EP2285618A1 - Elektrische energieversorgungseinheit und verfahren zum laden von akkumulatoren einer elektrischen energieversorgungseinheit und elektrisches leichtfahrzeug mit elektrischer energieversorgungseinheit - Google Patents

Elektrische energieversorgungseinheit und verfahren zum laden von akkumulatoren einer elektrischen energieversorgungseinheit und elektrisches leichtfahrzeug mit elektrischer energieversorgungseinheit

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EP2285618A1
EP2285618A1 EP09746250A EP09746250A EP2285618A1 EP 2285618 A1 EP2285618 A1 EP 2285618A1 EP 09746250 A EP09746250 A EP 09746250A EP 09746250 A EP09746250 A EP 09746250A EP 2285618 A1 EP2285618 A1 EP 2285618A1
Authority
EP
European Patent Office
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voltage
supply unit
switch
accumulator
electrical power
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09746250A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Haas
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Clean Mobile AG
Original Assignee
Clean Mobile AG
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Publication date
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Priority claimed from DE102008023292A external-priority patent/DE102008023292A1/de
Application filed by Clean Mobile AG filed Critical Clean Mobile AG
Publication of EP2285618A1 publication Critical patent/EP2285618A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/53—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells in combination with an external power supply, e.g. from overhead contact lines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/40—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for controlling a combination of batteries and fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L2200/12—Bikes
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an electrical energy supply unit and to a method for charging accumulators of an electrical energy supply unit.
  • Electrically powered engines for vehicles are often fed with high voltages, so that the energy is transmitted to the engine with the least possible transmission losses.
  • the energy is stored in accumulators to provide the high voltages, they are often connected in series so that each individual accumulator provides only a portion of the total voltage.
  • the vehicles have a gross mass of not more than 350 kg, without the mass of the batteries.
  • These may be, for example, bicycles with auxiliary motor, wheelchairs, mopeds, mopeds or scooters, all of which have in common that they have an electric drive.
  • An example of such a battery-operated electric light vehicle is shown in DE 20 2005 006684 Ul. Since the energy for the electric motor of a light vehicle must be carried while driving, special care is directed to an energy-efficient drive unit. It has been shown that the accumulators have different capacities with increasing age, so that they are charged to different degrees. As a result, on the one hand, the existing charging capacity is not fully utilized, on the other hand threaten individual accumulators overloaded and thus to be defective. For example. in US 5,726,551 a battery charger is shown in which the individual
  • an electric drive system for a vehicle is provided.
  • an energy source preferably a fuel cell, provided for generating a first voltage.
  • a series connection of accumulators with at least a first accumulator and a second accumulator is connected.
  • a transformer has a magnetizable core, magnetizable being understood to mean that the magnetic field strength of this core can be changed.
  • the transformer also has a primary coil, a first secondary coil and a second secondary coil.
  • the first primary coil can be connected via a primary switch switchable to the first voltage.
  • a first secondary switch is provided for the parallel connection of the first secondary coil to the first accumulator.
  • the electric drive system further comprises a second secondary switch for connecting the second secondary coil in parallel with the second accumulator. The first secondary switch and the second secondary switch are independently switchable.
  • the electrical power supply unit is set up so that the batteries can be charged or discharged individually. In addition, it is possible to charge all accumulators simultaneously from the energy stored in the first voltage. The fact that the primary coil is connected to the first voltage, the energy of a single
  • Accumulator can be transferred to the entire series connection of accumulators.
  • energy can be charged from the series connection of accumulators to a single accumulator or a selection of the accumulators.
  • the electrical power unit also allows energy from one of the secondary coils to another To transmit secondary coil and thus compensate for different states of charge directly. If the secondary switches each have MOS transistors, the power loss is reduced. This saves additional energy.
  • the power supply device has a measuring circuit for measuring the voltage at a terminal of the primary coil or for measuring the current in the primary coil. By switching one of the secondary switches, the voltage applied to the corresponding accumulator can be measured on the primary side. Thus, the voltages across all accumulators can be measured individually by this measuring circuit without having to make individual measuring circuits on the secondary side.
  • the same measuring circuit for measuring the voltage at a terminal of the primary coil or for measuring the current in the primary coil.
  • Measuring circuit can be used to measure the height of the first voltage.
  • a measuring circuit may be provided for measuring the voltage at a terminal of a secondary coil or the current in a secondary coil.
  • the voltages applied to the primary coils, and the voltages applied to the secondary coils, can change the voltage at the terminal connected to the measuring circuit when the primary switches and secondary switches are connected.
  • a selector switch is provided for selecting at least one connection from the measuring circuit to a terminal of one of the secondary coils.
  • a voltage can be applied by the multiplexer a secondary coil are measured, wherein only one measuring circuit is required for the plurality of voltages.
  • a measuring circuit may be provided for measuring the voltage at a terminal of a secondary coil or the current in a secondary coil.
  • the voltages applied to the primary coils, and the voltages applied to the secondary coils, can change the voltage at the terminal connected to the measuring circuit when the primary switches and secondary switches are connected.
  • a stack consists of one
  • the generated voltage is provided.
  • the voltage generated is usually very load-dependent, but the presented transformer allows direct control of the stack.
  • Particularly suitable is the circuit for hydrogen fuel cells.
  • a selector switch is provided for selecting at least one connection from the measuring circuit to a terminal of one of the secondary coils.
  • a voltage at a secondary coil can be measured by the multiplexer, wherein only one measuring circuit is required for the plurality of voltages.
  • a DC-DC converter is provided between the fuel cell and the first voltage. This is especially recommended if the Used fuel cell provides a voltage that is lower than the voltage that is most suitable for the engine. For example. represents a common one
  • Methanol fuel cell a voltage of 24 V available.
  • higher voltages are preferred for operating the motor, so that the energy transfer from the energy store to the motor takes place with as little loss as possible.
  • the DC-DC converter thereby makes it possible to adapt the voltage to the desired operating voltage of the electric motor.
  • a charging circuit is additionally provided for charging the batteries and / or for charging the fuel cell from an external electrical energy source.
  • the charging circuit can, for example, from a supply network efficiently generated energy for charging the
  • Accumulators or the fuel cell can be used. If additional energy is to be transported and stored in the fuel cell, it must be a reversible fuel cell.
  • accumulators are each designed as lithium-ion accumulators, a lot of energy can be stored in a relatively small space. However, special care must be taken to ensure that none of the accumulators is overloaded.
  • a control circuit is also included for switching the secondary switches.
  • the invention is in a pedal-operated vehicle with electrical assistance, especially bicycle.
  • a powered by human power drive system and an electric drive system is provided, wherein a power output of the electric Drive system is controlled in accordance with the changes of the output of the power driven by human power drive system.
  • the space for the fuel is particularly limited and an energy-saving transmission of energy in the
  • the invention also provides a method for charging accumulators of a vehicle electrical power supply unit according to the invention.
  • an electrical power supply unit according to the invention is provided.
  • the primary switch is closed and then opened again. Subsequently, the first secondary switch is closed.
  • This can selectively transfer energy from the series connection of accumulators to a single accumulator. It simplifies the charging of the accumulators, since the power source supplies the first voltage. The corresponding energy can be distributed by the inventive method in a little expensive way to the individual batteries.
  • the following steps are performed prior to the step of closing the primary switch:
  • a step of the subsequent closing of the second secondary switch is performed instead of the step of the subsequent closing of the first secondary switch. This will charge the accumulator to which the lower voltage is applied.
  • the measurement is performed such that the voltage on the first accumulator is determined by measuring the
  • Voltage is measured at a terminal of the primary coil or by measuring the current in the primary coil. As a result, all voltages to the accumulator can be measured with a single measuring circuit. Compared to devices with multiple measurement circuits, there is the advantage that no production differences between the different measurement circuits can cause measurement errors.
