mit dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug (74) lösbar verbindbaren oder in dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug (74) fest integrierten elektrochemischen Energiespeicher (12, 18), dadurch gekennzeichnet, dass das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug (74) zumindest eine universellen Schnittstelle (32) zum Laden und Entladen des elektrochemischen Energiespeichers (12, 18) aufweist.Electric motor-driven vehicle (74), in particular electric motor-driven one-wheeler or two-wheeler, with an electrochemical energy storage device (12, 18) which can be detachably connected to the electric motor-driven vehicle (74) or is firmly integrated into the electric motor-driven vehicle (74), characterized in that the electric motor-driven vehicle (74) has at least one universal interface (32) for charging and discharging the electrochemical energy storage (12, 18). Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug (74) eine Elektronikeinheit (24) aufweist, die ein über die zumindest eine universelle Schnittstelle (32) übertragenes universelles Lade- oder Endladeprotokoll in ein für den Lade- oder Entladevorgang des mit dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug (74) verbundenen elektrochemischen Energiespeichers (12, 18) notwendiges, insbesondere proprietäres, Lade- oder Entladeprotokoll übersetzt und umgekehrt.Electric motor driven vehicle (74). Claim 1 , characterized in that the electric motor-driven vehicle (74) has an electronic unit (24) which converts a universal charging or discharging protocol transmitted via the at least one universal interface (32) into a charging or discharging process for the electric motor-driven vehicle (74) connected electrochemical energy storage (12, 18) necessary, in particular proprietary, charging or discharging protocol is translated and vice versa. Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (24) vor dem Ladevorgang des elektrochemischen Energiespeichers (12, 18) prüft, ob eine an der zumindest einen universellen Schnittstelle (32) anliegende Gleichspannung (UDC) und/oder ein fließender Gleichstrom (IDC) einer externen Konstantspannungs- oder stromquelle (30) größer oder gleich einer maximalen Batteriespannung (UBatt,max) und/oder eines maximalen Batteriestroms (Iatt,max) für den elektrochemischen Energiespeicher (12, 18) ist.Electric motor-driven vehicle (74) according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic unit (24) checks before the charging process of the electrochemical energy storage (12, 18) whether a direct voltage (U DC. ) present at the at least one universal interface (32). ) and/or a flowing direct current (I DC ) from an external constant voltage or current source (30) greater than or equal to a maximum battery voltage (U Batt,max ) and/or a maximum battery current (I att,max ) for the electrochemical energy storage (12 , 18). Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Elektronikeinheit (24) zum Entladen des elektrochemischen Energiespeichers (12, 18) über die zumindest eine universelle Schnittstelle (32) eine Batteriespannung (UBatt) und/oder ein Batteriestrom (IBatt) in Abhängigkeit von einer Versorgungsspannung (ULaod) und/oder eines Versorgungsstroms (ILoad) eines mit der universellen Schnittstelle (32) verbundenen, weiteren elektrischen Verbrauchers (44) einstellbar ist.Electric motor-driven vehicle (74) according to one of the preceding claims, characterized in that by means of the electronic unit (24) for discharging the electrochemical energy storage (12, 18) via the at least one universal interface (32), a battery voltage (U Batt ) and / or a battery current (I Batt ) can be adjusted depending on a supply voltage (U Laod ) and/or a supply current (I Load ) of a further electrical consumer (44) connected to the universal interface (32). Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug (74) einen DC/DC-Wandler (40) aufweist, der von der Elektronikeinheit (24) derart angesteuert wird, dass die an der zumindest einen universellen Schnittstelle (32) anliegende Gleichspannung (UDC) und/oder der fließende Gleichstrom (IDC) an die Batteriespannung (UBatt) und/oder den Batteriestrom (IBatt) des elektrochemischen Energiespeichers (12, 18) angepasst wird oder dass die vom elektrochemischen Energiespeicher (12, 18) bereitgestellte Batteriespannung (UBatt) und/oder der Batteriestrom (IBatt) an die Versorgungsspannung (ULoad) und/oder den Versorgungsstrom (ILoad) des mit der zumindest einen universellen Schnittstelle (32) verbundenen, weiteren elektrischen Verbrauchers (44) angepasst wird.Electric motor driven vehicle (74) according to one of the preceding Claims 3 or 4 , characterized in that the electric motor-driven vehicle (74) has a DC/DC converter (40) which is controlled by the electronic unit (24) in such a way that the direct voltage (U DC. ) present at the at least one universal interface (32). ) and / or the flowing direct current (I DC ) is adapted to the battery voltage (U Batt ) and / or the battery current (I Batt ) of the electrochemical energy storage (12, 18) or that the battery voltage provided by the electrochemical energy storage (12, 18). (U Batt ) and/or the battery current (I Batt ) is adapted to the supply voltage (U Load ) and/or the supply current (I Load ) of the further electrical consumer (44) connected to the at least one universal interface (32). Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (24) den Lade- und/oder Entladevorgang mittels zumindest eines im elektrochemischen Energiespeicher (12, 18) und/oder im elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug (74) gemessenen Betriebsparameters überwacht.Electric motor-driven vehicle (74) according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic unit (24) measures the charging and/or discharging process by means of at least one in the electrochemical energy storage (12, 18) and/or in the electric motor-driven vehicle (74). Operating parameters monitored. Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der zumindest einen 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.Electric motor-driven vehicle (74) according to one of the preceding claims, characterized in that, in addition to the at least one universal interface (32), there are also further universal interfaces (32) for, in particular, parallel connection to corresponding universal counter-interfaces (32) of further constant voltage or current sources ( 30) and/or further electrical consumers (44) are provided. Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) 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.Electric motor-driven vehicle (74) according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic unit (24) blocks all unused universal interfaces (32), in particular for the discharging process, if at least one of the universal interfaces (32) is connected to an external constant voltage or power source (30) is connected. Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der universellen Schnittstellen (32) als eine USB-C-Schnittstelle (62) ausgebildet ist.Electric motor-driven vehicle (74) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the universal interfaces (32) is designed as a USB-C interface (62). Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) 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 zumindest drei Signal- bzw. Datenkontakten (70) ausgebildet ist.Electric motor-driven vehicle (74) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the universal interfaces (32) is designed as a CHAdeMO-EPAC interface (66) with two power supply contacts (68) and at least three signal or data contacts (70 ) is trained. Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) 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.Electric motor driven vehicle (74) according to one of the preceding Claims 7 or 8th , characterized in that at least one of the further, universal interfaces (32) is designed as a wireless, in particular inductive, interface (48) with at least one primary coil (50) for energy transmission, in particular according to the Qi or Ki standard. Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) 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.Electric motor driven vehicle (74). Claim 11 , characterized in that the transmission of the charging or discharging protocol and / or the operating parameters takes place via the wireless, in particular inductive, interface (48) via near field communication using a separate data coil (52). Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug (74) eine Kommunikationsschnittstelle (56) zum drahtlosen Austausch von Signalen bzw. Daten mit einem externen Endgerät (54) aufweist.Electric motor-driven vehicle (74) according to one of the preceding claims, characterized in that the electric motor-driven vehicle (74) has a communication interface (56) for the wireless exchange of signals or data with an external terminal (54). Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug (74) ein Human Machine Interface (58, 92) zur Einstellung und/oder Anzeige der Betriebsparameter und/oder unterschiedlicher Ladeprofile der Elektronikeinheit (24) aufweist.Electric motor-driven vehicle (74) according to one of the preceding claims, characterized in that the electric motor-driven vehicle (74) has a human machine interface (58, 92) for setting and/or displaying the operating parameters and/or different charging profiles of the electronic unit (24). having.
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WO2020043524A1 (en) 2018-08-31 2020-03-05 Siemens Aktiengesellschaft Charging cable for an electric vehicle
DE102021105585A1 (en) 2021-03-09 2022-09-15 Audi Aktiengesellschaft External power adapter for bi-directional chargeable electric vehicles

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