WO2017085051A1 - Mehrspeichersystem und verfahren zum betrieb eines mehrspeichersystems - Google Patents

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WO2017085051A1
WO2017085051A1 PCT/EP2016/077710 EP2016077710W WO2017085051A1 WO 2017085051 A1 WO2017085051 A1 WO 2017085051A1 EP 2016077710 W EP2016077710 W EP 2016077710W WO 2017085051 A1 WO2017085051 A1 WO 2017085051A1
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memory
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Frank Bauer
Pablo Fritzsche
Hajo Meinert
Vincent Molina
Andre Schmitz
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method and a corresponding control unit for operating a multi-storage system for an electrically driven vehicle. Furthermore, the invention relates to a multi-storage system for an electrically powered vehicle.
  • a vehicle having an electric drive typically includes one or more electrical storage modules for storing electrical energy for operation of an electric drive machine. In this case, to drive the vehicle electrical energy from the one or more electrical
  • the memory modules of the vehicle should on the one hand be sufficiently charged to allow reliable driving.
  • at least one of the memory modules in Rekuperationsphasen should have sufficient free capacity to absorb the recuperated electrical energy, and thus to enable the most efficient driving possible.
  • the charge states of the memory modules of an electrically driven vehicle are to be monitored continuously and adjusted if necessary.
  • the present document deals with the technical problem of providing a highly efficient and reliable electrical storage system with a plurality of electrical storage modules as well as the most efficient and reliable control of such a multi-storage system.
  • the object is solved by the independent claims.
  • Advantageous embodiments are described, inter alia, in the dependent claims.
  • the storage system includes a first one
  • Memory module and a second memory module for providing electrical energy or for receiving electrical energy from a
  • the distribution network is coupled to an electrical machine of the vehicle. By the electric machine, the vehicle can be driven or accelerated. On the other hand, the electric
  • Machines are operated in a deceleration phase of the vehicle as a generator to recuperate electrical energy.
  • the distribution network can thus be requested by the electric machine electrical power
  • the first memory module is coupled to the distribution network via a DC-DC converter (also referred to herein as a DC / DC converter).
  • the second memory module may be directly coupled to the distribution network (without the use of a DC-DC converter).
  • the first memory module and the second memory module may have a
  • Power memory and an energy storage include. It has the
  • Power memory is a capacitor (in particular a so-called super cap).
  • Memory cell can be used as a power memory.
  • the energy storage has over the power storage on a higher energy density and a higher storage capacity.
  • An example of an energy store is a Li-ion-based memory cell or a memory module with a plurality of such
  • Memory cells can be used in the memory system to meet different requirements.
  • the use of a power memory can meet specific requirements with regard to the acceleration and / or deceleration behavior of the vehicle.
  • the energy storage requirements for the range of the vehicle can be met by the energy storage requirements for the range of the vehicle.
  • the first memory module preferably comprises the energy store and the second memory module comprises the power store. It can thus be ensured that the maximum possible charging / discharging power of the power accumulator with respect to the distribution network is not limited by properties, in particular power limits, of the DC-DC converter. Thus, the acceleration and / or the deceleration behavior of the vehicle can be improved.
  • the first memory module, the power storage and the second memory module include the energy storage. This can be advantageous in terms of the energy efficiency of the vehicle, since due to the relatively low storage capacity of the power storage (compared to the energy storage) accumulated losses of the DC-DC converter can be reduced when it is used in connection with the power storage.
  • the method includes determining if an amount of a
  • Voltage difference between a mains voltage of the distribution network and a first storage voltage of the first memory module is equal to or less than a voltage threshold.
  • the voltage threshold may have a fixed, pre-defined value.
  • the method includes performing one or more measures to increase the magnitude of the voltage differential when it is determined that the magnitude is equal to or less than the voltage threshold. It can thus be ensured by an operation of the DC-DC converter according to the described method that the amount of
  • DC-DC converter DC-DC converter
  • boost converter it can be ensured that the mains voltage is always higher (by at least the voltage threshold value) than the first storage voltage.
  • buck converter it can be ensured that the mains voltage is always lower (by at least the voltage threshold) than the first storage voltage.
  • the first memory module can always provide a discharge power in a reliable and robust manner or can absorb a charging power.
  • the one or more measures may include adjusting a breakdown of a current load, particularly a current one
  • Discharge power or charging power, the first memory module and a current load, in particular a current discharge power or charging power, the second memory module due to an electrical power in the Distribution network is requested or provided.
  • it can be adapted, which portion of electrical power is provided or absorbed by the first or by the second memory module.
  • the state of charge of the first and the second memory module and thus the first memory voltage or the second memory voltage (which typically corresponds to the mains voltage) can be adjusted.
  • the one or more measures may include the transfer of electrical energy between the first memory module and the second memory module.
  • the one or more measures may include limiting a current discharge power or charging power (only) of one of the two memory modules (wherein the current discharge power or charging power of the respective other memory module is not limited).
  • the method may include determining that electrical power is being requested or provided in the distribution network. Furthermore, the method may include controlling the DC-DC converter so that the electric power is provided or absorbed to a greater extent by the power storage. So the acceleration and / or the
  • Power storage typically has a higher charging or discharging power).
  • the method may include determining that a cumulative historical and / or previous load of the performance memory has reached or exceeded a load threshold.
  • the load threshold value can be selected such that when the load threshold value is reached, no reduction in the maximum possible discharge power is required (ie no derating is still required) in order to avoid damage to the power storage.
  • the load threshold may indicate that derating may become necessary if the power storage load continues to be immutable. It can further be determined that (in the above-mentioned case) electric power is provided in the distribution network (eg in a deceleration phase or recuperation phase of the vehicle). The DC-DC converter can then be controlled such that a current charging power of the power storage is reduced for receiving the electrical power provided in the distribution network against a maximum possible charging power of the power storage.
  • a recuperation phase the burden of the
  • Power memory can be reduced to ensure unrestricted operation of the power storage in a subsequent discharge phase and thus an unrestricted acceleration behavior of the vehicle.
  • Such an operating strategy of the storage system can be used in particular in an activated sports mode of the vehicle.
  • the method may include determining a driving mode from a plurality of driving modes in which the vehicle is currently being operated.
  • the plurality of driving modes may include a sports mode and a consumption-oriented mode.
  • sports mode the vehicle is typically intended to be raised in relation to the consumption-oriented mode
  • the vehicle is typically designed to have an increased electrical energy efficiency compared with the sports mode.
  • the DC-DC converter can be controlled depending on the driving mode. So the o.g. Goals of different driving modes are implemented in an efficient way.
  • Vehicle speed range of the vehicle is a desired state of charge of
  • Power memory that is higher than the desired state of charge of the power storage in the consumption-oriented mode.
  • the DC voltage converter can then be controlled or regulated such that the power storage has the desired state of charge.
  • the method may include, in particular, when the vehicle is in the consumption-oriented mode, determining, in response to a
  • Distribution network a power sharing between the first memory module and the second memory module, through which the total power losses of the first memory module, the second memory module and the
  • Power distribution can be taken from a predefined look-up table (depending on the requested or provided electrical power in the distribution network).
  • the DC-DC converter can then be controlled or regulated as a function of the determined power distribution. This can increase the energy efficiency of the storage system.
  • the first memory module may include an energy store and the second memory module may include a power memory.
  • the method may include determining that an increased electrical power is being requested or provided in the distribution network.
  • a predefined look-up table depending on the requested or provided electrical power in the distribution network.
  • the method may therefore include limiting a slope of a power convertible by the DC-DC converter.
  • the limitation of the slope can be such that a non-limiting converted remaining portion of increased electrical power in
  • Distribution network does not have a maximum discharge or charging power of the
  • DC voltage converter can be achieved. It should be ensured that the electrical power of the distribution network is not greater than the maximum power of the power storage. This is how the power stroke of the
  • DC converter and the energy storage reduces and thus extends the life. This feature can also be used to adjust the dynamic response of the electric drive of a vehicle.
  • a storage system for a vehicle comprises a first storage module and a second storage module for providing electrical energy to and receiving electrical energy from a distribution network coupled to an electrical machine of the vehicle.
  • the memory system comprises a DC-DC converter, which couples the first memory module with the distribution network.
  • the DC-DC converter is set up, electrical energy between a first storage voltage of the first
  • the DC-DC converter is preferably either a boost converter or a
  • the memory system includes a control unit configured to perform the method of operating the DC-DC converter described in this document.
  • a vehicle in particular a
  • Road vehicle e.g. a passenger car, a truck or a motorbike
  • Storage system includes.
  • SW software program
  • the SW program may be set up to run on a processor (e.g., one or more controllers of a vehicle) and thereby perform the method described in this document.
  • a processor e.g., one or more controllers of a vehicle
  • the storage medium may include a SW program that is set up to run on a processor and thereby perform the method described in this document.
  • Figure 1 is a block diagram of an exemplary system for driving an electrically powered vehicle
  • FIG. 2 shows exemplary voltage ranges of memory systems
  • FIG. 3 shows a flow chart of an exemplary method for operating a multi-memory system.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a storage system 100 of an electrically powered vehicle.
  • the system 100 includes a first memory module 101 and a second memory module 102, both of which are connected to an electrical distribution network 106.