  • the energy supply system contains at least one further
  • Series connection of accumulators is present, can be connected.
  • the voltage can be additionally transferred from an accumulator to a single one of several series circuits, if only the voltage applied to this series circuit is too low.
  • the threshold is calculated from the voltages applied to the accumulators of the series connection, whereby the accumulators are charged uniformly.
  • Figure 1 is a pedal-driven vehicle
  • FIG. 2 shows an electric drive system of the vehicle from FIG. 1;
  • Figure 3 shows the discharge of a battery of the electric drive system
  • FIG. 4 shows the signal curve for discharging the accumulator
  • Figure 5 shows the charging of a battery of the electric drive system
  • FIG. 6 shows the signal curves for charging the accumulator
  • FIG. 7 shows a schematic diagram for measuring the states of charge of the accumulators
  • FIG. 8 shows a further embodiment of an electric drive system
  • Figure 9 shows the power consumption for charging and discharging of the batteries.
  • FIG. 10 shows a performance comparison between a conventional and a charging method according to the invention.
  • Figure 11 shows a section of the electric drive system according to another embodiment.
  • Figure 1 shows a side view of the basic structure of a bicycle 1 according to the invention with pedals, which are operated by human power, and with an electric drive unit 3.
  • the pedals 2 and the electric drive unit 3 both cause the movement of a chain 4 and thus of the rear wheel fifth
  • the pedal-driven vehicle is an example of an electric light vehicle, but it may also be, for example, a wheelchair or a scooter.
  • Figure 2 shows a circuit diagram of the electrical
  • the electric drive system 3 includes an AC / DC converter 9, a transformer 12, a microprocessor 13, a DC-DC converter 14, a fuel cell 10, a voltage measuring circuit 15, a current measuring circuit 16, and a motor 17.
  • the fuel cell 10 the example.
  • Methanol fuel cell is generated, generates a voltage U B of 24 V.
  • the DC-DC converter 14 generates from this voltage, the so-called first voltage Ul of 40 V, which is applied between a node K and the mass 36. This first voltage Ul is also applied to the motor 17, so that he drives the vehicle at a torque request.
  • the voltage measuring circuit 15 Also connected to the first voltage Ul is the voltage measuring circuit 15, which also contains circuits for energy management.
  • Voltage measuring circuit 15 measures the first voltage Ul and receives information about the expected consumption. In accordance with the magnitude of the first voltage Ul and the amount of the expected consumption, the voltage measuring circuit 15 drives the fuel cell 10 to increase the voltage Ul.
  • the energy provided by the fuel cell 10 is stored in the series connection of the accumulators Cl to Cn.
  • a first terminal of the accumulator Cl is connected to the ground 36, while its second terminal is connected to the first terminal of the second accumulator C2.
  • a second terminal of the second accumulator C2 is connected to the first terminal of the accumulator C3, followed by the series of remaining accumulators.
  • the number of accumulators n 10 so that each of the accumulators Cl to Cn stores the electric charge at a voltage of 4 V each.
  • the transformer 12 has a magnetizable core 11. To this core 11, a primary coil Np is wound, which has 90 windings in the embodiment. A first terminal Al of the primary coil Np is connected to the node K, while a second terminal A2 of the primary coil is connected to a first terminal of a primary switch SpI, whose second terminal is connected to the ground 36 connected is.
  • the primary switch SpI also has a switching input. Depending on this switching input, a connection between the first connection and the second connection is closed or opened.
  • the transformer 12 also has n secondary coils.
  • the first secondary coil Nl, the second secondary coil N2, the third secondary coil N3, and the n-th secondary coil N n are explicitly located.
  • These secondary coils Nl to Nn each have three windings which are placed around the core 11.
  • the core 11 is magnetizable and serves to transfer energy from the primary coil Np to a secondary coil or to a plurality of the secondary coils Nl to Nn.
  • Each of the secondary coils can be connected in parallel with one of the accumulators C1 to Cn.
  • the secondary coils Nl to Nn each have a first and a second terminal, which are located at one end of the entirety of the turns.
  • the first terminal of a secondary coil is connected to the second terminal of an accumulator, while the second terminal of the secondary coil to a first terminal of a
  • Secondary switch is connected, the second terminal is connected to the first terminal of the accumulator.
  • a switching input of the secondary switch controls whether the electrical connection of the first terminal to the second terminal of the secondary switch is closed.
  • the second terminal of the first accumulator Cl is connected to the first terminal of the first coil Nl, whose second terminal is connected to the first terminal of the first switch Sl.
  • the second connection of the switch Sl is with connected to the first terminal of the accumulator Cl.
  • the second terminal of the second accumulator C2 is connected to the first terminal of the second secondary coil N2.
  • the first terminal of the second switch S2 is connected to the second terminal of the second secondary coil N2 and its second terminal is connected to the first terminal of the second accumulator C2.
  • the connections between the accumulators, secondary coils and switches takes place in the same way for the remaining accumulators C3 to Cn.
  • the microcontroller 13 controls the switches SpI and Sl to Sn of the transformer 12 respectively. By closing one of the secondary switches Sl to Sn, a secondary coil is connected in parallel with an accumulator.
  • the rechargeable batteries can also be charged by the charging circuit 9, which is connected to a plug with an external AC mains, for example, of 110 or 230 V.
  • the charging switch SL1 is closed, whereby the series circuit of charging switch SLl and charging circuit 11 is connected to the series circuit of accumulators Cl to Cn, which are thereby charged.
  • the fuel cell 10 is turned off. This charging is useful when power from the outlet is cheaper than the energy from the fuel cell.
  • FIG. 3 illustrates the discharging process of one of the accumulators in two phases. To the right of the accumulators C1 to C6, respectively, the charge states of the accumulators are shown. The accumulators Cl, C3, C4 and C6 are each 90% charged, the second accumulator C2 is charged to 70%, while the fifth accumulator C5 is charged to 100%. The fifth accumulator C5 threatens to become defective when the 100% is exceeded.
  • the state of charge of the individual accumulators C1 to C6 was measured by the microprocessor 13, in each case by closing a secondary switch S1 to Sn. Subsequently, the voltage at the second terminal A2 of the primary coil is measured, from which it is concluded that the charge states of the individual accumulators C1 to C6.
  • FIG. 4 shows selected signal forms of the voltages and currents from FIG. 3.
  • the signal profiles are shown for a period t c y c i e of 40 ⁇ s.
  • the period is divided into a secondary phase PS, a primary phase PP and a break.
  • the primary switch SP1 and the fifth secondary switch S5 are each formed as NMOS transistors. Their respective connection is closed when the voltage at their control input exceeds 2V.
  • the fifth secondary switch S5 is closed by applying a voltage of 5 V at the gate of the fifth secondary switch S5. This increases the current IDS through the fifth
  • Secondary coil N5 from 0 A to about 18 A. As a result, energy is transferred to the core 11.
  • the voltage at the gate of the fifth switch S5 is reduced to 0V.
  • the voltage at the gate of the primary switch SPl is increased from 0 to 5 V, so that the primary switch SPl is closed.
  • FIG. 5 illustrates the charging of one of the accumulators in two phases.
  • the accumulators C1 to C6 are charged in the same way in the first phase as during the first phase in FIG. 3.
  • the control circuit has recognized that the second
  • the method for selectively charging the secondary battery C2 is started.
  • the first primary switch SP1 is closed, resulting in a voltage drop across the primary coil NP.
  • the current generated thereby causes a change in the magnetic field in the core 11, whereby energy is transferred into the core 11.
  • the primary switch SP1 is first opened before the second secondary switch S2 is closed.
  • the second secondary coil N2 is connected in parallel to the second accumulator C2.
  • This discharge current 12 causes the second accumulator C2 to be charged to a value 70% + x of the charge capacity.
  • Figure 6 shows the waveforms at selected nodes during the two phases shown in Figure 5.
