WO2011045188A2 - Energiespeicher-system zur elektrischen energieversorgung von verbrauchern in einem fahrzeug - Google Patents

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WO2011045188A2 PCT/EP2010/064572 EP2010064572W WO2011045188A2 WO 2011045188 A2 WO2011045188 A2 WO 2011045188A2 EP 2010064572 W EP2010064572 W EP 2010064572W WO 2011045188 A2 WO2011045188 A2 WO 2011045188A2
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • Energy storage system for supplying electrical energy to consumers in a vehicle
  • the invention relates to an energy storage system for supplying electrical energy to consumers in a vehicle, in particular in a motor vehicle, and to a method for regenerating an energy store in such an energy storage system.
  • the energy storage of an integrated in a vehicle energy storage system from at least two energy storage devices are cyclically discharged and charged during operation. This leads over a longer time to a deterioration of the performance of the energy storage or to a reduction in the life of the energy storage. From the prior art, therefore, methods are known with which an energy storage in an energy storage system can be regenerated in a suitable manner, thereby counteracting the deterioration of the functionality of the energy storage or the reduction of its life.
  • the document WO 2007/104325 A1 discloses a method for regenerating a capacitive energy store in the form of a cell combination of cells connected in series from double-layer capacitors. This type of energy storage is often referred to as supercaps and allows the storage of energy with high power density. There is the problem that due to the cyclic charging and discharging of the cell network, voltage drifts occur between the individual cells, which lead to overvoltages in some cells and to undervoltages in other cells.
  • the regeneration described in the cited document WO 2007/104325 A1 is based on a charging process which carries out a symmetrization of the cells, so that the same voltage is again generated by all the cells. This is a so-called. Active bypass balancing circuit is used, which ensures during the execution of the symmetrization that is dissipated at too high overvoltage in a cell current through an electrical resistance.
  • the known from the prior art method for regenerating an energy storage in an energy storage system of a vehicle have the disadvantage that when performing the regeneration impairments of functionalities of the vehicle may occur, especially when the regeneration process is started while driving the vehicle.
  • the object of the invention is therefore to ensure in an energy storage system of a vehicle from at least two energy storage that the process of regeneration of an energy storage is performed without or only with minor impairment of functionalities of the vehicle.
  • the energy storage system comprises a first energy network with a first energy store and a second energy network with a second energy store, wherein the first and second energy network - e.g. via a converter or switch - are electrically coupled such that electrical energy from the first power network can be supplied to the second power network for the regeneration of the second energy store.
  • the first power grid and the second power grid are preferably DC grids, which are coupled to one another via a DC / DC converter.
  • the first and the second energy storage of the two energy networks can be connected in parallel and optionally also in series with each other.
  • the energy storage system according to the invention is characterized in that it is operable to detect when a number of conditions are met, wherein the number of conditions at least the condition that an external charger, which is not part of the energy storage system is connected to the first power network for charging the first energy storage. In case of the number conditions is met, the regeneration of the second energy storage is performed.
  • the invention is based on the finding that the system functionalities of the vehicle are generally least affected when a regeneration of an energy store is carried out when a charging process is performed by an external charger. This is because when connecting an external charger usually no other functionalities or electrical consumers of the vehicle are used and thus the operation of the vehicle is not affected.
  • the number of conditions in addition to the above condition that an external charger is connected include one or more other conditions, which are used for example for plausibility, no further, by the energy storage system consumed consumers.
  • the number of conditions can furthermore include the condition or the conditions that the vehicle is stationary and / or the ignition of the vehicle is switched off and / or no state deviating from the normal state of the second energy store is detected. The latter condition serves to ensure that there is no faulty operating state of the energy store when carrying out the regeneration, which under certain circumstances can lead to damage to the energy store.
  • Such, from the normal state of the energy storage deviating state can be determined, for example, via the measurement of the temperature of the second energy storage, wherein it is determined that a non-normal state is present when the temperature exceeds a predetermined threshold. In this case, then the regeneration of the second energy storage is not initiated.
  • the termination conditions are configured such that a termination condition is met if at least one of the above conditions according to which the regeneration was started is not fulfilled.
  • the number of termination conditions may include one or more of the following termination conditions:
  • the external charger is terminated by the first power grid
  • the regeneration of the second energy storage is terminated after successful implementation.
  • the regeneration may be continued for a predetermined period of time, in particular until a predetermined state of charge of the first energy store is reached, e.g. until the first energy store is fully charged.
  • the regeneration is based on the already mentioned balancing of the second energy store, wherein any known Symmetri fürsver- known from the prior art can be used.
  • the balancing is carried out by an active bypass circuit in the second power network, which has been described above.
  • the balancing is based on that in the publication WO
  • the first energy store of the first energy network is a battery, in particular a 12V battery, for example a lead-acid battery or a nickel-metal hydride battery.
  • the first power grid is preferably the conventional vehicle electrical system of a vehicle, over which the majority of the electrical load of the vehicle is fed.
  • the second energy store of the second energy network is a capacitive energy store, in particular the already mentioned energy store of one or more cells made of double-layer capacitors.