  • the first memory module 101 is indirectly connected to the distribution network 106 via a DC-DC converter 103 (also referred to as a DC / DC converter).
  • an inverter 104 is connected, which is arranged, from the direct current of the distribution network 106, an alternating current
  • the inverter 104 is configured to convert an alternating current generated by the electric machine 105 into a direct current with which the first and / or the second memory module 101, 102 can be charged.
  • the first memory module 101 has a first, depending on the state of charge
  • Memory voltage 111 and the second memory module 102 depending on
  • the DC-DC converter 103 is configured to convert electrical energy with the first storage voltage 111 into electrical energy with the mains voltage 116 (and in the reverse direction). In this case, it is typically advantageous for cost reasons, if the DC-DC converter 103 is implemented either only as a boost converter (ie as a boost converter) or only as a low-set converter (ie as Buck converter). In other words, the DC-DC converter 103 may be such that it can either only high or only deep set per conversion direction. This allows the use of cost-efficient DC-DC converters 103. It is assumed below (without limitation) that the
  • DC-DC converter 103 is a step-up converter capable of converting electrical energy in one direction with a relatively low first storage voltage 111 (only) into electrical energy having a relatively high utility voltage 116, and reversely electrical energy with a relatively high utility voltage 116 (only). into electrical energy with a relatively low first storage voltage 111 can convert.
  • the storage voltage 111, 112 of a storage module 101, 102 is typically dependent on the state of charge of the storage module 101, 102 and / or the load in a discharge or charging process, due to the internal resistance.
  • the voltage ranges 210, 220 for possible storage voltages 111, 112 may be different for different memory modules 101, 102. This is exemplified in Fig. 2.
  • the first memory module 101 may have first memory voltages 111 from the first voltage range 210, with a minimum first memory voltage 212 (at a minimum state of charge (SOC)) and a maximum first memory voltage 211 (at a maximum state of charge).
  • the second memory module 102 may include second memory voltages 112 from the second voltage range 220, with a minimum second memory voltage 222 (at a minimum
  • the maximum second memory voltage 221 is higher than the maximum first memory voltage 211.
  • Typical memory voltages are in the range of 300V, 500V, 800V or higher.
  • the memory modules 101, 102 may have different states of charge.
  • the first memory module 101 and / or the second memory module 102 can be used to emit energy or to absorb energy.
  • the first memory module 101 and the second memory module 102 have different properties with respect to the energy density, to a maximum possible charging power, to a maximum possible discharge power, and / or to a storage capacity.
  • the first memory module 101 can have a memory with a relatively high maximum charge / discharge power but with a relatively low energy density (eg a so-called supercap). The first memory module 101 may then be preferred for
  • the first memory module 101 may be referred to as a power memory in this case.
  • the second memory module 102 may include a memory having a relatively high energy density but a relatively low maximum charge / discharge power (e.g., a Li-ion battery). The second memory module 102 may then preferably be used to provide a basic performance.
  • the second memory module 102 may be referred to in this case as energy storage.
  • Memory modules 101, 102 may be implemented as a function of the properties of the memory modules 101, 102, such that the memory modules 101, 102 have different states of charge and thus also different ones
  • Storage voltages 111, 121 may have. This could lead to a situation where the grid voltage 116 (corresponding to the second memory voltage 102) is less than or equal to the first memory voltage 111. As a result, the first energy storage 111 could no longer be taken or supplied with energy.
  • a control unit 120 of the system 100 may be configured to detect such a situation early on and to initiate countermeasures in advance in order to ensure that the first storage voltage 111 is lower than the grid voltage 116 at any time. This can be achieved in particular by a transfer of electrical energy from the first memory module 101 to the second memory module 102. Alternatively or additionally, electrical energy can preferably be stored in the second energy module 102 in recuperation phases. So can the second memory voltage 112 are raised relative to the first memory voltage 111.
  • the memory system 100 comprises a first memory module 101 and a second memory module 102 for supplying electrical energy to or receiving electrical energy from a distribution network 106.
  • the distribution network 106 is coupled to an electrical machine 105 of the vehicle.
  • the first memory module 101 is coupled to the distribution network 106 via a DC-DC converter 103.
  • the second memory module 102 is preferably directly connected to the
  • the method 300 can ensure that, even when only one DC-DC converter 103 is used, the provision of power by the memory modules 101, 102 can be controlled or regulated in a robust manner. Furthermore, the method 300 allows the use of a pure boost converter or a pure buck converter as the DC-DC converter 103. Overall, the method 300 thus makes it possible to implement a cost-efficient and robust multi-storage system for the electric drive of a vehicle.
  • the method 300 includes determining 301 whether an amount of a
  • Voltage difference between a mains voltage 116 of the distribution network 106 and a first storage voltage 111 of the first memory module 101 is equal to or less than a voltage threshold.
  • a boost converter as the DC voltage converter 103
  • a step-down converter as the DC-DC converter 103
  • the line voltage 116 is smaller than the first memory voltage 111 by the voltage threshold value or not.
  • the method 300 further includes performing 302 one or more measures to increase the magnitude of the voltage differential when it is determined that the magnitude is equal to or less than the voltage threshold.
  • one or more measures can be carried out by which the mains voltage 116 is increased and / or the first storage voltage 111 is reduced (when using a boost converter) or by which the grid voltage 116 is reduced and / or the first storage voltage 111 is increased (at Using a jack-up).
  • Each memory module 101, 102 has one or more different characteristics that can be used specifically.
  • the first memory module 101 may be primarily suitable for powering while the second memory module 102 may store relatively more power.
  • the first memory module 101 When used in an electric vehicle, the first memory module 101 then provides a relatively better power delivery that can be used for vehicle acceleration.
  • the second memory module 102 can provide a relatively higher energy density so that the vehicle's electrical range can be maximized. It is also conceivable that multiple memory modules 101, 102 multiple In verter / EM to gear 104, 105 can supply energy or absorb energy from this.
  • Memory modules such as Super Caps
  • Super Caps are designed for a relatively high power delivery, so that these memory modules can be charged and discharged without damage at relatively high currents.
  • the energy content is typically relatively low in such memory modules. Requirement bezgl.
  • the electrical range of the vehicle can by an additional
  • a multi-storage system 100 can provide both relatively high performance and relatively high range.
  • the control unit 120 of a multi-memory system 100 can resort to a variety of functions to control the discharging of the memory modules 101, 102.
  • the control unit 120 may be part of a control unit of a memory module 101, 102, the DC-DC converter 103 and / or the electric machine 105, for example.
  • the control unit 120 may be part of a control unit of a memory module 101, 102, the DC-DC converter 103 and / or the electric machine 105, for example.
  • the control unit 120 may be part of a control unit of a memory module 101, 102, the DC-DC converter 103 and / or the electric machine 105, for example.
  • Control unit 120 in particular the DC-DC converter 103 use to control the removal of electrical energy from the first memory module 101 and the recording of electrical energy by the first memory module 101. This indirectly influences the removal / absorption of electrical energy by the second memory module 102. By controlling the DC voltage converter 103, the control unit 120 can thus set the removal / absorption of electrical energy by the two memory modules 101, 102.
  • this first function can be the maximum charging and / or discharging power of the memory modules 101, 102, the power loss of the or
  • the DC converter 103 and / or from the requested by the driver of the vehicle torque (in particular from the accelerator pedal position) required storage system performance may include incl. Use the auxiliary consumers.
  • the power loss of the DC-DC converter 103 usually refers to the requested state (ie the required memory system power) or to the maximum attainable state of the system 100 when the requested state can not be reached.
  • the maximum possible discharge / charging powers of the memory modules 101, 102 can vary over time. In particular, a historical load of a memory module 101, 102 may influence the currently maximum possible discharge / charging power of the memory module 101, 102.
  • a driving mode of the vehicle can influence the currently maximum possible discharge / charging power of the memory module 101, 102.
  • the storage voltage 111, 112 of a memory module 101, 102 relative to the mains voltage 116, the currently maximum possible discharge / charging power of the memory module 101, 102 influence.
  • the first function can provide as output the maximum possible discharge and / or charging power of the entire energy storage system 100 resulting from the previous use of the memory modules 101, 102 and / or the DC-DC converter 103. Furthermore, the maximum possible discharge and charging power of the individual memory modules 101, 102 can be provided. The currently maximum possible discharging and charging powers for different memory modules 101, 102 may differ significantly from one another (for example due to the characteristics of the memory modules 101, 102 and / or due to the historical loading of the memory modules 101, 102).
  • the control unit 120 can determine power ranges for the individual memory modules 101, 102. As input, the maximum possible charging / discharging power of the multi-memory system 100 (from the first function), the losses of the DC-DC converter 103 and / or the power limits of the individual memory modules 101, 102 can be taken into account. The determined power ranges of the individual memory modules 101, 102 may depend on the memory voltages 111, 112, on the mains voltage 116 and / or on the current driving mode of the vehicle. As output, the currently maximum possible charging / discharging power of the DC-DC converter 103 can be provided by the second function. This value determines the maximum power supply / absorption of the individual memory modules 101, 102, which can be adjusted by the regulation of the DC-DC converter 103.
  • the current maximum possible charging / discharging power of the DC-DC converter 103 determined by the second function can be used by the control unit 120 to control the DC-DC converter 103.