  • the period t c y c i e is divided into a primary phase, a secondary phase and a pause, which follow one after the other.
  • the gate of the primary switch SPl is driven with a voltage of 5 V, so that the
  • Figure 7 shows the circuit for measuring the charge capacities of the accumulators Cl to Cn.
  • the microcontroller 13 selectively sequentially controls the secondary switches S1, S2, S3 to Sn to turn them on one by one for a short time each.
  • a voltage in one of the secondary coils Nl to Nn is generated, which causes a change in the voltage at the second terminal A2 of the primary coil Np.
  • the voltage is applied to the input of the low-pass filter 22 whose output is connected to the input ADCin of the Microcontroller 13 is connected.
  • This input is the input of an analog-to-digital converter, with the aid of which the filtered voltage is first converted analogously and then further processed digitally.
  • the voltage at the second terminal A2 of the primary coil NP is greater or smaller.
  • the voltages across the accumulators Cl to Cn are measured and compared. If one of the voltages is greater than 5% of the average of all voltages, the corresponding accumulator is discharged. If, on the other hand, the voltage at one of the accumulators is less than 5% of the mean value of all the voltages present across the accumulators, this accumulator is charged. As a result, it is ensured during all charging and discharging processes that the accumulators are each charged approximately the same, which prevents overcharging of an accumulator and the accumulators are charged uniformly.
  • the voltages are again measured and the accumulators selectively charged or discharged as needed.
  • a block of ten accumulators shown in FIG. 2 has a capacity of 10 to 20 Ah.
  • the transformer is about
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a transformer. About the core 11 in addition a tertiary coil Nhv is wound. It is thus possible to transfer the energy also to a further series connection of accumulators.
  • a series connection of accumulators is also referred to below as a block.
  • energy can be transferred from the primary coil Np to the tertiary coil Nhv or vice versa.
  • energy can also be switched from the secondary coils N1 to Nn to the tertiary coil Nhv.
  • Figure 9 shows an embodiment with two blocks 120 and 121, each having a series circuit of accumulators Cl to Cn, as well as parallel connected transformer 12.
  • the block 120 is connected with its negative pole to the ground 36 and with its positive pole to the negative
  • Block 120 provides a voltage U120 while block 121 provides a voltage U121.
  • the two voltages U120 and U121 add up to the first voltage Ul.
  • the primary coils Np serve to transfer energy from an accumulator to an entire block 120 or 121.
  • the block 121 includes a tertiary switch StI, a secondary coil NtI, and a diode D1.
  • the first terminal of the tertiary switch StI is connected to the ground 36, while its second terminal is connected to a first terminal of the tertiary coil NtI whose second terminal is connected to the anode of the diode Dl.
  • the cathode of the diode is connected to the node K.
  • the tertiary switch St2 the tertiary coil Nt2 and the diode D2 are also interconnected in series connection.
  • a first terminal of the switch St2 is connected to ground, its second terminal is connected to a first terminal of the tertiary coils Nt2.
  • Connection of the tertiary coil Nt2 is connected to the anode of the diode D2 whose cathode is at the potential of the voltage Ul.
  • FIG. 10 shows a comparison of the power consumption of a charging circuit known from the prior art with the presented active charging circuit.
  • the individual accumulators have a target voltage of 3.6 V.
  • the charging circuit marked with I has a series connection of resistors whose connection nodes are selectively connected to a terminal of a rechargeable battery.
  • Power loss for charging and discharging of the accumulators is correspondingly large, so that a power consumption of 18.5 W was simulated, 18 W being due to the actual recharging process and 0.5 W consumed by the control circuit.
  • the charging circuit shown with II corresponds to one of the above-presented active charging circuit of an electric drive system.
  • the power consumption for the active charging circuit is 2 W, with again 0.5 W to the control circuit, which is realized in the microcontroller substantially eliminated.
  • Figure 11 shows a section of the electric drive system according to another embodiment.
  • the series connection of accumulators Cl to Cn, the secondary coils Sl bi Sn and the secondary coils Nl to Nn are shown, as they are known from for example Figure 2.
  • n: 1 multiplexer is provided which switches one of the intermediate nodes between the capacitors C 1 to Cn to the input of the low-pass filter 22 whose output is connected to the input ADCin of the microprocessor 13. The measurement takes place in the microprocessor 13 in the same way as in the exemplary embodiment according to FIG. 7.

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein elektrisches Antriebssystem (3) für ein Fahrzeug bereitgestellt. In diesem ist eine Brennstoffeelle (10) zum Erzeugen einer ersten Spannung vorgesehen. An diese erste Spannung ist eine Reihenschaltung von Akkumulatoren (Cn) mit mindestens einem ersten Akkumulator (C1) und einem zweiten Akkumulator (C2) angeschlossen. Ein Übertrager (12) weist einen magnetisierbaren Kern (11 ) auf, wobei unter magnetisierbar verstanden wird, dass die magnetische Feldstärke dieses Kerns verändert werden kann. Der Übertrager weist zudem eine Primärspule (N0), eine erste Sekundärspule (N1) und eine zweite Sekundärspule auf. Die erste Primärspule ist schaltbar an die erste Spannung anschließbar. Ein erster Sekundärschalter (S1) ist zum Parallelschalten der ersten Sekundärspule mit dem ersten Akkumulator vorgesehen. Das elektrische Antriebssystem weist ferner einen zweiten Sekundärschalter (S2) zum Parallelschalten der zweiten Sekundärspule (N2) mit dem zweiten Akkumulator auf. Der erste Sekundärschalter und der zweite Sekundärschalter sind unabhängig voneinander schaltbar.

Description

Beschreibung
Elektrische Energieversorgungseinheit und Verfahren zum Laden von Akkumulatoren einer elektrischen Energieversorgungseinheit und elektrisches Leichtfahrzeug mit elektrischer Energieversorgungseinheit
Die Erfindung betrifft eine elektrische Energieversorgungseinheit und ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren einer elektrischen Energieversorgungseinheit.
Elektrisch betriebene Motoren für Fahrzeuge werden häufig mit hohen Spannungen gespeist, damit die Energieübertragung zum Motor mit möglichst wenig Übertragungsverlusten erfolgt. Wird die Energie zum Bereitstellen der hohen Spannungen in Akkumulatoren gespeichert, so werden sie häufig in Reihe geschaltet, damit jeder einzelne Akkumulator nur einen Teil der Gesamtspannung zur Verfügung stellt.
Unter elektrischem Leichtfahrzeug werden zwei- drei- oder vierrädrige Fahrzeuge verstanden, die einem elektrischen
Antrieb aufweisen, der eine maximale Nennleistung von nicht mehr als 4 kW hat. Die Fahrzeuge haben eine Leermasse von nicht mehr als 350 kg, ohne die Masse der Batterien. Es kann sich dabei beispielsweise um Fahrräder mit Hilfsmotor, Rollstühle, Mofas, Mopeds oder Motorroller handeln, wobei allen gemeinsam ist, dass sie über einen elektrischen Antrieb aufweisen. Ein Beispiel für ein solch batteriebetriebenes elektrischen Leichtfahrzeug ist in der DE 20 2005 006684 Ul gezeigt . Da die Energie für den Elektromotor eines Leichtfahrzeugs bei der Fahrt mitgeführt werden muss, ist besondere Sorgfalt auf eine energiesparende Antriebseinheit gerichtet. Es hat sich gezeigt, dass die Akkumulatoren mit zunehmender Alterung verschiedene Kapazitäten aufweisen, sodass sie unterschiedlich stark aufgeladen werden. Dadurch werden einerseits die vorhandenen Ladekapazitäten nicht vollständig genutzt, andererseits drohen einzelne Akkumulatoren überladen und somit defekt zu werden. Bspw. ist in der US 5,726,551 eine Batterieladeeinheit gezeigt, bei der die einzelnen
Akkumulatoren nacheinander geladen werden, um Stromspitzen zu vermeiden. Allerdings ergibt sich bei einer solchen Vorrichtung wie oben beschrieben das Problem, dass einzelne Akkumulatoren überladen werden können.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Energieversorgungseinheit bereitzustellen, bei der das Überladen einzelner Akkumulatoren verhindert werden kann. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, entsprechende Verfahren zum Laden von Akkumulatoren dieser elektrischen
Energieversorgungseinheiten bereitzustellen. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches Leichtfahrzeug mit einer elektrische Energieversorgungseinheit bereitzustellen, bei der das Überladen einzelner Akkumulatoren verhindert werden kann.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug bereitgestellt. In diesem ist eine Energiequelle, vorzugsweise eine Brennstoffzelle, zum Erzeugen einer ersten Spannung vorgesehen. An diese erste Spannung ist eine Reihenschaltung von Akkumulatoren mit mindestens einem ersten Akkumulator und einem zweiten Akkumulator angeschlossen. Ein Übertrager weist einen magnetisierbaren Kern auf, wobei unter magnetisierbar verstanden wird, dass die magnetische Feldstärke dieses Kerns verändert werden kann.