  • the second power grid is preferably an extension of the conventional electrical system of the vehicle, which is used to feed consumers who need a different voltage from the electrical system or which record very high power in certain constellations and this requires support by a second energy storage.
  • the second energy network is the energy network of the electric motor of a hybrid drive which has a second energy store for driving the electric motor. Since it can be assumed that the hybrid drive is not in operation when an external charger is connected, this does not restrict the system functionalities of this drive when carrying out the regeneration.
  • the invention further relates to a method for regenerating an energy store in such an energy storage system, wherein the method can be used in combination with each variant of the energy storage system described above.
  • the method is thus used in an energy storage system which comprises a first energy network with a first energy store and a second energy network with a second energy store, wherein the first and second energy networks are electrically coupled such that electrical energy from the first energy network is the second energy network can be supplied for regeneration of the second energy storage. It is detected when a number of conditions is met, wherein the number of conditions at least the condition that an external charger is connected to the first power network for charging the first energy storage.
  • the conditions may include other conditions as described above.
  • the regeneration of the second energy store is carried out, wherein the regeneration is in particular the balancing described above.
  • the method is preferably used in energy storage systems, in which the second energy storage is a capacitive Energy storage is, in particular a cell composite of one or more cells of double-layer capacitors.
  • the invention further relates to a vehicle, in particular a motor vehicle, which comprises the energy storage system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of an energy storage system according to the invention in a motor vehicle
  • FIG. 2 is a schematic representation of the sequence of the regeneration of an energy store in the energy storage system of FIG. 1.
  • the electrical system E1 is connected via a DC-DC converter W to the further power grid E2, which represents an extension of the electrical system E1 in the embodiment of FIG.
  • This energy network comprises a capacitive energy store C and feeds further consumers, which are designated schematically by reference symbol V2.
  • the consumers V1 are common consumers to be electrically operated in a motor vehicle, such as radio, navigation system, electric seat adjustment and the like.
  • the energy network E2 can be operated with the same or with a different DC voltage as the electrical system E1.
  • the energy network E2 a 24V dc network.
  • On the power grid E2 depend such consumers V2, which require a higher voltage than the consumers of the on-board electrical system E1 or which record very high power in certain operating situations, which can no longer be provided via the converter W from the electrical system E1 available.
  • An example of a consumer V2 is an electric steering, which takes a lot of power during certain operations, such as when parking the vehicle.
  • the capacitive energy store C which is designed as an arrangement of a plurality of cells made of double-layer capacitors, which is usually also referred to as a supercap, is provided in the energy network E2.
  • the energy store C is charged.
  • Energy accumulators in the form of supercaps have the property that the individual voltages of the series-connected capacitive cells drift apart by cyclical charging and discharging, which over a longer period leads to a deterioration of the performance of the supercaps or to a reduction in the lifetime of the supercaps. Accordingly, at regular intervals, for example, two to five times a year, a regeneration process of the energy storage C should be performed in which the individual cells of the energy storage are balanced by a corresponding charging, so that all cells provide substantially the same voltage again.
  • balancing of energy accumulators per se is known from the prior art, and in the embodiment described here a balancing is used with the use of an active-bypass balancing circuit which overcurrents at too high a voltage in a cell dissipates an electrical resistance.
  • the process of balancing is performed at regular intervals on the activation of the regeneration function in the converter W, wherein the regeneration process is not coupled to specific criteria of vehicle operation. Therefore, during the regeneration process, system functions of the vehicle may be impaired, especially if the regeneration process is initiated while the vehicle is running. In the energy storage system of FIG. 1, this problem is avoided by starting the regeneration process at the start of the regeneration process. End of an external charger is coupled to the first power network E1, as will be explained below with reference to FIG. 2.
  • FIG. 2 shows the method steps which are carried out in the energy storage system of FIG. 1 during the balancing of the energy store C.
  • the method begins in step S1 with the start of a detection function, which checks in the energy storage system, whether the battery B is recharged via an externally connected charger (step S2). If this is the case, further activation conditions are checked in step S3, which must be fulfilled in order to cause the symmetrization of the second energy store C.
  • the further activation conditions represent protection mechanisms which ensure that the vehicle is in a state in which no functional impairment due to the balancing occurs or which ensure that the balancing does not lead to damage of the second energy store or of consumers in the vehicle
  • the further activation conditions include the condition that the vehicle is stationary and the ignition of the vehicle is switched off. In this way, it can be plausible that the vehicle is in an inactive state in which no system functionalities are used.
  • Another activation condition may be, for example, that the temperature of the energy store C is below a threshold value. When the threshold value is exceeded, a malfunction of the energy store C is most likely present which, under certain circumstances, can lead to damage of the energy store during balancing.
  • step S4 Symmetrization compensates for voltage differences in the individual cells of the supercaps.
  • the method described in document WO 2007/104325 A1 is preferably used for balancing.
  • other Symmetri für svon can be used.
  • the balancing takes place in such a way that to compensate for voltage differences in the individual cells, a slight overcharge of the cells is carried out as a function of the state of the cells or electrical energy is transferred from one cell to another.
  • a termination condition consists of a plurality of termination conditions (step S5).