  • Power supply / acceptance of the power modules 101, 102 depends on an operating strategy. As part of the third function can thus be carried out a load distribution to the individual memory modules 101, 102.
  • the third function may e.g. use a PID controller to determine a power control signal for the DC-DC converter 103.
  • a PID controller to determine a power control signal for the DC-DC converter 103.
  • Control signal for the DC-DC converter 103 can be determined.
  • the memory modules 101, 102 may provide to the control unit 120 memory data 121, 122, e.g. indicate a current state of charge or a current storage voltage 111, 112.
  • the DC-DC converter 103 can be controlled as a function of a desired state of charge of the first energy module 101.
  • the first power module 101 may include a power memory.
  • the maximum (and possibly minimal) possible charging / discharging powers of the first energy store 101 are taken into account.
  • the desired state of charge or the desired charge / discharge power of the first energy store 101 may depend on one or more operating strategies:
  • the need for power in the first energy storage 101 can be determined by the
  • Vehicle speed is, the lower the probability that the driver is required to accelerate. Thus, at relatively high vehicle speeds, there is typically a reduced or no need for an energy reserve in the first
  • Memory module 101 (i.e., in the power memory).
  • the recuperable energy is relatively high. It may therefore make sense the first
  • a controller for driving the DC-DC converter 103 may use a relatively low desired state of charge as a target value.
  • the controller can set a relatively high state of charge as a target value for the power storage.
  • the state of charge set by the controller (or set setpoint energy) of the power accumulator can thus be calculated on the basis of the kinetic energy in the vehicle.
  • the set state of charge can be based on the energy provided in the drive system (possibly reduced by efficiency losses in the chain between
  • Memory module 101, 102 and electrical machine 105 and possibly taking into account the performance of the electrical
  • the desired charging power of the power memory can be determined by the
  • the driver of a vehicle typically wants to drive dynamically. The probability is therefore high that an acceleration is requested even at high vehicle speed.
  • the desired state of charge may be set higher than in another driving mode (for example, a consumption-oriented driving mode).
  • a consumption-oriented driving mode e.g., in a so-called ECO mode
  • the power losses of the ECO mode typically, the power losses of the ECO mode
  • Charge state of the first power module 101 are determined such that the efficiency for the power consumption or power output for the entire multi-memory system 100 (including the losses of
  • the DC / DC converter 103 may comprise a bidirectional DC / DC converter, which operates in one direction only as a "boost” and in the other direction only as a "buck". In such DC / DC converters, an energy transfer can only take place when the voltage of the highside is higher than the voltage of the low side of the DC-DC converter 103.
  • Function can monitor and respond to these voltages when the high side and low side voltages get too close. For example, countermeasures can be initiated when the voltage difference between the mains voltage 116 and the first storage voltage 111 is below one
  • Memory voltage 112 are increased (relative to the first
  • the o.g. Actions a), b) and / or c) may all or partially be activated when it is determined that a voltage difference has fallen below a first threshold.
  • the deactivation of the measures a), b) and / or c) can take place if it is determined that the voltage difference has again risen above a second threshold value (which is greater than the first threshold value) and / or if it is determined that the voltage difference for one
  • Minimum period has been above the first threshold and / or if the two memory modules 101, 102 are in a stable energy state, i. when the power conditions (or SOCs) are set so that the voltage 106 on the output side of the DC-DC converter 103 is greater than that
  • Memory voltage 111 on the input side of the DC-DC converter 103 is (when using a boost converter as a DC-DC converter 103, when using a buck converter, the voltage levels are reversed).
  • the operation of the multi-memory system 100 may depend on a driving mode. In particular, upon activation of a sports mode, a transfer between the first energy storage 101 and the second
  • Energy storage 102 are enabled to ensure that sufficient power reserves are present in a power memory of the system 100 (for acceleration phases).
  • transhipment (as much as possible, for example, within the framework of the above-mentioned US Pat.
  • a currently maximum possible charging power of an energy module 101, 102 may depend on the driving mode.
  • a strong historical load on a memory module 101, 102 can lead to a limitation of the maximum possible discharge power at a current time.
  • a "derating" of a memory module 101, 102 can occur.To avoid such "derating" of a power memory of the system 100, the current maximum possible charging power of the power memory can be reduced preventively in sports mode (eg depending on, in particular proportional to, a load state of the power memory).
  • the recuperation i. All the energy can be converted into the wheel brakes and it does not find in any of the
  • the power storage does not have sufficient discharge power when needed.
  • a reliable implementation of a sports mode can be ensured.
  • a memory module 101, 102 may include a management unit configured to determine memory data 121, 122 having a plurality of state values relating to a state of the memory module 101, 102 and
  • Exemplary state values are the current storage voltage 111, 121, a current current, a power prognosis, a current state of charge or SOC, a current integral of a charge or charge state. Discharge current as Load indicator, etc.
  • These storage data 121, 122 may be provided to the control unit 120.
  • the control unit 120 uses the memory data 121, 122 and then controls the load distribution in a system 100 from (at least) two HV (high-voltage) memory modules 101, 102 coupled to one another
  • the control unit 120 can then be set up to ensure that it is guaranteed at all times that the input voltage 111 to the DC-DC converter 103 is smaller than the output voltage 116 of the DC-DC converter 103.
  • control unit 120 perform a voltage monitoring and if necessary make an intervention in the power supply of the two memory modules 101, 102.
  • the second memory module 102 may include a power memory to accept power without power limitation of the DC-DC converter 103.
  • the first memory module 101 can then have an energy store. In this case, in response to voltage monitoring (i.e.
  • Multi-memory system 100 may alternatively or additionally comprise further functions or control mechanisms.
  • Two different driving modes can be considered, in particular a sport mode and an ECO mode.
  • ECO mode transhipment between the memory modules 101, 102 may be inhibited (except perhaps to ensure a voltage differential) to ensure maximum efficiency of the multi-memory system 100.
  • Sport mode reloading may be allowed to ensure maximum system performance for acceleration phases and / or recuperation phases.
  • the power storage is initially discharged during the discharge process (in particular during acceleration).
  • a reference variable can be the discharged energy in comparison to the energy that can be recuperated in the drive system.
  • the command variable may depend on the activated driving mode. If the performance of the performance memory for a creanfodd réelle is not sufficient, then the
  • Memory voltages 111, 112 to take into account, and to avoid overlapping the voltage levels of the memory modules 111, 121. Imminent overlap of the voltage levels may result in lowering the discharge power of the power storage (i.e., the second memory module 102) and increasing the discharge power of the energy storage (i.e., the first memory module 101). Furthermore, if the requested system power is less than the power of the energy storage, additionally an energy transfer from
  • Energy storage in the power memory are performed (possibly also in ECO mode).
  • the power memory can first be charged during the charging process (ie during braking). Consequently, the power output of the acceleration phase regulated according to the reference variable can be recuperated in the recuperation phase. If the performance is not sufficient for the charging of the power memory, so can also be charged energy storage.
  • Memory voltages 111, 112 to take into account, and to avoid overlapping the voltage levels of the memory modules 111, 121. A threatening overlap of the voltage levels can lead to the charging power of the energy storage device being lowered and the charging power of the power storage device being increased in the direction of the maximum. Furthermore, if the offered system performance (recuperation power) is smaller than the charging power of the
  • Power memory is, in addition to the Rekuperations elaborate an energy transfer from the energy storage in the power memory (i.e., a reload) performed (possibly also in ECO mode).
  • the charging process can be modified in sports mode such that, based on a load indicator for the memory modules 101, 102, e.g. On the basis of a current integral of the memory modules 101, 102, it is checked whether the current charging power restricts a possible discharge power to be provided later and whether sufficient energy remains available without recuperation
  • the multi-memory system 100 described in this document enables a cost-efficient, energy-efficient and reliable supply of an electric drive machine 105 in different operating situations of an electrically driven vehicle. Measures have been described to adjust the voltages in the memory modules 101, 102 of the multi-memory system 100.
  • the measures comprise a division of the power in a multi-memory system 100 taking into account the properties (eg energy state / SOC, maximum / minimum power, previous load, etc.) of the memory modules 101, 102 and the DC-DC converter 103 of FIG.
  • a bidirectional DC-DC converter 103 may be used, either only as a boost converter or as
  • Step-down converter is designed. Within these physical limitations of the multi-memory system 100, there is one degree of freedom for the choice of
  • the illustrated functions use this degree of freedom, e.g. optimize the following performance: available maximum power (for example for the acceleration phases); available
  • Multi-memory system 100 Multi-memory system 100.

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Abstract

Es wird ein Verfahren (300) zum Betrieb eines Speichersystems (100) für ein Fahrzeug beschrieben. Das Speichersystem (100) umfasst ein erstes Speichermodul (101) und ein zweites Speichermodul (102) zur Bereitstellung von elektrischer Energie an bzw. zur Aufnahme von elektrischer Energie von einem Verteilungsnetz (106). Dabei ist das Verteilungsnetz (106) mit einer elektrischen Maschine (105) des Fahrzeugs gekoppelt. Das erste Speichermodul (101) ist über einen Gleichspannungswandler (103) mit dem Verteilungsnetz (106) gekoppelt. Das Verfahren (300) umfasst das Ermitteln (301), ob ein Betrag eines Spannungsunterschiedes zwischen einer Netzspannung (116) des Verteilernetzes (106) und einer ersten Speicher Spannung (111) des ersten Speichermoduls (101) gleich wie oder kleiner als ein Spannungs-Schwellenwert ist. Außerdem umfasst das Verfahren (300) das Durchführen (302) ein oder mehrerer Maßnahmen zur Erhöhung des Betrags des Spannungsunterschiedes, wenn ermittelt wird, dass der Betrag gleich wie oder kleiner als der Spannungs-Schwellenwert ist.