Der Übertrager weist zudem eine Primärspule, eine erste Sekundärspule und eine zweite Sekundärspule auf. Die erste Primärspule ist über einen Primärschalter schaltbar an die erste Spannung anschließbar. Ein erster Sekundärschalter ist zum Parallelschalten der ersten Sekundärspule mit dem ersten Akkumulator vorgesehen. Das elektrische Antriebssystem weist ferner einen zweiten Sekundärschalter zum Parallelschalten der zweiten Sekundärspule mit dem zweiten Akkumulator auf. Der erste Sekundärschalter und der zweite Sekundärschalter sind unabhängig voneinander schaltbar.
Die elektrische Energieversorgungseinheit ist so eingerichtet, dass die Akkumulatoren einzeln geladen oder entladen werden können. Zudem ist es möglich, alle Akkumulatoren gleichzeitig aus der in der ersten Spannung gespeicherten Energie zu laden. Dadurch, dass die Primärspule an die erste Spannung anschließbar ist, kann die Energie von einem einzelnen
Akkumulator auf die gesamte Reihenschaltung von Akkumulatoren übertragen werden. Zudem kann Energie von der Reihenschaltung von Akkumulatoren auf einen einzelnen Akkumulator oder eine Auswahl der Akkumulatoren geladen werden.
Die elektrische Energieversorgungseinheit ermöglicht aber auch, Energie von einer der Sekundärspulen auf eine andere Sekundärspule zu übertragen und somit unterschiedliche Ladezustände direkt auszugleichen. Falls die Sekundärschalter jeweils MOS-Transistoren aufweisen, wird die Verlustleistung verringert. Dadurch wird zusätzlich Energie eingespart.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Energieversorgungseinrichtung eine Messschaltung zum Messen der Spannung an einem Anschluss der Primärspule oder zum Messen des Stroms in die Primärspule auf. Durch Schalten einer der Sekundärschalter kann die Spannung, die an dem entsprechenden Akkumulator anliegt, auf der Primärseite gemessen werden. Somit können durch diese Messschaltung die Spannungen an allen Akkumulatoren einzeln gemessen werden, ohne dass einzelne Messschaltungen an der Sekundärseite vorgenommen werden müssten. Zudem kann die gleiche
Messschaltung genutzt werden, um die Höhe der ersten Spannung zu messen.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Messschaltung zum Messen der Spannung an einem Anschluss einer Sekundärspule oder des Stroms in eine Sekundärspule vorgesehen werden. Die Spannungen, die an den Primärspulen anliegen, und die Spannungen, die an den Sekundärspulen anliegen, können bei entsprechenden Beschälten der Primärschalter und Sekundärschalter die Spannung an dem Anschluss, der mit der Messschaltung verbunden ist, verändern.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Auswahlschalter zum Auswählen mindestens einer Verbindung von der Messschaltung zu einem Anschluss einer der Sekundärspulen vorgesehen. Bei dieser Variante kann durch den Multiplexer eine Spannung an einer Sekundärspule gemessen werden, wobei für die Vielzahl von Spannungen nur eine Messschaltung benötigt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Messschaltung zum Messen der Spannung an einem Anschluss einer Sekundärspule oder des Stroms in eine Sekundärspule vorgesehen werden. Die Spannungen, die an den Primärspulen anliegen, und die Spannungen, die an den Sekundärspulen anliegen, können bei entsprechenden Beschälten der Primärschalter und Sekundärschalter die Spannung an dem Anschluss, der mit der Messschaltung verbunden ist, verändern.
Falls die erste Spannung an einem Stack einer Brennstoffzelle anliegt, werden die bei einer Brennstoffzelle üblicherweise vorgesehenen Pumpen überflüssig. Ein Stack besteht einer
Vielzahl von Metalllagen. An den beiden äußeren Metalllagen wird die erzeugte Spannung bereitgestellt. Die erzeugte Spannung ist üblicherweise sehr lastabhängig, der vorgestellte Übertrager ermöglicht aber eine direkte Ansteuerung des Stacks. Besonders geeignet ist die Schaltung für Wasserstoffbrennstoffzellen .
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Auswahlschalter zum Auswählen mindestens einer Verbindung von der Messschaltung zu einem Anschluss einer der Sekundärspulen vorgesehen. Bei dieser Variante kann durch den Multiplexer eine Spannung an einer Sekundärspule gemessen werden, wobei für die Vielzahl von Spannungen nur eine Messschaltung benötigt wird.
In einer Ausführungsform ist ein Gleichspannungswandler zwischen der Brennstoffzelle und der ersten Spannung vorgesehen. Dies empfiehlt sich besonders, falls die verwendete Brennstoffzelle eine Spannung zur Verfügung stellt, die niedriger als die für den Motor am besten geeignete Spannung ist. Bspw. stellt eine übliche
Methanolbrennstoffzelle eine Spannung von 24 V zur Verfügung. Zum Betrieb des Motors werden aber höhere Spannungen bevorzugt, damit die Energieübertragung von dem Energiespeicher zum Motor möglichst verlustarm erfolgt. Der Gleichspannungswandler ermöglicht dadurch, die Spannung an die gewünschte Betriebsspannung des Elektromotors anzupassen.
In einer Ausführungsform ist zusätzlich eine Ladeschaltung zum Laden der Akkumulatoren und/oder zum Laden der Brennstoffzelle aus einer externen elektrischen Energiequelle vorgesehen. Mittels der Ladeschaltung kann bspw. aus einem Versorgungsnetzwerk effizient erzeugte Energie zum Laden der
Akkumulatoren oder der Brennstoffzelle verwendet werden. Falls zusätzliche Energie in der Brennstoffzelle transportiert und dort gespeichert werden soll, muss es sich um eine reversible Brennstoffzelle handeln.
Falls die Akkumulatoren jeweils als Lithium-Ionen- Akkumulatoren ausgeführt sind, kann auf relativ kleinem Raum viel Energie gespeichert werden. Allerdings muss dabei besonders darauf geachtet werden, dass keiner der Akkumulatoren überladen wird. In einer Ausführungsform gehört auch eine Steuerschaltung zum Schalten der Sekundärschalter.
Besonders eignet sich die Erfindung bei einem pedalbetätigten Fahrzeug mit elektrischer Unterstützung, insbesondere Fahrrad. Bei einem solchen ist ein durch menschliche Leistung betriebenes Antriebssystem und ein elektrisches Antriebssystem vorgesehen, wobei eine Leistungsabgabe des elektrischen Antriebssystems in Übereinstimmung mit den Änderungen des Ausgangs des durch menschliche Leistung betriebenen Antriebssystems gesteuert wird. Bei solchen Fahrrädern mit Hilfsmotor ist der Platz für den Brennstoff besonders begrenzt und eine energiesparende Übertragung von Energie in die
Akkumulator erhöht die Reichweite des Fahrzeugs signifikant.