  • the majority of the termination conditions include at least the condition that the external charger is terminated by the first power network E1. That is, if this condition is present, the balancing is terminated because at the conclusion of the charger is assumed that other functions of the vehicle are activated, which could be affected by the balancing.
  • the majority of demolition conditions may include, for example, the further condition that the ignition of the vehicle is turned on, because even in this case, it can be assumed that further functions of the vehicle are put into operation.
  • Another abort condition may be the exceeding of a threshold temperature in the supercap C.
  • the termination conditions can thus be designed in analogy to the activation conditions such that a non-existence of an activation condition corresponds to a termination condition.
  • the presence of a termination condition usually already leads to termination of the symmetrization. This is indicated in FIG. 2 by the step S6. If no termination condition is detected in step S5, the symmetrization is continued, wherein it is checked at regular intervals whether the balancing could be successfully completed (step S7). If this is the case, the method is ended in step S8.
  • the charging process for regeneration continues for a predetermined time, for example as a function of the state of charge of the battery B or the network state of the energy network E1.
  • the balancing can be continued until the battery B is fully charged via the charger.
  • the balancing of an energy storage in a motor vehicle energy storage system of two energy storage is at least coupled to the criterion that a first energy storage is charged by an external charger, charging with an external charger occurs in particular then when the vehicle owner brings his vehicle for inspection.
  • the vehicle is then not in the usual operating state, so that a symmetrization of a second energy storage can be performed without affecting vehicle functionalities.
  • further conditions for activating the balancing may be taken into account for plausibility checking, as explained above.
  • the method of the invention has been described in FIG. 1 on the basis of a conventional vehicle electrical system E1 with a corresponding vehicle electrical system extension E2.
  • the method can also be used for any other energy storage systems in a vehicle.
  • the power grid E2 may be the power grid of a hybrid drive in a vehicle, the load V2 in this case being the electric motor of the hybrid drive, which is operated via a suitable second energy store.
  • energy is supplied from the on-board electrical system E1 via a corresponding DC-DC converter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeicher-System zur elektrischen Energieversorgung von Verbrauchern (V1, V2) in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, umfassend ein erstes Energienetz (E1) mit einem ersten Energiespeicher (B) und ein zweites Energienetz (E2) mit einem zweiten Energiespeicher (C), wobei das erste und zweite Energienetz (E1, E2) elektrisch derart gekoppelt sind, dass elektrische Energie aus dem ersten Energienetz (E1) dem zweiten Energienetz (E2) zur Regenerierung des zweiten Energiespeichers (C) zugeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Energiespeicher-System ist derart betreibbar, dass detektiert wird, wenn eine Anzahl von Bedingungen erfüllt ist, wobei die Anzahl von Bedingungen zumindest die Bedingung umfasst, dass ein externes Ladegerät an das erste Energienetz (E1) zur Aufladung des ersten Energiespeichers (B) angeschlossen ist, und im Falle, dass die Anzahl von Bedingungen erfüllt ist, die Regenerierung des zweiten Energiespeichers durchgeführt wird.

Description

Energiespeicher-System zur elektrischen Energieversorgung von Verbrauchern in einem Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Energiespeicher-System zur elektrischen Energieversorgung von Verbrauchern in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Regenerierung eines Energiespeichers in einem solchen Energiespeicher-System.
Es ist bekannt, in heutigen Fahrzeugen und insbesondere in Automobilen zur elektrischen Energieversorgung von Verbrauchern zwei aneinander gekoppelte Energienetze mit entsprechenden Energiespeichern für jedes Energienetz zu verwenden. In der Druckschrift EP 1 130 737 B1 ist beispielsweise ein elektrisches Energieversorgungssystem mit einem Nieder-Gleichspannungs-Netz und einem Hoch-Gleichspannungs-Netz beschrieben, welche über einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler miteinander gekoppelt sind. Die Energiespeicher der beiden Netze sind dabei in Reihe geschaltet.
Die Energiespeicher eines in einem Fahrzeug integrierten Energiespeicher-Systems aus mindestens zwei Energiespeichern werden während des Betriebs zyklisch entladen und geladen. Dies führt über längere Zeit zu einer Verschlechterung der Leistung der Energiespeicher bzw. zu einer Verminderung der Lebensdauer der Energiespeicher. Aus dem Stand der Technik sind deshalb Verfahren bekannt, mit denen ein Energiespeicher in einem Energiespeicher-System in geeigneter Weise regeneriert werden kann, um hierdurch der Verschlechterung der Funktionalität des Energiespeichers bzw. der Verminderung seiner Lebensdauer entgegenzuwirken.