Description

Mehrspeichersystem und Verfahren zum Betrieb eines Mehrspeichersystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit zum Betrieb eines Mehrspeichersystems für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Mehrspeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
Ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb umfasst typischerweise ein oder mehrere elektrische Speichermodule zur Speicherung von elektrischer Energie für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine. Dabei wird zum Antrieb des Fahrzeugs elektrische Energie aus den ein oder mehreren elektrischen
Speichermodulen entnommen. Desweiteren wird in Verzögerungsphasen des Fahrzeugs typischerweise elektrische Energie zum Aufladen der ein oder mehreren elektrischen Speichermodule rekuperiert.
Die Speichermodule des Fahrzeugs sollten zum einen ausreichend geladen sein, um ein zuverlässiges Fahren zu ermöglichen. Andererseits sollte zumindest eines der Speichermodule in Rekuperationsphasen ausreichend freie Kapazität aufweisen, um die rekuperierte elektrische Energie aufzunehmen, und um so ein möglichst effizientes Fahren zu ermöglichen. Somit sind die Ladezustände der Speichermodule eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs kontinuierlich zu überwachen und ggf. anzupassen.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein möglichst effizientes und zuverlässiges elektrisches Speichersystem mit einer Vielzahl von elektrischen Speichermodulen sowie eine möglichst effiziente und zuverlässige Steuerung bzw. Regelung eines solchen Mehrspeichersystems bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Speichersystems für ein Fahrzeug (insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wie z.B. ein Personenkraftwagen, ein Nutzfahrzeug, ein Lastkraftwagen, ein Bus, ein Motorrad, etc.) beschrieben. Das Speichersystem umfasst ein erstes
Speichermodul und ein zweites Speichermodul zur Bereitstellung von elektrischer Energie an bzw. zur Aufnahme von elektrischer Energie von einem
Verteilungsnetz. Das Verteilungsnetz ist dabei mit einer elektrischen Maschine des Fahrzeugs gekoppelt. Durch die elektrische Maschine kann das Fahrzeug angetrieben bzw. beschleunigt werden. Andererseits kann die elektrische
Maschine in einer Verzögerungsphase des Fahrzeugs als Generator betrieben werden, um elektrische Energie zu rekuperieren. In dem Verteilungsnetz kann somit von der elektrischen Maschine elektrische Leistung angefordert werden
(zum Antrieb der elektrischen Maschine). Andererseits kann durch die elektrische Maschine im Verteilungsnetz elektrische Leistung bereitgestellt werden (in einer Rekuperationsphase) . Das erste Speichermodul ist über einen Gleichspannungswandler (in diesem Dokument auch als DC/DC-Wandler bezeichnet) mit dem Verteilungsnetz gekoppelt. Andererseits kann das zweite Speichermodul direkt (ohne Verwendung eines Gleichspannungswandlers) mit dem Verteilernetz gekoppelt sein. Durch eine geeignete Steuerung bzw. Regelung des Gleichspannungswandlers kann eine Aufteilung der Entladeleistung (in einer Antriebsphase) bzw. der Ladeleistung (in einer Verzögerungsphase) des Verteilernetzes auf das erste Speichermodul und auf das zweite Speichermodul erfolgen. Dabei ermöglicht das in diesem
Dokument beschriebene Verfahren eine robuste Aufteilung der Lade- bzw.
Entladeleistung, auch ohne Verwendung eines dedizierten
Gleichspannungswandlers für das zweite Speichermodul. Das erste Speichermodul und das zweite Speichermodul können einen
Leistungsspeicher und einen Energiespeicher umfassen. Dabei weist der
Leistungsspeicher gegenüber dem Energiespeicher eine höhere maximal mögliche Ladeleistung und/oder Entladeleistung auf. Ein Beispiel für einen
Leistungsspeicher ist ein Kondensator (insbesondere ein sogenannter Super Cap). Alternativ oder ergänzend kann eine auf Leistung ausgelegte Li-Ionen
Speicherzelle als Leistungsspeicher verwendet werden. Der Energiespeicher weist gegenüber dem Leistungsspeicher eine höhere Energiedichte und eine höhere Speicherkapazität auf. Ein Beispiel für einen Energiespeicher ist eine Li-Ionen- basierte Speicherzelle bzw. ein Speichermodul mit einer Vielzahl solcher
Speicherzellen. Somit können in dem Speichersystem unterschiedliche Typen von Speichermodulen verwendet werden, um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen. Insbesondere können durch die Verwendung eines Leistungsspeichers spezifische Anforderungen in Bezug auf das Beschleunigungs- und/oder das Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs erfüllt werden. Andererseits können durch den Energiespeicher Anforderungen an die Reichweite des Fahrzeugs erfüllt werden.
Vorzugsweise umfasst das erste Speichermodul den Energiespeicher und das zweite Speichermodul den Leistungsspeicher. So kann bewirkt werden, dass die maximal mögliche Lade-/Entladeleistung des Leistungsspeichers in Bezug auf das Verteilungsnetz nicht durch Eigenschaften, insbesondere Leistungsgrenzen, des Gleichspannungswandlers begrenzt wird. Es können somit das Beschleunigungsund/oder das Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs verbessert werden.
Andererseits kann das erste Speichermodul den Leistungsspeicher und das zweite Speichermodul den Energiespeicher umfassen. Dies kann vorteilhaft in Bezug auf die Energieeffizienz des Fahrzeugs sein, da aufgrund der relativ niedrigen Speicherkapazität des Leistungsspeichers (im Vergleich zum Energiespeicher) kumulierte Verluste des Gleichspannungswandlers reduziert werden können, wenn dieser in Zusammenhang mit dem Leistungsspeicher verwendet wird. Das Verfahren umfasst das Ermitteln, ob ein Betrag eines
Spannungsunterschiedes zwischen einer Netzspannung des Verteilernetzes und einer ersten Speicherspannung des ersten Speichermoduls gleich wie oder kleiner als ein Spannungs-Schwellenwert ist. Dabei kann der Spannungs-Schwellenwert einen festen, vor-definierten Wert aufweisen. Außerdem umfasst das Verfahren das Durchführen ein oder mehrerer Maßnahmen zur Erhöhung des Betrags des Spannungsunterschiedes, wenn ermittelt wird, dass der Betrag gleich wie oder kleiner als der Spannungs-Schwellenwert ist. Es kann somit durch einen Betrieb des Gleichspannungswandlers gemäß dem beschriebenen Verfahren gewährleistet werden, dass der Betrag des
Spannungsunterschiedes zwischen Netzspannung und erster Speicherspannung nicht unter den Spannungs-Schwellenwert fällt. So werden die Verwendung eines reinen Hochsetzers (Boost- Wandler) oder eines reinen Tiefsetzers (Buck- Wandler) als Gleichspannungswandler (bzw. eines bidirektionalen
Gleichspannungswandlers), und somit eine Kosten-effektive Implementierung eines Mehrspeichersystems für ein Fahrzeug ermöglicht. Insbesondere kann bei Verwendung eines Hochsetzers gewährleistet werden, dass die Netzspannung immer (um mindestens den Spannungs-Schwellenwert) höher ist als die erste Speicherspannung. Andererseits kann bei Verwendung eines Tiefsetzers gewährleistet werden, dass die Netzspannung immer (um mindestens den Spannungs-Schwellenwert) niedriger ist als die erste Speicherspannung. So kann sichergestellt werden, dass das erste Speichermodul in zuverlässiger und robuster Weise stets eine Entladeleistung bereitstellen bzw. eine Ladeleistung aufnehmen kann.
Die ein oder mehreren Maßnahmen können umfassen, das Anpassen einer Aufteilung einer aktuellen Belastung, insbesondere einer aktuellen
Entladeleistung oder Ladeleistung, des ersten Speichermoduls und einer aktuellen Belastung, insbesondere einer aktuellen Entladeleistung oder Ladeleistung, des zweiten Speichermoduls aufgrund einer elektrischen Leistung, die im Verteilungsnetz angefordert oder bereitgestellt wird. Mit anderen Worten, es kann angepasst werden, welcher Anteil von elektrischer Leistung durch das erste bzw. durch das zweite Speichermodul erbracht oder aufgenommen wird. So können der Ladezustand des ersten bzw. des zweiten Speichermoduls und damit die erste Speicherspannung bzw. die zweite Speicherspannung (die typischerweise der Netzspannung entspricht) angepasst werden. Alternativ oder ergänzend können die ein oder mehreren Maßnahmen umfassen, das Umladen von elektrischer Energie zwischen dem ersten Speichermodul und dem zweiten Speichermodul. Alternativ oder ergänzend können die ein oder mehreren Maßnahmen umfassen, das Begrenzen einer aktuellen Entladeleistung oder Ladeleistung (nur) eines der beiden Speichermodule (wobei die aktuelle Entladeleistung oder Ladeleistung des jeweils anderen Speichermoduls nicht begrenzt wird).
Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln, dass im Verteilungsnetz elektrische Leistung angefordert oder bereitgestellt wird. Desweiteren kann das Verfahren umfassen, das Steuern des Gleichspannungswandlers derart, dass die elektrische Leistung zu einem größeren Anteil durch den Leistungsspeicher bereitgestellt oder aufgenommen wird. So kann das Beschleunigungs- und/oder das
Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs verbessert werden (da der
Leistungsspeicher typischerweise eine höhere Lade- bzw. Entladeleistung aufweist).
Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln, dass eine kumulierte historische und/oder vorangegangene Belastung des Leistungsspeichers einen Belastungs- Schwellenwert erreicht oder überschritten hat. Dabei kann der Belastungs- Schwellenwert derart gewählt werden, dass bei Erreichen des Belastungs- Schwellenwerts noch keine Reduzierung der maximal möglichen Entladeleistung erforderlich ist (d.h. dass noch kein Derating erforderlich ist), um eine Schädigung des Leistungsspeichers zu vermeiden. Andererseits kann der Belastungs- Schwellenwert anzeigen, dass ein Derating bei weiter unveränderlicher Belastung des Leistungsspeichers erforderlich werden könnte. Es kann weiter ermittelt werden, dass (in dem o.g. Fall) im Verteilungsnetz elektrische Leistung bereitgestellt wird (z.B. in einer Verzögerungsphase bzw. Rekuperationsphase des Fahrzeugs). Der Gleichspannungswandler kann dann derart gesteuert werden, dass eine aktuelle Ladeleistung des Leistungsspeichers für die Aufnahme der im Verteilungsnetz bereitgestellten elektrischen Leistung gegenüber einer maximal möglichen Ladeleistung des Leistungsspeichers reduziert wird. So kann in einer Rekuperationsphase die Belastung des
Leistungsspeichers reduziert werden, um einen uneingeschränkten Betrieb des Leistungsspeichers in einer nachfolgenden Entladephase und damit ein uneingeschränktes Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs sicherzustellen. Eine derartige Betriebsstrategie des Speichersystems kann insbesondere bei einem aktivierten Sportmodus des Fahrzeugs verwendet werden. Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln eines Fahrmodus aus einer Vielzahl von Fahrmodi, in dem das Fahrzeug aktuell betrieben wird. Dabei kann die Vielzahl von Fahrmodi einen Sportmodus und einen Verbrauchs-orientierten Modus umfassen. Dabei soll im Sportmodus typischerweise das Fahrzeug ein gegenüber dem Verbrauch- orientierten Modus erhöhtes
Beschleunigungsvermögen aufweisen. Andererseits soll im Verbrauchorientierten Modus das Fahrzeug typischerweise eine gegenüber dem Sportmodus erhöhte elektrische Energieeffizienz aufweisen.
Der Gleichspannungswandler kann in Abhängigkeit von dem Fahrmodus gesteuert werden. So können die o.g. Ziele der unterschiedlichen Fahrmodi in effizienter Weise umgesetzt werden.
Insbesondere kann im Sportmodus über einen gesamten
Fahrgeschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs ein Soll-Ladezustand des
Leistungsspeichers vorgeben werden, der höher ist als der Soll-Ladezustand des Leistungsspeichers im Verbrauchs-orientierten Modus. Der Gleichspannungswandler kann dann derart gesteuert bzw. geregelt werden, dass der Leistungsspeicher den Soll-Ladezustand aufweist. Durch einen erhöhten Soll- Ladezustand kann sichergestellt werden, dass im Sportmodus lange und/oder häufige Beschleunigungsphasen zuverlässig umgesetzt werden können.
Andererseits kann das Verfahren umfassen, insbesondere wenn das Fahrzeug im Verbrauchs-orientierten Modus ist, das Ermitteln, in Reaktion auf eine
Anforderung oder eine Bereitstellung von elektrischer Leistung im
Verteilungsnetz, einer Leistungsaufteilung zwischen dem ersten Speichermodul und dem zweiten Speichermodul, durch die die Gesamtleistungsverluste des ersten Speichermoduls, des zweiten Speichermoduls und des
Gleichspannungswandlers reduziert (ggf. minimiert) werden. Die
Leistungsaufteilung kann dabei aus einer vordefinierten Look-up Tabelle entnommen werden (in Abhängigkeit von der angeforderten oder bereitgestellten elektrischen Leistung im Verteilungsnetz). Der Gleichspannungswandler kann dann in Abhängigkeit von der ermittelten Leistungsaufteilung gesteuert bzw. geregelt werden. So kann die Energieeffizienz des Speichersystems erhöht werden. Wie oben dargelegt, kann das erste Speichermodul einen Energiespeicher und das zweite Speichermodul einen Leistungsspeicher umfassen. Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln, dass im Verteilungsnetz eine erhöhte elektrische Leistung angefordert oder bereitgestellt wird. Insbesondere kann eine
Leistungstransiente detektiert werden. Eine derartige Leistungssteigerung erfordert typischerweise eine Änderung des Betriebs des
Gleichspannungswandlers, um eine erhöhte Leistung zu wandeln. Kurzfristige Leistungssteigerungen können jedoch zu einer Belastung des
Gleichspannungswandlers und des ersten Energiespeichers und damit zu einer Reduzierung der Lebensdauer führen. Das Verfahren kann daher umfassen, das Begrenzen einer Steigung einer durch den Gleichspannungswandler wandelbaren Leistung. Die Begrenzung der Steigung kann dabei derart erfolgen, dass ein nicht- gewandelter verbleibender Anteil der erhöhten elektrischen Leistung im
Verteilungsnetz nicht eine maximale Entlade- oder Ladeleistung des
Leistungsspeichers übersteigt. So kann in zuverlässiger Weise die Lebensdauer des Gleichspannungswandlers und/oder des ersten Energiespeicher erhöht werden.
Mit anderen Worten, es kann durch die Limitierung der Steigung eines
Leistungskommandos, der den Gleichspannungswandler kontrolliert, eine
Verbesserung der Lebensdauer des Energiespeichers und des
Gleichspannungswandler erreicht werden. Dabei sollte sichergestellt werden, dass die elektrische Leistung des Verteilungsnetzes nicht größer als die maximale Leistung des Leistungsspeichers ist. So wird der Leistungshub des
Gleichspannungswandlers und des Energiespeichers reduziert und damit die Lebensdauer verlängert. Diese Funktion kann auch dazu genutzt werden, das dynamische Ansprechverhalten des elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs anzupassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichersystem für ein Fahrzeug beschrieben. Das Speichersystem umfasst ein erstes Speichermodul und ein zweites Speichermodul zur Bereitstellung von elektrischer Energie an bzw. zur Aufnahme von elektrischer Energie von einem Verteilungsnetz, das mit einer elektrischen Maschine des Fahrzeugs gekoppelt ist. Desweiteren umfasst das Speichersystem einen Gleichspannungswandler, der das erste Speichermodul mit dem Verteilungsnetz koppelt. Dabei ist der Gleichspannungswandler eingerichtet, elektrische Energie zwischen einer ersten Speicherspannung des ersten
Speichermoduls und einer Netzspannung des Verteilungsnetzes zu wandeln. Der Gleichspannungswandler ist bevorzugt entweder ein Hochsetzer oder ein
Tiefsetzer. Außerdem umfasst das Speichersystem eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, das in diesem Dokument beschriebene Verfahren zum Betrieb des Gleichspannungswandlers auszuführen. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein
Straßenkraftfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das das in diesem Dokument beschriebene
Speichersystem umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf ein oder mehreren Steuergeräten eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems zum Antrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs;
Figur 2 beispielhafte Spannungsbereiche von Speichersystemen; und
Figur 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines Mehrspeicher Systems. Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der zuverlässigen und effizienten Bereitstellung von elektrischer Energie in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Speichersystems 100 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Das System 100 umfasst ein erstes Speichermodul 101 und ein zweites Speichermodul 102, die beide mit einem elektrischen Verteilungsnetz 106 verbunden sind. Dabei ist das erste Speichermodul 101 indirekt über einen Gleichspannungswandler 103 (auch als DC/DC-Wandler bezeichnet) mit dem Verteilungsnetz 106 verbunden.
An das Verteilungsnetz 106 ist ein Inverter 104 angeschlossen, der eingerichtet ist, aus dem Gleichstrom des Verteilungsnetzes 106 einen Wechselstrom
(insbesondere einen Drehstrom) zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine 105 des Fahrzeugs zu generieren. Umgekehrt ist der Inverter 104 eingerichtet, einen mittels der elektrischen Maschine 105 generierten Wechselstrom in einen Gleichstrom zu wandeln, mit dem das erste und/oder das zweite Speichermodul 101, 102 geladen werden können.