Die Erfindung stellt zudem ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren einer erfindungsgemäßen elektrischen Energieversorgungseinheit eines Fahrzeugs bereit. Dabei wird eine erfindungsgemäße elektrische Energieversorgungseinheit bereitgestellt .
Erst wird der Primärschalter geschlossen und anschließend wieder geöffnet. Anschließend wird der erste Sekundärschalter geschlossen. Damit kann selektiv Energie aus der Reihenschaltung von Akkumulatoren auf einen einzelnen Akkumulator übertragen werden. Es wird das Laden der Akkumulatoren vereinfacht, da die Energiequelle die erste Spannung versorgt. Die entsprechende Energie kann durch das erfindungsgemäße Verfahren auf wenig aufwändige Weise auf die einzelnen Akkumulatoren verteilt werden.
In einer Ausführungsform werden die folgenden Schritte vor dem Schritt des Schließens des Primärschalters durchgeführt:
- Öffnen des Primärschalters und der Sekundärschalter
- Messen der am ersten Akkumulator anliegenden Spannung, und Messen der am zweiten Akkumulator anliegenden Spannung. Somit ist es möglich, zu messen, welche der Akkumulatoren sinnvollerweise als nächstes zu laden ist. Vorzugsweise wird, falls die am ersten Akkumulator anliegende Spannung größer als die am zweiten Akkumulator anliegende Spannung ist, anstatt des Schrittes des anschließenden Schließens des ersten Sekundärschalters ein Schritt des anschließenden Schließens des zweiten Sekundärschalters durchgeführt. Damit wird der Akkumulator, an dem die niedrigere Spannung anliegt, geladen.
In einer Ausführungsform wird die Messung derart durchgeführt, dass die Spannung am ersten Akkumulator durch Messen der
Spannung an einem Anschluss der Primärspule oder durch Messen des Stroms in die Primärspule gemessen wird. Dadurch können sämtliche Spannungen an den Akkumulator mit einer einzigen Messschaltung gemessen werden. Gegenüber Vorrichtungen mit mehreren Messschaltungen ergibt sich der Vorteil, dass keine Produktionsunterschiede zwischen den verschiedenen Messschaltungen Messfehler hervorrufen können.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Energieversorgungssystem mindestens eine weitere
Reihenschaltung von Akkumulatoren. Eine weitere Spule ist vorgesehen, die mit der an die Spannung, die an der erste
Reihenschaltung von Akkumulatoren anliegt, anschließbar ist.
Somit kann auch die Spannung zusätzlich von einem Akkumulator auf eine einzelne von mehreren Reihenschaltungen übertragen werden, falls nur die Spannung, die an dieser Reihenschaltung anliegt, zu gering ist.
In einer Ausführungsform wir der Schwellwert anhand der an den Akkumulatoren der Reihenschaltung anliegenden Spannungen berechnet, womit die Akkumulatoren gleichmäßig geladen werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 ein pedalgetriebenes Fahrzeug;
Figur 2 ein elektrisches Antriebsystem des Fahrzeugs aus Figur 1 ;
Figur 3 das Entladen eines Akkumulators des elektrischen Antriebssystems;
Figur 4 den Signalverlauf zum Entladen des Akkumulators;
Figur 5 das Laden eines Akkumulators des elektrischen Antriebssystems;
Figur 6 die Signalverläufe zum Laden des Akkumulators;
Figur 7 ein Prinzipschaubild zum Messen der Ladezustände der Akkumulatoren;
Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen AntriebsSystems;
Figur 9 den Stromverbrauch zum Laden und Entladen der Akkumulatoren .
Figur 10 zeigt einen Leistungsvergleich zwischen einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Lademethode. Figur 11 zeigt einen Ausschnitt aus dem elektrischen Antriebssystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel .
Figur 1 zeigt in der Seitenansicht den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Fahrrads 1 mit Pedalen, die durch menschliche Leistung betrieben werden, und mit einer elektrischen Antriebseinheit 3. Die Pedale 2 und die elektrische Antriebseinheit 3 bewirken beide die Bewegung einer Kette 4 und damit des Hinterrads 5. Das pedalgetriebene Fahrzeug ist ein Beispiel für ein elektrisches Leichtfahrzeug, es kann sich aber beispielsweise auch um einen Rollstuhl oder einen Motorroller handeln.
Figur 2 zeigt in einem Schaltbild das elektrische
Antriebssystem 3. Das elektrische Antriebssystem 3 weist einen AC/DC-Wandler 9, einen Übertrager 12, einen Mikroprozessor 13, einen Gleichspannungswandler 14, eine Brennstoffzelle 10, eine Spannungsmessschaltung 15, eine Strommessschaltung 16 und einen Motor 17 auf. Die Brennstoffzelle 10, die bspw. als
Methanolbrennstoffzelle ausgeführt ist, erzeugt eine Spannung UB von 24 V. Der Gleichspannungswandler 14 erzeugt aus dieser Spannung die sogenannte erste Spannung Ul von 40 V, die zwischen einem Knoten K und der Masse 36 anliegt. Diese erste Spannung Ul liegt auch am Motor 17 an, damit er bei einer Drehmomentanforderung das Fahrzeug antreibt.
Ebenfalls an die erste Spannung Ul ist die Spannungsmessschaltung 15, die auch Schaltungen zum Energiemanagement enthält, angeschlossen. Diese
Spannungsmessschaltung 15 misst die erste Spannung Ul und erhält Informationen über den zu erwartenden Verbrauch. Entsprechend der Höhe der ersten Spannung Ul und der Höhe des erwarteten Verbrauchs steuert die Spannungsmessschaltung 15 die Brennstoffzelle 10 an, um die Spannung Ul zu erhöhen.
Die von der Brennstoffzelle 10 bereitgestellte Energie wird in der Reihenschaltung der Akkumulatoren Cl bis Cn gespeichert. Dabei ist ein erster Anschluss des Akkumulators Cl mit der Masse 36 verbunden, während sein zweiter Anschluss mit dem ersten Anschluss des zweiten Akkumulators C2 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss des zweiten Akkumulators C2 ist mit dem ersten Anschluss des Akkumulators C3 verbunden, woran sich die Serie der übrigen Akkumulatoren anschließt. In einem gewählten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl an Akkumulatoren n=10, sodass jeder der Akkumulatoren Cl bis Cn die elektrische Ladung bei einer Spannung von jeweils 4 V speichert.
Bei einigen Typen von Akkumulatoren, bspw. Lithium-Ionen- Akkumulatoren, muss besonders darauf geachtet werden, dass eine einzelne Zelle nicht überladen wird. Liegt an einem der Akkumulatoren eine zu hohe Spannung an, so wird der
Akkumulator defekt, sodass in der gesamten Reihenschaltung aus Akkumulatoren keine Energie mehr gespeichert wird.
Um dafür zu sorgen, dass die Akkumulatoren Cl bis Cn gleichmäßig aufgeladen werden, ist der Übertrager 12 vorgesehen. Der Übertrager 12 weist einen magnetisierbaren Kern 11 auf. Um diesen Kern 11 ist eine Primärspule Np gewickelt, die in dem Ausführungsbeispiel 90 Wicklungen aufweist. Ein erster Anschluss Al der Primärspule Np ist mit dem Knoten K verbunden, während ein zweiter Anschluss A2 der Primärspule mit einem ersten Anschluss eines Primärschalters SpI verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit der Masse 36 verbunden ist. Der Primärschalter SpI weist zudem einen Schalteingang auf. In Abhängigkeit dieses Schalteingangs wird eine Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss geschlossen bzw. geöffnet.