In dem Dokument WO 2007/104325 A1 ist ein Verfahren zur Regenerierung eines kapazitiven Energiespeichers in der Form eines Zellenverbunds von in Reihe geschalteten Zellen aus Doppelschichtkondensatoren offenbart. Diese Art der Energiespeicher wird häufig auch als Supercaps bezeichnet und ermöglicht die Speicherung von Energie mit hoher Leistungsdichte. Dabei besteht das Problem, dass durch das zyklische Laden und Entladen des Zellenverbunds Spannungsdrifts zwischen den einzelnen Zellen auftreten, welche in einigen Zellen zu Überspannungen und in anderen Zellen zu Unterspannungen führen. Die in der genannten Druckschrift WO 2007/104325 A1 beschriebene Regenerierung beruht auf einem Ladevorgang, der eine Symmetrierung der Zellen durchführt, so dass durch alle Zellen wieder die gleiche Spannung erzeugt wird. Dabei wird eine sog. Aktiv-Bypass-Symmetrierschaltung verwendet, welche während der Durchführung der Symmetrierung sicherstellt, dass bei einer zu hohen Überspannung in einer Zelle Strom über einen elektrischen Widerstand abgeführt wird.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Regenerierung eines Energiespeichers in einem Energiespeicher-System eines Fahrzeugs weisen den Nachteil auf, dass bei der Durchführung der Regenerierung Beeinträchtigungen von Funktionalitäten des Fahrzeugs auftreten können, insbesondere wenn der Regenerierungsvorgang während der Fahrt des Fahrzeugs gestartet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, in einem Energiespeicher-System eines Fahrzeugs aus mindestens zwei Energiespeichern sicherzustellen, dass der Vorgang der Regenerierung eines Energiespeichers ohne bzw. nur mit geringfügiger Beeinträchtigung von Funktionalitäten des Fahrzeugs durchgeführt wird.
Diese Aufgabe wird durch das Energiespeicher-System gemäß Patentanspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße Energiespeicher-System umfasst ein erstes Energienetz mit einem ersten Energiespeicher und ein zweites Energienetz mit einem zweiten Energiespeicher, wobei das erste und zweite Energienetz - z.B. über einen Wandler oder Schalter - elektrisch derart gekoppelt sind, dass elektrische Energie aus dem ersten Energienetz dem zweiten Energienetz zur Regenerierung des zweiten Energiespeichers zugeführt werden kann. Das erste Energienetz und das zweite Energienetz sind dabei vorzugsweise Gleichstrom-Netze, welche über einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler miteinander gekoppelt sind. Der erste und der zweite Energiespeicher der beiden Energienetze können parallel und gegebenenfalls auch in Reihe zueinander geschaltet sein.
Das erfindungsgemäße Energiespeicher-System zeichnet sich dadurch aus, dass es derart betreibbar ist, dass detektiert wird, wenn eine Anzahl von Bedingungen erfüllt ist, wobei die Anzahl von Bedingungen zumindest die Bedingung umfasst, dass ein externes Ladegerät, welches nicht Teil des Energiespeicher-Systems ist, an das erste Energienetz zur Aufladung des ersten Energiespeichers angeschlossen ist. Im Falle, dass die Anzahl von Bedingungen erfüllt ist, wird die Regenerierung des zweiten Energiespeichers durchgeführt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Systemfunktionalitäten des Fahrzeugs bei der Durchführung einer Regenerierung eines Energiespeichers in der Regel dann am wenigsten beeinträchtigt werden, wenn ein Ladevorgang durch ein externes Ladegerät durchgeführt wird. Dies liegt daran, dass bei Anschluss eines externen Ladegeräts meist keine weiteren Funktionalitäten bzw. elektrische Verbraucher des Fahrzeugs genutzt werden und somit der Betrieb des Fahrzeugs nicht beeinträchtigt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicher-Systems kann die Anzahl von Bedingungen neben der obigen Bedingung, dass ein externes Ladegerät angeschlossen ist, eine oder mehrere weitere Bedingungen umfassen, welche beispielsweise zur Plausibilisierung herangezogen werden, dass keine weiteren, durch das Energiespeicher-System gespeisten Verbraucher genutzt werden. Insbesondere kann die Anzahl von Bedingungen ferner die Bedingung oder die Bedingungen umfassen, dass das Fahrzeug steht und/oder die Zündung des Fahrzeugs abgeschaltet ist und/oder kein vom Normalzustand des zweiten Energiespeichers abweichender Zustand detektiert wird. Die zuletzt genannte Bedingung dient dazu, dass sichergestellt wird, dass kein fehlerhafter Betriebszustand des Energiespeichers bei der Durchführung der Regenerierung vorliegt, welcher unter Umständen zu einer Beschädigung des Energiespeichers führen kann. Ein solcher, vom Normalzustand des Energiespeichers abweichender Zustand kann beispielsweise über die Messung der Temperatur des zweiten Energiespeichers ermittelt werden, wobei festgestellt wird, dass ein vom Normalzustand abweichender Zustand vorliegt, wenn die Temperatur einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. In diesem Fall wird dann die Regenerierung des zweiten Energiespeichers nicht initiiert.
In Analogie zu den obigen Bedingungen, bei deren Erfüllung die Regenerierungsfunktion für den zweiten Energiespeicher gestartet wird, sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch entsprechende Abbruchbedingungen vorgesehen, bei deren Erfüllung die Regenerierung des zweiten Energiespeichers abgebrochen wird. Dabei wird bei der Durchführung der Regenerierung des zweiten Energiespeichers überprüft, ob zumindest eine Abbruchbedingung aus einer Anzahl von Abbruchbedingungen erfüllt ist.