Das erste Speichermodul 101 weist je nach Ladezustand eine erste
Speicherspannung 111 und das zweite Speichermodul 102 weist je nach
Ladezustand eine zweite Speicherspannung 112 auf. Dabei entspricht die zweite Speicherspannung 112 in dem in Fig. 1 dargestellten System 100 der
Netzspannung 116 im Verteilungsnetz 106. Der Gleichspannungswandler 103 ist eingerichtet, elektrische Energie mit der ersten Speicherspannung 111 in elektrische Energie mit der Netzspannung 116 zu wandeln (und in umgekehrter Richtung). Dabei ist es aus Kostengründen typischerweise vorteilhaft, wenn der Gleichspannungswandler 103 entweder nur als Hochsetzwandler (d.h. als Boost- Wandler) oder nur als Tief setz wandler (d.h. als Buck- Wandler) implementiert ist. Mit anderen Worten, der Gleichspannungswandler 103 kann derart sein, dass er pro Wandlungsrichtung entweder nur hoch- oder nur tiefsetzen kann. Das ermöglicht die Verwendung von Kosten-effizienten Gleichspannungswandlern 103. Im Folgenden wird (ohne Einschränkung) angenommen, dass der
Gleichspannungswandler 103 ein Hochsetzwandler ist, der in eine Richtung elektrische Energie mit einer relativ niedrigen ersten Speicherspannung 111 (nur) in elektrische Energie mit einer relativ hohen Netzspannung 116 wandeln kann, und der in umgekehrter Richtung elektrische Energie mit einer relativ hohen Netzspannung 116 (nur) in elektrische Energie mit einer relativ niedrigen ersten Speicherspannung 111 wandeln kann.
Die Speicher Spannung 111, 112 eines Speichermoduls 101, 102 ist typischerweise vom Ladezustand des Speichermoduls 101, 102 und/oder von der Belastung in einem Entlade- oder Ladevorgang, bedingt durch den Innenwiderstand, abhängig. Dabei können die Spannungsbereiche 210, 220 für mögliche Speicherspannungen 111, 112 für unterschiedliche Speichermodule 101, 102 unterschiedlich sein. Dies ist beispielhaft in Fig. 2 dargestellt. Das erste Speichermodul 101 kann erste Speicherspannungen 111 aus dem ersten Spannungsbereich 210 aufweisen, mit einer minimalen ersten Speicher Spannung 212 (bei einem minimalen Ladezustand bzw. State of Charge (SOC)) und einer maximalen ersten Speicherspannung 211 (bei einem maximalen Ladezustand). Das zweite Speichermodul 102 kann zweite Speicherspannungen 112 aus dem zweiten Spannungsbereich 220 aufweisen, mit einer minimalen zweiten Speicherspannung 222 (bei einem minimalen
Ladezustand) und einer maximalen zweiten Speicherspannung 221 (bei einem maximalen Ladezustand). In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel ist die maximale zweite Speicherspannung 221 höher als die maximale erste Speicherspannung 211. Typische Speicherspannungen liegen im Bereich von 300V, 500V, 800V oder höher.
Während des Betriebs des Systems 100 können die Speichermodule 101, 102 unterschiedliche Ladezustände aufweisen. Insbesondere kann je nach Bedarf das erste Speichermodul 101 und/oder das zweite Speichermodul 102 verwendet werden, um Energie abzugeben bzw. um Energie aufzunehmen. Beispielsweise können das erste Speichermodul 101 und das zweite Speichermodul 102 unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf die Energiedichte, auf eine maximal mögliche Ladeleistung, auf eine maximal mögliche Entladeleistung, und/oder auf eine Speicherkapazität aufweisen. Beispielsweise kann das erste Speichermodul 101 einen Speicher mit einer relativ hohen maximalen Lade -/Entladeleistung aber mit einer relativ geringen Energiedichte aufweisen (z.B. einen sogenannten Super Cap). Das erste Speichermodul 101 kann dann bevorzugt für
Beschleunigungsphasen und/oder für Rekuperationsphasen verwendet werden. Das erste Speichermodul 101 kann in diesem Fall als Leistungsspeicher bezeichnet werden. Andererseits kann das zweite Speichermodul 102 einen Speicher mit einer relativ hohen Energiedichte aber einer relativ niedrigen maximalen Lade-/Entladeleistung aufweisen (z.B. eine Li-Ionen Batterie). Das zweite Speichermodul 102 kann dann bevorzugt für die Bereitstellung einer Grundleistung verwendet werden. Das zweite Speichermodul 102 kann in diesem Fall als Energiespeicher bezeichnet werden.
Die Entnahme bzw. die Aufnahme von elektrischer Energie für die
Speichermodule 101, 102 kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Speichermodule 101, 102 erfolgen, so dass die Speichermodule 101, 102 unterschiedliche Ladezustände und damit auch unterschiedliche
Speicherspannungen 111, 121 aufweisen können. Dies könnte zu einer Situation führen, bei der die Netzspannung 116 (die der zweiten Speicher Spannung 102 entspricht) kleiner als oder gleich wie die erste Speicher Spannung 111 ist. Als Folge daraus könnte dem ersten Energiespeicher 111 keine Energie mehr entnommen bzw. zugeführt werden. Eine Steuereinheit 120 des Systems 100 kann eingerichtet sein, eine derartige Situation frühzeitig zu erkennen und bereits im Vorfeld Gegenmaßnahmen einzuleiten, um zu gewährleisten, dass die erste Speicherspannung 111 zu jedem Zeitpunkt kleiner als die Netzspannung 116 ist. Dies kann insbesondere durch ein Umladen von elektrischer Energie von dem ersten Speichermodul 101 zum zweiten Speichermodul 102 erreicht werden. Alternativ oder ergänzend kann in Rekuperationsphasen bevorzugt elektrische Energie in dem zweiten Energiemodul 102 gespeichert werden. So kann die zweite Speicherspannung 112 relativ zu der ersten Speicherspannung 111 angehoben werden.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zum Betrieb eines Speichersystems 100 für ein Fahrzeug. Das Speichersystem 100 umfasst ein erstes Speichermodul 101 und ein zweites Speichermodul 102 zur Bereitstellung von elektrischer Energie an bzw. zur Aufnahme von elektrischer Energie von einem Verteilungsnetz 106. Dabei ist das Verteilungsnetz 106 mit einer elektrischen Maschine 105 des Fahrzeugs gekoppelt. Das erste Speichermodul 101 ist über einen Gleichspannungswandler 103 mit dem Verteilungsnetz 106 gekoppelt. Das zweite Speichermodul 102 ist bevorzugt direkt mit dem
Verteilungsnetz 106 gekoppelt. Durch das Verfahren 300 kann gewährleistet werden, dass auch bei Verwendung von nur einem Gleichspannungswandler 103, die Bereitstellung bzw. Aufnahme von Leistung durch die Speichermodule 101, 102 in robuster Weise gesteuert bzw. geregelt werden kann. Desweiteren ermöglicht das Verfahren 300 die Verwendung von einem reinen Hochsetzer oder einem reinen Tiefsetzer als Gleichspannungswandler 103. Insgesamt wird somit durch das Verfahren 300 die Implementierung eines Kosten-effizienten und robusten Mehrspeichersystems für den elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs ermöglicht.
Das Verfahren 300 umfasst das Ermitteln 301, ob ein Betrag eines
Spannungsunterschiedes zwischen einer Netzspannung 116 des Verteilernetzes 106 und einer ersten Speicherspannung 111 des ersten Speichermoduls 101 gleich wie oder kleiner als ein Spannungs-Schwellenwert ist. Insbesondere kann bei Verwendung eines Hochsetzers als Gleichspannungswandlers 103 ermittelt werden, ob die Netzspannung 116 um den Spannungs-Schwellenwert größer ist als die erste Speicherspannung 111 oder nicht. Andererseits kann bei Verwendung eines Tiefsetzers als Gleichspannungswandlers 103 ermittelt werden, ob die Netzspannung 116 um den Spannungs-Schwellenwert kleiner ist als die erste Speicherspannung 111 oder nicht. Das Verfahren 300 umfasst weiter das Durchführen 302 ein oder mehrerer Maßnahmen zur Erhöhung des Betrags des Spannungsunterschiedes, wenn ermittelt wird, dass der Betrag gleich wie oder kleiner als der Spannungs- Schwellenwert ist. Insbesondere können ein oder mehrere Maßnahmen durchgeführt werden, durch die die Netzspannung 116 erhöht und/oder die erste Speicherspannung 111 reduziert wird (bei Verwendung eines Hochsetzers), bzw. durch die die Netzspannung 116 reduziert und/oder die erste Speicherspannung 111 erhöht wird (bei Verwendung eines Hochsetzers).
Es wird somit ein Energiespeichersystem 100 mit mehreren Speichermodulen 101, 102 beschrieben. Jedes Speichermodul 101, 102 verfügt über ein oder mehrere unterschiedlichen Eigenschaften, die spezifisch genutzt werden können. Z.B. kann das erste Speichermodul 101 primär für die Leistungsversorgung geeignet sein, während das zweite Speichermodul 102 relativ mehr Energie speichern kann. Bei einer Anwendung in einem elektrischen Fahrzeug bietet das erste Speichermodul 101 dann eine relativ bessere Leistungsbereitstellung, die für die Fahrzeugbeschleunigung verwendet werden kann. Das zweite Speichermodul 102 hingegen kann eine relativ höhere Energiedichte bieten, so dass die elektrische Reichweite des Fahrzeugs maximiert werden kann. Dabei ist es auch denkbar, dass mehrere Speichermodule 101, 102 mehrere In verter/EM- An triebe 104, 105 mit Energie versorgen oder von diesen Energie aufnehmen können.