Der Übertrager 12 weist zudem n Sekundärspulen auf. In der Figur 2 sind die erste Sekundärspule Nl, die zweite Sekundärspule N2, die dritte Sekundärspule N3, sowie die n-te Sekundärspulen Nn explizit eingezeichnet. Diese Sekundärspulen Nl bis Nn weisen jeweils drei Wicklungen auf, die um den Kern 11 gelegt sind. Der Kern 11 ist magnetisierbar und dient zur Energieübertragung von der Primärspule Np auf eine Sekundärspule oder auf mehrere der Sekundärspulen Nl bis Nn. Jeder der Sekundärspulen ist zu einem der Akkumulatoren Cl bis Cn parallel schaltbar.
Die Sekundärspulen Nl bis Nn weisen jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss auf, die sich jeweils an einem Ende der Gesamtheit der Windungen befinden. Der erste Anschluss einer Sekundärspule ist mit dem zweiten Anschluss eines Akkumulators verbunden, während der zweite Anschluss der Sekundärspule mit einem ersten Anschluss eines
Sekundärschalters verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit dem ersten Anschluss des Akkumulators verbunden ist. Ein Schalteingang des Sekundärschalters steuert, ob die elektrische Verbindung des ersten Anschlusses mit dem zweiten Anschluss des Sekundärschalters geschlossen ist.
Der zweite Anschluss des ersten Akkumulators Cl ist mit dem ersten Anschluss der ersten Spule Nl verbunden, deren zweiter Anschluss mit dem ersten Anschluss des ersten Schalters Sl verbunden ist. Der zweite Anschluss des Schalters Sl ist mit dem ersten Anschluss des Akkumulators Cl verbunden. Desgleichen ist der zweite Anschluss des zweiten Akkumulators C2 mit dem ersten Anschluss der zweiten Sekundärspule N2 verbunden. Der erste Anschluss des zweiten Schalters S2 ist mit dem zweiten Anschluss der zweiten Sekundärspule N2 verbunden und sein zweiter Anschluss ist mit dem ersten Anschluss des zweiten Akkumulators C2 verbunden. Die Verbindungen zwischen den Akkumulatoren, Sekundärspulen und Schaltern erfolgt für die restlichen Akkumulatoren C3 bis Cn auf die gleiche Weise. Der MikroController 13 steuert die Schalter SpI und Sl bis Sn des Übertragers 12 jeweils an. Durch Schließen eines der Sekundärschalters Sl bis Sn wird eine Sekundärspule mit einem Akkumulator parallel geschaltet.
Die Akkumulatoren können alternativ auch von der Ladeschaltung 9, die mit einem Stecker mit einem externen Wechselstromnetz bspw. von 110 oder 230 V angeschlossen wird, geladen werden. Dazu wird der Ladeschalter SLl geschlossen, womit die Reihenschaltung aus Ladeschalter SLl und Ladeschaltung 11 mit der Reihenschaltung aus Akkumulatoren Cl bis Cn verbunden wird, die dadurch geladen werden. Dabei wird die Brennstoffzelle 10 ausgeschaltet. Dieses Laden ist sinnvoll, wenn Energie aus der Steckdose billiger als die Energie aus der Brennstoffzelle ist.
Falls es sich bei der Brennstoffzelle 10 über eine reversible Brennstoffzelle handelt, ist es auch möglich, überschüssige elektrische Energie in der Brennstoffzelle 10 in chemische Energie in der Brennstoffzelle 10 umzuwandeln, um sie dort zu speichern. Figur 3 veranschaulicht den Entladevorgang eines der Akkumulatoren in zwei Phasen. Rechts neben den Akkumulatoren Cl bis C6 sind jeweils die Ladezustände der Akkumulatoren gezeigt. Die Akkumulatoren Cl, C3, C4 und C6 sind jeweils zu 90 % geladen, der zweite Akkumulator C2 ist zu 70 % aufgeladen, während der fünfte Akkumulator C5 zu 100 % aufgeladen ist. Der fünfte Akkumulator C5 droht bei Überschreiten der 100 % defekt zu werden.
Zunächst wurden von dem Mikroprozessor 13 die Ladezustände der einzelnen Akkumulatoren Cl bis C6 gemessen, indem jeweils ein Sekundärschalter Sl bis Sn geschlossen wird. Anschließend wird die Spannung am zweiten Anschluss A2 der Primärspule gemessen, woraus auf die Ladezustände der einzelnen Akkumulatoren Cl bis C6 geschlossen wird.
Bei der Messung wird festgestellt, dass der fünfte Akkumulator C5 entladen werden muss. In einer ersten Phase, die links in der Figur gezeigt wird, wird der fünfte Sekundärschalter S5 geschlossen, wodurch sich der Strom in der fünften
Sekundärspule N5 erhöht. Dadurch wird das in dem Kern 11 vorhandene Magnetfeld verändert, wobei Energie von der fünften Sekundärspule N5 auf den Kern 11 übertragen wird.
In einer zweiten Phase, die rechts in der Figur dargestellt wird, wird zunächst der fünfte Sekundärschalter S5 wieder geöffnet, bevor der Primärschalter SpI geschlossen wird. Das Magnetfeld im Kern 11 induziert eine Spannung in der Primärspule Np, die die über der Reihenschaltung der Akkumulatoren Cl bis C6 anliegende erste Spannung Ul erhöht. Da nur einer der Akkumulatoren Cl bis C6 entladen wird, wird relativ wenig Ladung umgeladen, so dass die Erhöhung der ersten Spannung Ul nicht so groß ist, dass dies eine Gefahr für das elektrische Antriebssystem 3 bedeuten würde.
Figur 4 zeigt ausgewählte Signalformen der Spannungen und Ströme aus Figur 3. Die Signalverläufe sind für eine Periode tcycie von 40 μs dargestellt. Die Periode unterteilt sich in eine Sekundärphase PS, eine Primärphase PP und eine Pause.
Der Primärschalter SPl und der fünfte Sekundärschalter S5 sind jeweils als NMOS-Transistoren ausgebildet. Ihre jeweilige Verbindung wird geschlossen, wenn die Spannung an ihrem Steuereingang 2 V überschreitet. Während des Sekundärpulses PS wird der fünfte Sekundärschalter S5 durch Anlegen einer Spannung von 5 V am Gate des fünften Sekundärschalters S5 geschlossen. Dadurch steigt der Strom IDS durch die fünfte
Sekundärspule N5 von 0 A auf etwa 18 A. Dadurch wird Energie auf den Kern 11 übertragen. Zu Beginn der auf die Sekundärphase folgende Primärphase wird die Spannung am Gate des fünften Schalters S5 auf 0 V reduziert. Zudem wird die Spannung am Gate des Primärschalters SPl von 0 auf 5 V erhöht, sodass der Primärschalter SPl geschlossen wird.
In der Primärspule NP wird nun Spannung induziert, sodass ein Strom von anfangs 5 A, der anschließend linear auf 0 A abfällt, erzeugt wird. Dieser erhöht die erste Spannung Ul. Am Ende des Primärpulses wird auch die Spannung am Gate des Primärschalters SPl auf 0 V gesenkt, sodass während der Pause keiner der Schalter SP, Sl bis S6 geöffnet ist.
Nach der Pause schließt sich wieder eine Sekundärphase an, falls noch einer der Akkumulatoren Cl bis C6 entladen werden soll. Figur 5 veranschaulicht das Laden eines der Akkumulatoren in zwei Phasen. Die Akkumulatoren Cl bis C6 sind in der ersten Phase genauso aufgeladen wie während der ersten Phase in Figur 3. Die Steuerschaltung hat erkannt, dass der zweite
Akkumulator C2 nicht genügend aufgeladen wurde. Aus diesem Grund wird das Verfahren zum selektiven Aufladen des Akkumulators C2 gestartet. Während der ersten Phase wird der erste Primärschalter SPl geschlossen, sodass sich ein Spannungsabfall über die Primärspule NP ergibt. Der dadurch erzeugte Strom bewirkt eine Änderung des Magnetfeldes im Kern 11, wodurch Energie in den Kern 11 übertragen wird.