In einer Variante der Erfindung sind die Abbruchbedingungen derart ausgestaltet, dass eine Abbruchbedingung dann erfüllt ist, wenn zumindest eine der obigen Bedingungen, gemäß denen die Regenerierung gestartet wurde, nicht erfüllt ist. Insbesondere kann die Anzahl von Abbruchbedingungen eine oder mehrere der folgenden Abbruchbedingungen umfassen:
das externe Ladegerät wird von dem ersten Energienetz abgeschlossen;
die Zündung des Fahrzeugs wird angeschaltet;
es wird ein vom Normalzustand des zweiten Energiespeichers abweichender Zustand detektiert.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiespeicher-Systems wird die Regenerierung des zweiten Energiespeichers nach erfolgreicher Durchführung beendet. Gegebenenfalls kann die Regenerierung auch noch eine vorbestimmte Zeitspanne fortgesetzt werden, insbesondere bis ein vorbestimmter Ladezustand des ersten Energiespeichers erreicht ist, z.B. bis der erste Energiespeicher voll geladen ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert die Regenerierung auf der bereits eingangs erwähnten Symmetrierung des zweiten Energiespeichers, wobei jedes beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Symmetrierungsver- fahren eingesetzt werden kann. Insbesondere erfolgt die Symmetrierung durch eine Aktiv- Bypass-Schaltung im zweiten Energienetz, welche eingangs beschrieben wurde. Vorzugsweise wird die Symmetrierung basierend auf dem in der Druckschrift WO
2007/104325 A1 beschriebenen Verfahren durchgeführt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicher-Systems ist der erste Energiespeicher des ersten Energienetzes eine Batterie, insbesondere eine 12V-Batterie, beispielsweise ein Bleiakkumulator bzw. eine Nickel- Metallhydrid-Batterie. In diesem Fall ist das erste Energienetz vorzugsweise das herkömmliche Bordnetz eines Fahrzeugs, über das der größte Teil der elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs gespeist wird. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der zweite Energiespeicher des zweiten Energienetzes ein kapazitiver Energiespeicher, insbesondere der bereits eingangs erwähnte Energiespeicher aus einer oder mehreren Zellen aus Doppelschicht-Kondensatoren. Das zweite Energienetz ist dabei vorzugsweise eine Erweiterung des herkömmlichen Bordnetzes des Fahrzeugs, welches zur Speisung von Verbrauchern genutzt wird, welche eine vom Bordnetz abweichende Spannung benötigen bzw. welche in bestimmten Konstellationen sehr viel Leistung aufnehmen und hierfür eine Unterstützung durch einen zweiten Energiespeicher benötigen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das zweite Energienetz das Energienetz des Elektromotors eines Hybridantriebs, welches einen zweiten Energiespeicher zum Antrieb des Elektromotors aufweist. Da davon ausgegangen werden kann, dass der Hybridantrieb bei Anschluss eines externen Ladegeräts nicht in Betrieb ist, werden hierdurch die Systemfunktionalitäten dieses Antriebs bei der Durchführung der Regenerierung nicht eingeschränkt.
Neben dem oben beschriebenen Energiespeicher-System betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Regenerierung eines Energiespeichers in einem solchen Energiespeicher- System, wobei das Verfahren in Kombination mit jeder Variante des oben beschriebenen Energiespeicher-Systems eingesetzt werden kann. Das Verfahren wird somit in einem Energiespeicher-System verwendet, welches ein erstes Energienetz mit einem ersten Energiespeicher und ein zweites Energienetz mit einem zweiten Energiespeicher umfasst, wobei das erste und zweite Energienetz elektrisch derart gekoppelt sind, dass elektrische Energie aus dem ersten Energienetz dem zweiten Energienetz zur Regenerierung des zweiten Energiespeichers zugeführt werden kann. Dabei wird detektiert, wenn eine Anzahl von Bedingungen erfüllt ist, wobei die Anzahl von Bedingungen zumindest die Bedingung umfasst, dass ein externes Ladegerät an das erste Energienetz zur Aufladung des ersten Energiespeichers angeschlossen ist. Gegebenenfalls können die Bedingungen auch noch weitere Bedingungen umfassen, die im Vorangegangenen beschrieben wurden. Im Falle, dass die Anzahl von Bedingungen erfüllt ist, wird die Regenerierung des zweiten Energiespeichers durchgeführt, wobei die Regenerierung insbesondere die oben beschriebene Symmetrierung ist. Das Verfahren kommt dabei vorzugsweise in Energiespeicher-Systemen zum Einsatz, bei denen der zweite Energiespeicher ein kapazitiver Energiespeicher ist, insbesondere ein Zellverbund aus einer oder mehreren Zellen aus Doppelschicht-Kondensatoren.