Es können somit unterschiedliche Speichermodule 101, 102 für unterschiedliche Anwendungen bereitgestellt werden. Beispielsweise sind manche
Speichermodule, wie Super Caps, auf eine relativ hohe Leistungsbereitstellung ausgelegt, so dass diese Speichermodule ohne Beschädigung mit relativ hohen Strömen geladen und entladen werden können. Der Energieinhalt ist in solchen Speichermodulen jedoch typischerweise relativ niedrig. Anforderung bezgl. der elektrischen Reichweite des Fahrzeugs können durch ein zusätzliches
Speichermodul erfüllt werden, das eine größere Menge an elektrischer Energie Speicher kann. So kann durch ein Mehrspeichersystem 100 sowohl eine relativ hohe Leistungsfähigkeit als auch eine relativ hohe Reichweite bereitgestellt werden. Die Steuereinheit 120 eines Mehrspeichersystems 100 kann auf eine Vielzahl von Funktionen zurückgreifen, um das Entladen bzw. Aufladen der Speichermodule 101, 102 zu steuern bzw. zu regeln. Die Steuereinheit 120 kann z.B. Teil eines Steuergeräts eines Speichermoduls 101, 102, des Gleichspannungswandlers 103 und/oder der elektrischen Maschine 105 sein. Zu diesem Zweck kann die
Steuereinheit 120 insbesondere den Gleichspannungswandler 103 verwenden, um die Entnahme von elektrischer Energie aus dem ersten Speichermodul 101 bzw. die Aufnahme von elektrischer Energie durch das erste Speichermodul 101 zu steuern bzw. zu regeln. Dies beeinflusst indirekt die Entnahme/ Aufnahme von elektrischer Energie durch das zweite Speichermodul 102. Durch Ansteuerung des Gleichspannungswandlers 103 kann die Steuereinheit 120 somit die Entnahme / Aufnahme von elektrischer Energie durch die beiden Speichermodule 101, 102 einstellen.
Im Rahmen einer ersten Funktion können aktuelle Leistungsgrenzen des
Mehrspeichersystems 100 durch die Steuereinheit 120 ermitteln werden. Als Input kann diese erste Funktion die maximale Lade- und/oder Entladeleistung der Speichermodule 101, 102, die Verlustleistung des bzw. der
Gleichspannungswandler 103 und/oder die aus dem vom Fahrer des Fahrzeugs angeforderten Drehmoment (insbesondere aus der Gaspedalstellung) ermittelte benötige Speichersystemleistung ggf. inkl. der Nebenverbraucher verwenden. Die Verlustleistung des Gleichspannungswandlers 103 bezieht sich dabei meist auf den angeforderten Zustand (d.h. auf die benötigte Speichersystemleistung) oder auf den vom System 100 maximal erreichbaren Zustand, wenn der angeforderte Zustand nicht erreicht werden kann. Die maximal möglichen Entlade-/Ladeleistungen der Speichermodule 101, 102 können dabei zeitlich variieren. Insbesondere kann eine historische Belastung eines Speichermoduls 101, 102 die aktuell maximal mögliche Entlade- /Ladeleistung des Speichermoduls 101, 102 beeinflussen. Alternativ oder ergänzend kann ein Fahrmodus des Fahrzeugs (z.B. eine Sportmodus oder eine Verbrauchs-orientierter Fahrmodus) die aktuell maximal mögliche Entlade - /Ladeleistung des Speichermoduls 101, 102 beeinflussen. Alternativ oder ergänzend kann die Speicherspannung 111, 112 eines Speichermoduls 101, 102 relativ zu der Netzspannung 116 die aktuell maximal mögliche Entlade- /Ladeleistung des Speichermoduls 101, 102 beeinflussen.
Die erste Funktion kann als Output die sich aus der vorgehenden Beanspruchung der Speichermodule 101, 102 und/oder des Gleichspannungswandlers 103 resultierende maximal mögliche Entlade- und/oder Ladeleistung des gesamten Energiespeichersystems 100 bereitstellen. Desweiteren kann die maximal mögliche Entlade- und Ladeleistung der einzelnen Speichermodule 101, 102 bereitgestellt werden. Dabei können sich die aktuell maximal möglichen Entlade- und Ladeleistungen für unterschiedliche Speichermodule 101, 102 signifikant voneinander unterscheiden (z.B. aufgrund der Eigenschaften der Speichermodule 101, 102 und/oder aufgrund der historischen Belastung der Speichermodule 101, 102).
Im Rahmen einer zweiten Funktion kann die Steuereinheit 120 Leistungsbereiche für die einzelnen Speichermodule 101, 102 ermitteln. Als Input können die maximal mögliche Lade-/Entladeleistung des Mehrspeichersystems 100 (aus der ersten Funktion), die Verluste des Gleichspannungswandlers 103 und/oder die Leistungsgrenzen der einzelnen Speichermodule 101, 102 berücksichtigt werden. Dabei können die ermittelten Leistungsbereiche der einzelnen Speichermodule 101, 102 von den Speicherspannungen 111, 112, von der Netzspannung 116 und/oder von dem aktuellen Fahrmodus des Fahrzeugs abhängen. Als Output kann von der zweiten Funktion die aktuell maximal mögliche Lade- /Entladeleistung des Gleichspannungswandlers 103 bereitgestellt werden. Dieser Wert bestimmt die maximale Leistungsbereitstellung/-aufnahme der einzelnen Speichermodule 101, 102, die durch die Regelung des Gleichspannungswandlers 103 eingestellt werden kann.
Die von der zweiten Funktion ermittelte aktuell maximal mögliche Lade- /Entladeleistung des Gleichspannungswandlers 103 kann von der Steuereinheit 120 dazu verwendet werden, den Gleichspannungswandler 103 zu steuern bzw. zu regeln. Alternativ kann im Rahmen einer dritten Funktion eine abweichende Leistungsbereitstellung/- aufnähme der Energiemodule 101, 102 über den
Gleichspannungswandler 103 eingestellt werden, wobei die abweichende
Leistungsbereitstellung/- aufnähme der Energiemodule 101, 102 von einer Betriebsstrategie abhängt. Im Rahmen der dritten Funktion kann somit eine Lastaufteilung auf die einzelnen Speichermodule 101, 102 erfolgen.
Die dritte Funktion kann z.B. einen PID-Regler verwenden, um ein Leistungs- Steuersignal für den Gleichspannungswandler 103 zu ermitteln. Auf Basis eines Vergleichs zwischen dem aktuellen Energieinhalt und einem gewünschten Energieinhalt in zumindest einem der Speichermodule 101, 102 kann ein
Steuersignal für den Gleichspannungswandler 103 ermittelt werden. Zu diesem Zweck können die Speichermodule 101, 102 der Steuereinheit 120 Speicherdaten 121, 122 zur Verfügung stellen, die z.B. einen aktuellen Ladezustand bzw. eine aktuelle Speicher Spannung 111, 112 anzeigen.
Beispielsweise kann der Gleichspannungswandler 103 in Abhängigkeit von einem gewünschten Ladezustand des ersten Energiemoduls 101 angesteuert werden. Das erste Energiemodul 101 kann z.B. einen Leistungsspeicher umfassen. Dabei werden die maximal (und ggf. minimal) möglichen Lade -/Entladeleistungen des ersten Energiespeichers 101 berücksichtigt. Der gewünschte Ladezustand bzw. die gewünschte Lade -/Entladeleistung des ersten Energiespeichers 101 kann von ein oder mehreren Betriebsstrategien abhängen:
• Der Bedarf an Leistung im ersten Energiespeicher 101 kann von der
Fahrzeuggeschwindigkeit abhängen. Je höher die
Fahrzeuggeschwindigkeit ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass vom Fahrer eine Beschleunigung gefordert ist. Daher gibt es typischerweise bei relativ hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten einen reduzierten oder keinen Bedarf für eine Energiereserve im ersten
Speichermodul 101 (d.h. im Leistungsspeicher). Außerdem ist bei relativ hohen Fahrzeuggeschwindigkeit typischerweise die rekuperierbare Energie relativ hoch. Es kann daher sinnvoll sein, den ersten
Energiespeicher 101 bei relativ hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten auf einem relativ niedrigen Ladezustand zu halten, um bereit zu sein, Energie zu rekuperieren. In diesem Fall kann ein Regler zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers 103 einen relativ niedrigen gewünschten Ladezustand als Sollgröße verwenden.
• Andererseits ist die Wahrscheinlichkeit typischerweise hoch, dass der Fahrer eines Fahrzeugs bei relativ geringer Geschwindigkeit eine starke Beschleunigung anfordert. In diesem Fall kann der Regler einen relativ hohen Ladezustand als Sollgröße für den Leistungsspeicher setzen.