Bei der, in Figur 5 auf der rechten Seite dargestellt, zweiten Phase wird der Primärschalter SPl zunächst geöffnet, bevor der zweite Sekundärschalter S2 geschlossen wird. Dadurch wird die zweite Sekundärspule N2 parallel zum zweiten Akkumulator C2 geschaltet. In der zweiten Sekundärspule N2 wird nun eine Spannung aufgebaut, die anschließend durch einen Entladestrom verringert wird. Dieser Entladestrom 12 bewirkt, dass der zweite Akkumulator C2 auf einen Wert 70 % + x der Ladekapazität aufgeladen wird.
Figur 6 zeigt die Signalverläufe an ausgewählten Knoten während der zwei in Figur 5 dargestellten Phasen. Die Periode tcycie ist unterteilt in eine Primärphase, eine Sekundärphase und eine Pause, die nacheinander abfolgen.
Während der Primärphase wird das Gate des Primärschalters SPl mit einer Spannung von 5 V angesteuert, sodass der
Primärschalter SPl schließt. Dadurch steigt der Strom in der Primärspule Np von 0 A auf etwa 4 A an. Zu Beginn der Sekundärphase wird die Spannung am Gate des Primärschalters SPl auf Null gesenkt und anschließend die Spannung am Gate des zweiten Sekundärschalters S2 auf 5 V erhöht. Der sich ergebende Strom von Anfang 15 A sinkt innerhalb von 12 μs auf 0 A ab.
Mit Hilfe der Schaltung lässt sich Energie von der Reihenschaltung der Akkumulatoren Cl bis Cn auf einen einzelnen der Akkumulatoren Cl bis Cn übertragen. Besonders vorteilhaft ist, dass dabei nur ein Übertrager 12 benötigt wird. Mehrere Übertrager würden die Verlustleistung erhöhen. Dies ist besonders vorteilhaft, weil die Energie, die von der Brennstoffzelle 10 bereitgestellt wird, zunächst an der Reihenschaltung der Akkumulatoren Cl bis Cn bereitgestellt wird und somit ein schnelles und effektives Weiterleiten der
Energie in die einzelnen Akkumulatoren Cl bis Cn möglich wird.
Auch ist von Vorteil, dass mit der gleichen Schaltung und mit dem Primärschalter SpI in beide Richtungen, d. h. von einem einzelnen Akkumulator zu der Reihenschaltung und von der Reihenschaltung zu einem einzelnen Akkumulator Energie transportiert werden kann.
Figur 7 zeigt die Schaltung zum Messen der Ladungskapazitäten der Akkumulatoren Cl bis Cn. Der MikroController 13 steuert nacheinander selektiv die Sekundärschalter Sl, S2, S3 bis Sn an, um sie nacheinander für jeweils eine kurze Zeit einzuschalten. Durch das Einschalten wird eine Spannung in einer der Sekundärspulen Nl bis Nn erzeugt, die eine Änderung der Spannung an dem zweiten Anschluss A2 der Primärspule Np bewirkt. Die Spannung liegt an dem Eingang des Tiefpassfilters 22 an, dessen Ausgang mit dem Eingang ADCin des MikroControllers 13 verbunden ist. Dieser Eingang ist der Eingang eines Analog-Digital-Wandlers, mit dessen Hilfe die gefilterte Spannung zunächst analog gewandelt und anschließend digital weiterverarbeitet wird.
Je nachdem, wie groß die Spannung am Akkumulator ist, ist die Spannung am zweiten Anschluss A2 der Primärspule NP größer oder kleiner. Mittels der beschriebenen Vorrichtungen werden die Spannungen über den Akkumulatoren Cl bis Cn gemessen und verglichen. Ist eine der Spannungen größer als 5 % des Mittelwerts aller Spannungen, so wird der entsprechende Akkumulator entladen. Ist dagegen die Spannung an einem der Akkumulatoren kleiner als 5 % des Mittelwerts aller über den Akkumulatoren anliegenden Spannungen, so wird dieser Akkumulator geladen. Dadurch wird während sämtlicher Lade- und Entladevorgänge dafür gesorgt, dass die Akkumulatoren jeweils in etwa gleich viel geladen sind, wodurch ein Überladen eines Akkumulators verhindert wird und die Akkumulatoren gleichmäßig geladen werden.
Es ist auch möglich, zusätzlich zu den einzelnen Ladevorgängen alle Akkumulatoren Cl bis Cn gleichzeitig zu laden bzw. zu entladen, indem alle Sekundärschalter Sl bis Sn gleichzeitig geschlossen werden. Dies ist in der gewählten Ausführungsform nur für kurze Zeiträume vorgesehen. Nach diesen kurzen
Zeiträumen werden wieder die Spannungen gemessen und die Akkumulatoren selektiv je nach Bedarf geladen bzw. entladen.
Ein in Figur 2 gezeigter Block von zehn Akkumulatoren hat eine Kapazität von 10 bis 20 Ah. Der Übertrager ist etwa
4 cm x 4 cm x 1 cm groß und vermag etwa 10 A zu übertragen. Die Effizienz liegt bei 98 %, d. h., lediglich 2 % der Leistung wird in Verlustwärme umgewandelt.
Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Übertragers. Über den Kern 11 ist zusätzlich eine Tertiärspule Nhv gewickelt. Es ist somit möglich, die Energie auch an eine weitere Reihenschaltung von Akkumulatoren zu übertragen. Eine Reihenschaltung von Akkumulatoren wird im Folgenden auch als Block bezeichnet.
So kann Energie von der Primärspule Np auf die Tertiärspule Nhv oder umgekehrt übertragen werden. Alternativ kann Energie auch von den Sekundärspulen Nl bis Nn auf die Tertiärspule Nhv geschaltet werden.
Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Blöcken 120 und 121, die jeweils eine Reihenschaltung aus Akkumulatoren Cl bis Cn, sowie dazu parallel geschaltete Übertrager 12 aufweisen. Der Block 120 ist mit seinem negativen Pol an die Masse 36 angeschlossen und mit seinem positiven Pol an den negativen
Pol des Blocks 121 angeschlossen, dessen positiver Pol mit dem Knoten K verbunden ist. Es ist auch möglich, weitere Blöcke in Serie mit den Blöcken 120 und 121 zu schalten.
Der Block 120 stellt eine Spannung U120 zur Verfügung, während der Block 121 eine Spannung U121 zur Verfügung stellt. Die beiden Spannungen U120 und U121 addieren sich zu der ersten Spannung Ul . Die Primärspulen Np dienen zum Übertragen von Energie aus einem Akkumulator auf einen gesamten Block 120 bzw. 121. Der Block 121 enthält eine Tertiärschalter StI, eine Sekundärspule NtI, sowie eine Diode Dl. Der erste Anschluss des Tertiärschalters StI ist mit der Masse 36 verbunden, während sein zweiter Anschluss mit einem ersten Anschluss der Tertiärspule NtI verbunden ist, deren zweiter Anschluss mit der Anode der Diode Dl verbunden ist. Die Kathode der Diode ist mit dem Knoten K verbunden.
Ebenfalls in Reihenschaltung sind der Tertiärschalter St2, die Tertiärspule Nt2, sowie die Diode D2 miteinander verschaltet. Ein erster Anschluss des Schalters St2 ist mit der Masse verbunden, sein zweiter Anschluss ist mit einem ersten Anschluss der Tertiärspulen Nt2 verbunden. Der zweite
Anschluss der Tertiärspule Nt2 ist mit der Anode der Diode D2 verbunden, deren Kathode auf dem Potenzial der Spannung Ul liegt .