Neben dem oben beschriebenen Energiespeicher-System und Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, welches das erfindungsgemäße Energiespeicher-System umfasst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicher-Systems in einem Kraftfahrzeug; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs der Regenerierung eines Energiespeichers in dem Energiespeicher-System der Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines elektrischen Energiespeicher-Systems in einem Kraftfahrzeug, welches ein erstes Energienetz E1 und ein zweites Energienetz E2 umfasst. Das Energienetz E1 stellt dabei ein herkömmliches Bordnetz des Kraftfahrzeugs dar und umfasst einen Generator G in der Form einer Lichtmaschine, einen Starter S, eine Vielzahl von Verbrauchern, welche schematisch durch das Bezugszeichen V1 angedeutet sind, sowie einen elektrischen Energiespeicher in der Form einer 12V-Batterie B, z.B. einen Bleiakkumulator oder eine NiMH-Batterie (NiMH = Nickel-Metallhydrid). Das Bordnetz E1 ist über einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler W mit dem weiteren Energienetz E2 verbunden, welches in der Ausführungsform der Fig. 1 eine Erweiterung des Bordnetzes E1 darstellt. Dieses Energienetz umfasst einen kapazitiven Energiespeicher C und speist weitere Verbraucher, welche schematisch mit Bezugszeichen V2 bezeichnet sind.
Die Verbraucher V1 sind übliche, in einem Kraftfahrzeug elektrisch zu betreibende Verbraucher, wie z.B. Radio, Navigationssystem, elektrische Sitzverstellung und dergleichen. Das Energienetz E2 kann mit der gleichen bzw. auch mit einer unterschiedlichen Gleichspannung wie das Bordnetz E1 betrieben sein. Beispielsweise kann das Energienetz E2 ein 24V-Gleichstromnetz sein. An dem Energienetz E2 hängen solche Verbraucher V2, welche eine höhere Spannungsversorgung als die Verbraucher des Bordnetzes E1 benötigen bzw. welche in bestimmten Betriebssituationen sehr viel Leistung aufnehmen, welche nicht mehr über den Wandler W aus dem Bordnetz E1 zur Verfügung gestellt werden kann. Ein Beispiel eines Verbrauchers V2 ist eine elektrische Lenkung, welche bei bestimmten Vorgängen, beispielsweise beim Einparken des Fahrzeugs, sehr viel Leistung aufnimmt. Für solche Spitzen der Leistungsaufnahme ist im Energienetz E2 der kapazitive Energiespeicher C vorgesehen, der als eine Anordnung aus einer Vielzahl von Zellen aus Doppelschicht-Kondensatoren ausgestaltet ist, welche üblicherweise auch als Supercap bezeichnet wird. Durch die Kopplung an das erste Energienetz E1 mittels des DC/DC- Wandlers W wird der Energiespeicher C aufgeladen.
Energiespeicher in der Form von Supercaps haben die Eigenschaft, dass die einzelnen Spannungen der in Reihe geschalteten kapazitiven Zellen durch zyklisches Laden und Entladen auseinanderdriften, welches über längere Zeit zu einer Verschlechterung der Leistung des Supercaps bzw. zu einer Verringerung der Lebensdauer des Supercaps führt. Demzufolge sollte in regelmäßigen Abständen, beispielsweise zwei bis fünf mal pro Jahr, ein Regenerierungsvorgang des Energiespeichers C durchgeführt werden, in dem die einzelnen Zellen des Energiespeichers durch einen entsprechenden Ladevorgang symmetriert werden, so dass alle Zellen im Wesentlichen wieder die gleiche Spannung zur Verfügung stellen. Wie bereits oben erwähnt, ist die Symmetrierung von Energiespeichern an sich aus dem Stand der Technik bekannt, und in der hier beschriebenen Ausführungsform wird eine Symmetrierung unter der Verwendung einer Aktiv-Bypass- Symmetrierschaltung verwendet, welche bei einer zu hohen Spannung in einer Zelle Strom über einen elektrischen Widerstand abführt.
Üblicherweise wird der Vorgang der Symmetrierung in regelmäßigen Abständen über die Aktivierung der Regenerierungsfunktion im Wandler W durchgeführt, wobei der Regenerierungsvorgang nicht an besondere Kriterien des Fahrzeug betriebs gekoppelt ist. Deshalb können beim Regenerierungsvorgang Systemfunktionen des Fahrzeugs beeinträchtigt werden, insbesondere wenn der Regenerierungsvorgang während der Fahrt des Fahrzeugs initiiert bzw. ausgeführt wird. In dem Energiespeicher-System der Fig. 1 wird diese Problematik umgangen, indem der Start des Regenerierungsvorgangs an den An- schluss eines externen Ladegeräts an das erste Energienetz E1 gekoppelt ist, wie im Folgenden anhand von Fig. 2 erläutert wird.
Fig. 2 zeigt die Verfahrensschritte, welche in dem Energiespeicher-System der Fig. 1 während der Symmetrierung des Energiespeichers C durchgeführt werden. Das Verfahren beginnt in Schritt S1 mit dem Start einer Detektionsfunktion, welche im Energiespeicher-System überprüft, ob die Batterie B über ein extern angeschlossenes Ladegerät nachgeladen wird (Schritt S2). Ist dies der Fall, werden in Schritt S3 weitere Aktivierungsbedingungen überprüft, welche erfüllt sein müssen, um die Symmetrierung des zweiten Energiespeichers C zu veranlassen. Diese weiteren Aktivierungsbedingungen stellen Schutzmechanismen dar, welche sicherstellen, dass sich das Fahrzeug in einem Zustand befindet, in dem keine Funktionsbeeinträchtigung durch die Symmetrierung auftritt, bzw. welche gewährleisten, dass die Symmetrierung nicht zu einer Beschädigung des zweiten Energiespeichers bzw. von Verbrauchern im Fahrzeug führt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die weiteren Aktivierungsbedingungen die Bedingung, dass das Fahrzeug steht und die Zündung des Fahrzeugs abgeschaltet ist. Hierdurch kann plausibi- lisiert werden, dass sich das Fahrzeug in einem inaktiven Zustand befindet, in dem keine Systemfunktionalitäten genutzt werden. Eine weitere Aktivierungsbedingung kann beispielsweise sein, dass die Temperatur des Energiespeichers C unterhalb eines Schwellwert liegt. Bei Überschreiten des Schwellwerts liegt dabei höchstwahrscheinlich eine Fehlfunktion des Energiespeichers C vor, welche unter Umständen zu einer Beschädigung des Energiespeichers während der Symmetrierung führen kann.
Nur wenn der Anschluss an das externe Ladegerät erkannt wird als auch die weiteren Aktivierungsbedingungen vorliegen, wird die Symmetrierung im Schritt S4 initiiert. Durch die Symmetrierung werden Spannungsunterschiede in den einzelnen Zellen des Super- caps ausgeglichen. Wie bereits oben erwähnt, wird zur Symmetrierung vorzugsweise das in der Druckschrift WO 2007/104325 A1 beschriebene Verfahren verwendet. Gegebenenfalls können jedoch auch andere Symmetrierungsverfahren eingesetzt werden. Üblicherweise erfolgt die Symmetrierung derart, dass zum Ausgleich von Spannungsdifferenzen in den einzelnen Zellen eine leichte Überladung der Zellen in Abhängigkeit von dem Zustand der Zellen durchgeführt wird bzw. elektrische Energie von einer Zelle in eine andere transferiert wird. Durch die bereits oben erwähnte Aktiv-Bypass-Schaltung wird dabei eine zu starke Ladung der einzelnen Zellen verhindert. Während der Durchführung der Symmetrierung in Schritt S4 wird in regelmäßigen Abständen überprüft, ob eine Abbruchbedingung aus einer Mehrzahl von Abbruchbedingungen vorliegt (Schritt S5). Die Mehrzahl der Abbruchbedingungen umfasst dabei zumindest die Bedingung, dass das externe Ladegerät von dem ersten Energienetz E1 abgeschlossen wird. Das heißt, wenn diese Bedingung vorliegt, wird die Symmetrierung beendet, da bei Abschluss des Ladegeräts davon auszugehen ist, dass weitere Funktionen des Fahrzeugs aktiviert werden, welche durch die Symmetrierung beeinträchtigt werden könnten. Die Mehrzahl der Abbruchbedingungen kann z.B. auch noch die weitere Bedingung umfassen, dass die Zündung des Fahrzeugs angeschaltet wird, denn auch in diesem Fall ist davon auszugehen, dass weitere Funktionen des Fahrzeugs in Betrieb gesetzt werden. Eine weitere Abbruchbedingung kann die Überschreitung einer Schwellwerttemperatur im Supercap C sein. Die Abbruchbedingungen können somit in Analogie zu den Aktivierungsbedingungen derart ausgestaltet sein, dass ein NichtVorliegen einer Aktivierungsbedingung einer Abbruchbedingung entspricht. Im Gegensatz zu den Aktivierungsbedingungen führt dabei in der Regel bereits das Vorliegen einer Abbruchbedingung zur Beendigung der Symmetrierung. Dies ist in Fig. 2 durch den Schritt S6 angedeutet. Sollte keine Abbruchbedingung im Schritt S5 erkannt werden, wird die Symmetrierung fortgesetzt, wobei in regelmäßigen Abständen überprüft wird, ob die Symmetrierung erfolgreich beendet werden konnte (Schritt S7). Ist dies der Fall, wird das Verfahren in Schritt S8 beendet. In einer Variante der Erfindung besteht ferner die Möglichkeit, dass nach erfolgreicher Symmetrierung der Ladevorgang zur Regenerierung über eine vorbestimmte Zeit weiter fortgesetzt wird, beispielsweise in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie B bzw. dem Netzzustand des Energienetzes E1. Beispielsweise kann die Symmetrierung solange fortgesetzt werden, bis die Batterie B über das Ladegerät voll aufgeladen ist.
Mit der im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Symmetrierung eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug- Energiespeicher-System aus zwei Energiespeichern zumindest an das Kriterium gekoppelt, dass ein erster Energiespeicher durch ein externes Ladegerät aufgeladen wird, Das Laden mit einem externen Ladegerät tritt dabei insbesondere dann auf, wenn der Fahrzeugbesitzer sein Fahrzeug zur Inspektion bringt. Das Fahrzeug befindet sich dann nicht in dem üblichen Betriebszustand, so dass eine Symmetrierung eines zweiten Energiespeichers ohne Beeinträchtigung von Fahrzeugfunktionalitäten durchgeführt werden kann. Dabei können gegebenenfalls zur Plausibilisierung noch weitere Bedingungen zur Aktivierung der Symmetrierung berücksichtigt werden, wie im Vorangegangenen erläutert wurde.