Mittels der Tertiärspulen NtI und Nt2 kann Energie, die durch die erste Spannung Ul bereitgestellt wird, in einzelne Akkumulatoren Cl bis Cn der Blöcke 120 und 121 geladen werden.
Figur 10 zeigt einen Vergleich der Leistungsaufnahme einer aus dem Stand der Technik bekannten Ladeschaltung mit der vorgestellten aktiven Ladeschaltung. Die einzelnen Akkumulatoren haben eine Zielspannung von jeweils 3,6 V. Die mit I gekennzeichnete Ladeschaltung weist eine Serienschaltung von Widerständen auf, deren Verbindungsknoten selektiv mit einem Anschluss eines Akkumulators verbunden werden. Die
Verlustleistung für das Laden und Entladen der Akkumulatoren ist entsprechend groß, sodass eine Leistungsaufnahme von 18,5 W simuliert wurde, wobei 18 W durch den tatsächlichen Umladevorgang bedingt sind und 0,5 W von der Steuerschaltung verbraucht werden. Die mit II gezeigte Ladeschaltung entspricht einer der oben vorgestellten aktiven Ladeschaltung eines elektrischen Antriebssystems. Die Leistungsaufnahme für die aktive Ladungsschaltung beträgt 2 W, wobei wieder 0,5 W auf die Steuerschaltung, die im Wesentlichen in dem MikroController realisiert ist, entfällt.
Figur 11 zeigt einen Ausschnitt aus dem elektrischen Antriebssystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In der Figur sind die Reihenschaltung von Akkumulatoren Cl bis Cn, die Sekundärspulen Sl bi Sn und die Sekundärspulen Nl bis Nn gezeigt, wie sie aus beispielsweise Figur 2 bekannt sind.
Ein Unterschied ergibt sich bezüglich der Messschaltung 13. Es ist ein n:l Multiplexer vorgesehen, der einen der Zwischenknoten zwischen den Kondensatoren Cl bis Cn auf den Eingang des Tiefpassfilters 22 schaltet, dessen Ausgang mit dem Eingang ADCin des Mikroprozessors 13 verbunden ist. Die Messung erfolgt im Mikroprozessor 13 analog wie in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 7.
Bezugs zeichenliste
1 Fahrrad
2 Pedale 3 elektrische Antriebseinheit
9 Kern
10 Brennstoffzelle
11 AC/DC-Wandler
12 Übertrager 13 MikroController
14 Gleichspannungswandler
15 Spannungsmessschaltung
16 Strommessschaltung
17 Motor 22 Tiefpassfilter
Cl erster Akkumulator
C2 zweiter Akkumulator
C3 dritter Akkumulator
Sl erster Schalter S2 zweiter Schalter
S3 dritter Schalter
Nl erste Sekundärspule
N2 zweite Sekundärspule
N3 dritte Sekundärspule Np Primärspule
SpI Primärschalter
Ul erste Spannung
U120 erste Teilspannung
U121 zweite Teilspannung UB Brennstoffzellenspannung
SLl Ladeschaltungsschalter

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Energieversorgungseinheit (3) für ein
Fahrzeug, folgendes aufweisend: - eine Energiequelle (10) zum Erzeugen einer ersten Spannung (Ul) ,
- eine an die erste Spannung (Ul) angeschlossene Reihenschaltung von Akkumulatoren (Cl, C2, C3, Cn) mit mindestens einem ersten Akkumulator (Cl) und einem zweiten Akkumulator (C2),
- einen Übertrager (12), der einen magnetisierbaren Kern
(11), eine Primärspule (Np), eine erste Sekundärspule (Nl) und eine zweite Sekundärspule (Nl) aufweist, wobei die Primärspule (Np) durch einen Primärschalter (SpI) schaltbar an die erste Spannung (Ul) anschließbar ist,
- einen ersten Sekundärschalter (Sl) zum Parallelschalten der ersten Sekundärspule (Nl) mit dem ersten Akkumulator
(Cl) und einen zweiten Sekundärschalter (S2) zum Parallelschalten der zweiten Sekundärspule (N2) mit dem zweiten Akkumulator (C2), wobei der erste Sekundärschalter (Sl) und der zweite Sekundärschalter (S2) unabhängig voneinander schaltbar sind.
2. Elektrische Energieversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle eine Brennstoffzelle (10) enthält.
3. Elektrische Energieversorgungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärschalter jeweils als MOS-Transistoren ausgebildet sind.
4. Elektrische Energieversorgungseinheit nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Messschaltung zum Messen der Spannung an einem Anschluss (A2) der Primärspule (Np) oder des Stroms in der Primärspule (Np) .
5. Elektrische Energieversorgungseinheit nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Messschaltung zum Messen der Spannung an einem
Anschluss einer Sekundärspule (Nl, N2) oder des Stroms in eine Sekundärspule (Nl, N2) .
6. Elektrische Energieversorgungseinheit nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Auswahlschalter (110) zum Auswählen einer Verbindung von der Messschaltung zu einem Anschluss einer der Sekundärspulen (Nl, N2) .
7. Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichspannungswandler (14) zwischen der
Brennstoffzelle (10) und der ersten Spannung (Ul) vorgesehen ist.
8. Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladeschaltung (9) zum Laden der Akkumulatoren (Cl, C2, C3, Cn) und/oder der Brennstoffzelle (10) aus einer externen elektrischen Energiequelle vorgesehen ist.
9. Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatoren (Cl, C2, C3, Cn) jeweils als Lithium- Ionen-Akkumulatoren ausgeführt sind.
10. Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, eine Steuerschaltung (13) zum Schalten der
Sekundärschalter (S1,S2,S3, Sn) .
11. Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der
Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Spannungsmessschaltung (15) zum
Messen der ersten Spannung (Ul) .
12. Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der
Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Reihenschaltung (121) von Akkumulatoren vorgesehen ist und eine weitere Spule (NpI) vorgesehen ist, die an die Teilspannung (U120), die an der erste Reihenschaltung von Akkumulatoren anliegt, anschließbar ist.
13. Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung (Ul) an einem Stack einer Brennstoffzelle anliegt.
14. Elektrisches Leichtfahrzeug mit einer elektrischen Energieversorgungseinheit (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Elektrisches Leichtfahrzeug nach einem der Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein pedalbetätigtes Fahrzeug mit elektrischer Unterstützung, insbesondere Fahrrad, mit einem durch menschliche Leistung betriebenen Antriebssystem und einem elektrischen Antriebssystem handelt, wobei eine Leistungsabgabe des elektrischen Antriebssystems in Übereinstimmung mit den Änderungen des Ausgangs des durch menschliche Leistung betriebenen Antriebssystems gesteuert wird.
16. Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energieversorgungseinheit einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen einer elektrischen
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, - Schließen des Primärschalters (SpI),
- Öffnen des Primärschalters (SpI),
- anschließendes Schließen des ersten Sekundärschalters (Sl) .
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet durch die folgenden Schritte vor dem Schritt des Schließens des Primärschalters (SpI) - Öffnen des Primärschalters (SpI) und der Sekundärschalter (Sl, S2)
- Messen der am ersten Akkumulator (Cl) anliegenden Spannung, und Messen einer am zweiten Akkumulator (C2) anliegenden Spannung.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet dass
- falls die am ersten Akkumulator anliegende Spannung größer als am zweiten Akkumulator anliegende Spannung ist, anstatt des Schrittes des anschließenden Schließens des ersten Sekundärschalters ein Schritt des anschließenden Schließens des zweiten Sekundärschalters durchgeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der am ersten Akkumulator anliegenden Spannung durch Messen einer Spannung oder eines Strom an einem Anschluss (Al, A2) der Primärspule (Np) erfolgt.
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