Das Verfahren der Erfindung wurde in Fig. 1 anhand eines herkömmlichen Bordnetzes E1 mit einer entsprechenden Bordnetzerweiterung E2 beschrieben. Das Verfahren kann jedoch auch für beliebige andere Energiespeicher-Systeme in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Energienetz E2 das Energienetz eines Hybridantriebs in einem Fahrzeug sein, wobei der Verbraucher V2 in diesem Fall der Elektromotor des Hybridantriebs ist, der über einem geeigneten zweiten Energiespeicher betrieben wird. Zur Symmetrierung des zweiten Energiespeichers wird dabei wiederum Energie aus dem Bordnetz E1 über einen entsprechenden Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler zugeführt.

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeicher-System zur elektrischen Energieversorgung von Verbrauchern (V1 , V2) in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, umfassend ein erstes Energienetz (E1) mit einem ersten Energiespeicher (B) und ein zweites Energienetz (E2) mit einem zweiten Energiespeicher (C), wobei das erste und zweite Energienetz (E1 , E2) elektrisch derart gekoppelt sind, dass elektrische Energie aus dem ersten Energienetz (E1) dem zweiten Energienetz (E2) zur Regenerierung des zweiten Energiespeichers (C) zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeicher-System derart betreibbar ist, dass
detektiert wird, wenn eine Anzahl von Bedingungen erfüllt ist, wobei die Anzahl von Bedingungen zumindest die Bedingung umfasst, dass ein externes Ladegerät an das erste Energienetz (E1) zur Aufladung des ersten Energiespeichers (B) angeschlossen ist;
im Falle, dass die Anzahl von Bedingungen erfüllt ist, die Regenerierung des zweiten Energiespeichers (C) durchgeführt wird.
2. Energiespeicher-System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Bedingungen ferner die Bedingung oder Bedingungen umfasst, dass das Fahrzeug steht und/oder die Zündung des Fahrzeugs abgeschaltet ist und/oder kein vom Normalzustand des zweiten Energiespeichers (C) abweichender Zustand detektiert wird.
3. Energiespeicher-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Energiespeicher-Systems bei der Durchführung der Regenerierung des zweiten Energiespeichers (C) überprüft wird, ob zumindest eine Abbruchbedingung aus einer Anzahl von Abbruchbedingungen erfüllt ist, wobei die Regenerierung abgebrochen wird, wenn zumindest eine Abbruchbedingung erfüllt ist.
4. Energiespeicher-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Abbruchbedingungen eine oder mehrere der folgenden Abbruchbedingungen umfasst:
- das externe Ladegerät wird von dem ersten Energienetz (E1) abgeschlossen; die Zündung des Fahrzeugs wird angeschaltet;
es wird ein vom Normalzustand des zweiten Energiespeichers (C) abweichender Zustand detektiert.
5. Energiespeicher-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerierung des zweiten Energiespeichers (C) nach erfolgreicher Durchführung beendet wird oder eine vorbestimmte Zeitspanne fortgesetzt wird, insbesondere bis ein vorbestimmter Ladezustand des ersten Energiespeichers (B) erreicht ist.
6. Energiespeicher-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerierung eine Symmetrierung des zweiten Energiespeichers (C) ist, wobei die Symmetrierung vorzugsweise durch eine Aktiv- Bypass-Schaltung im zweiten Energienetz (E2) erfolgt.
7. Energiespeicher-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste und das zweite Energienetz (E1 , E2) Gleichspannungsnetze sind, welche vorzugsweise über einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (W) elektrisch miteinander gekoppelt sind.
8. Energiespeicher-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (B) des ersten Energienetzes (E1) eine Batterie, insbesondere einer 12V-Batterie, ist.
9. Energiespeicher-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (C) des zweiten Energienetzes (E2) ein kapazitiver Energiespeicher ist, insbesondere ein Energiespeicher aus einer oder mehreren Zellen aus Doppelschicht-Kondensatoren.
10. Energiespeicher-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Energienetz (E2) das Energienetz des Elektromotors eines Hybridantriebs ist, welches einen zweiten Energiespeicher (B) zum Antrieb des Elektromotors aufweist.
11. Verfahren zur Regenerierung eines Energie-Speichers in einem Energiespeicher- System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Energiespeicher- System ein erstes Energienetz (E1) mit einem ersten Energiespeicher (B) und ein zweites Energienetz (E2) mit einem zweiten Energiespeicher (C) umfasst, wobei das erste und zweite Energienetz (E1 , E2) elektrisch derart gekoppelt sind, dass elektrische Energie aus dem ersten Energienetz (E1) dem zweiten Energienetz (E2) zur Regenerierung des zweiten Energiespeichers (C) zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass
detektiert wird, wenn eine Anzahl von Bedingungen erfüllt ist, wobei die Anzahl von Bedingungen zumindest die Bedingung umfasst, dass ein externes Ladegerät an das erste Energienetz (E1) zur Aufladung des ersten Energiespeichers (B) angeschlossen ist;
im Falle, dass die Anzahl von Bedingungen erfüllt ist, die Regenerierung des zweiten Energiespeichers (C) durchgeführt wird.
12. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend ein Energiespeicher-System nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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