• Der von dem Regler gesetzte Ladezustand (bzw. die gesetzte Soll-Energie) des Leistungsspeichers kann somit auf Basis der kinetischen Energie im Fahrzeug berechnet werden. Alternativ oder ergänzend kann der gesetzte Ladezustand auf Basis der im Antriebs System bereitgestellten Energie (ggf. verringert um Wirkungsgradverluste in der Kette zwischen
Speichermodul 101, 102 und elektrischer Maschine 105 und ggf. unter Berücksichtigung der Leistungsfähigkeit des elektrischen
Antriebssystems) ermittelt werden. Dabei können z.B. Daten von einem Neigungswinkelsensor berücksichtigt werden. So kann eine rekuperierbare Energie berechnet werden, die als Basis zur Bestimmung einer Matrix mit maximalen Leistungen dient, die sich aus einer Vielzahl von möglichen unterschiedlich starken Bremsvorgängen ergeben. Die Bremspedalstellung dient dann als Wertzuordnung in der Matrix für die angeforderte
Bremsleistung.
· Die gewünschte Ladeleistung des Leistungsspeichers kann von dem
Fahrmodus abhängen. Im Sportmodus möchte der Fahrer eines Fahrzeugs typischerweise dynamisch fahren. Die Wahrscheinlichkeit ist daher hoch, dass auch bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit eine Beschleunigung angefordert wird. In diesem Fall kann der gewünschte Ladezustand höher gesetzt werden als in einem anderen Fahrmodus (z.B. einem Verbrauchsorientierten Fahrmodus).
• In einem Verbrauchs- orientierten Fahrmodus (z.B. in einem sogenannten ECO-Modus) werden typischerweise die Leistungsverluste des
Antriebs Systems minimiert. In diesem Fall kann der gewünschte
Ladezustand des ersten Energiemoduls 101 derart ermittelt werden, dass die Effizienz für die Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe für das gesamte Mehrspeichersystem 100 (inklusive der Verluste des
Gleichspannungswandlers 103) reduziert, ggf. minimiert, werden. Im Rahmen einer vierten Funktion kann die Steuereinheit 120 die
Speicherspannungen 111, 112 und die Netzspannung 116 überwachen. Wie oben dargelegt, kann der Gleichspannungswandler 103 einen bidirektionalen DC/DC- Wandler umfassen, der in einer Richtung nur als„Boost" und in der anderen Richtung nur als„Buck" arbeitet. Bei solchen DC/DC-Wandlern kann ein Energietransfer nur dann erfolgen, wenn die Spannung der Highside höher ist als die Spannung der Lowside des Gleichspannungswandlers 103. Die vierte
Funktion kann diese Spannungen überwachen und reagieren, wenn sich die Spannungen der Highside und Lowside zu nahe kommen. Beispielsweise können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Netzspannung 116 und der ersten Speicher Spannung 111 unter einen
vordefinierten Spannungs-Schwellenwert fällt. Mögliche Gegenmaßnahmen sind:
a) eine maximal mögliche Entladeleistung des ersten Energiemoduls 101 einzustellen (z.B. im Rahmen der dritten Funktion), um das zweite Energiemodul 102 zu entlasten und um die zweite Speicherspannung 112 (und damit die Netzspannung 116) relativ zu der ersten Speicherspannung 101 zu erhöhen.
b) Begrenzung der aktuell maximal möglichen Entladeleistung des zweiten Speichermoduls 102 (im Rahmen der ersten Funktion). Dadurch wird typischerweise auch die maximal mögliche Systemleistung reduziert. So kann das zweite Speichermodul 102 entlastet und die zweite
Speicherspannung 112 erhöht werden (relativ zu der ersten
Speicherspannung 111).
c) Ermöglichen eines Umladens von dem ersten Speichermodul 101 auf das zweite Speichermodul 102. So wird die erste Speicherspannung 111 reduziert und die zweite Speicherspannung 112 erhöht.
Die o.g. Maßnahmen a), b) und/oder c) können alle oder teilweise aktiviert werden, wenn ermittelt wird, dass eine Spannungsdifferenz unter einen ersten Schwellenwert gefallen ist. Die Deaktivierung der Maßnahmen a), b) und/oder c) kann erfolgen, wenn ermittelt wird, dass die Spannungsdifferenz wieder über einen zweiten Schwellenwert gestiegen ist (der größer als der erste Schwellenwert ist) und/oder wenn ermittelt wird, dass die Spannungsdifferenz für einen
Mindestzeitraum über dem ersten Schwellenwert gelegen hat und/oder wenn die zwei Speichermodule 101, 102 in einem stabilen Energiezustand sind, d.h. wenn die Energiezustände (bzw. SOCs) so eingestellt sind, dass die Spannung 106 auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers 103 größer als die
Speicherspannung 111 auf der Eingangsseite des Gleichspannungswandlers 103 ist (bei Verwendung eines Hochsetzstellers als Gleichspannungswandlers 103, bei Verwendung eines Tiefsetzstellers sind die Spannungslagen vertauscht). Wie bereits dargelegt kann der Betrieb des Mehrspeichersystems 100 von einem Fahrmodus abhängen. Insbesondere kann bei Aktivierung eines Sportmodus ein Umladen zwischen dem ersten Energiespeicher 101 und dem zweiten
Energiespeicher 102 ermöglicht werden, um zu gewährleisten, dass ausreichend Leistungsreserven in einem Leistungsspeicher des Systems 100 vorhanden sind (für Beschleunigungsphasen). Andererseits kann in einem Verbrauchs-orientierten Fahrmodus ein Umladen (weitestgehend, z.B. außer im Rahmen der o.g.
Maßnahme c)) unterbunden werden. Alternativ oder ergänzend kann eine aktuell maximal mögliche Ladeleistung eines Energiemoduls 101, 102 von dem Fahrmodus abhängen. Eine starke historische Belastung eines Speichermoduls 101, 102 kann zu einer Begrenzung der zu einem aktuellen Zeitpunkt maximal möglichen Entladeleistung führen. Mit anderen Worten, es kann zu einem„Derating" eines Speichermoduls 101, 102 kommen. Um ein solches„Derating" eines Leistungsspeichers des Systems 100 zu vermeiden, kann vorbeugend im Sportmodus die aktuell maximal mögliche Ladeleistung des Leistungsspeichers reduziert werden (z.B. abhängig von, insbesondere proportional zu, einem Belastungszustand des Leistungsspeichers). Ggf. kann ganz auf die Rekuperation verzichtet werden, d.h. die gesamte Energie kann in den Radbremsen umgesetzt werden und es findet in keinem der
Speichermodule 101, 102 ein Laden durch Rekuperation statt. So kann vermieden werden, dass der Leistungsspeicher bei Bedarf keine ausreichende Entladeleistung aufweist. Es kann somit eine zuverlässige Implementierung eines Sportmodus gewährleistet werden.
Ein Speichermodul 101, 102 kann eine Managementeinheit aufweisen, die eingerichtet ist, Speicherdaten 121, 122 mit einer Vielzahl von Zustandswerten bzgl. eines Zustands des Speichermoduls 101, 102 zu ermitteln und
bereitzustellen. Beispielhafte Zustandswerte sind die aktuelle Speicherspannung 111, 121, ein aktueller Strom, eine Leistungsprognose, ein aktueller Ladezustand bzw. SOC, ein Stromintegral eines Lade-bzw. Entladestroms als Belastungsindikator, etc. Diese Speicherdaten 121, 122 können der Steuereinheit 120 bereitgestellt werden.
Die Steuereinheit 120 nutzt die Speicherdaten 121, 122 und steuert bzw. regelt daraufhin die Lastverteilung in einem System 100 aus (mindestens) zwei miteinander gekoppelten HV(Hochvolt) -Speichermodulen 101, 102. Zur
Reduzierung der Kosten kann ein bidirektionaler Hochsetzsteller
Gleichspannungswandler 103 verwendet werden. Die Steuereinheit 120 kann dann eingerichtet sein, zu gewährleisten, dass zu jedem Zeitpunkt gewährleistet ist, dass die Eingangsspannung 111 zum Gleichspannungswandler 103 kleiner ist als die Ausgangsspannung 116 des Gleichspannungswandlers 103.
Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 120 eine Spannungsüberwachung durchführen und bei Bedarf einen Eingriff in die Leistungsbereitstellung der beiden Speichermodule 101, 102 vornehmen.
In einem Beispiel kann das zweite Speichermodul 102 einen Leistungsspeicher umfassen, um ohne Leistungsbegrenzung des Gleichspannungswandlers 103 Leistung aufnehmen bzw. abgeben zu können. Das erste Speichermodul 101 kann dann einen Energiespeicher aufweisen. In diesem Fall kann in Reaktion auf die Spannungsüberwachung (d.h. in Reaktion auf eine zu geringe
Spannungsdifferenz) eine Degradation der Leistung des Leistungsspeichers und eine stärkere Belastung des Energiespeichers vorgenommen werden. Alternativ oder ergänzend kann bei vorhandener Leistungsreserve des Energiespeichers ein Umladen auf den Leistungsspeicher vorgenommen werden (was typischerweise im ECO-Modus strikt vermieden wird). Diese Maßnahmen können insbesondere in Entladephasen (d.h. bei Beschleunigungen) durchgeführt werden. So kann eine Spannungsdifferenz zwischen der zweiten Speicherspannung 112 und der ersten Speicherspannung 111 hergestellt werden. Die von einer Steuereinheit 120 ausgeführte Betriebsstrategie für ein
Mehrspeichersystem 100 kann alternativ oder ergänzend weitere Funktionen bzw. Regelungsmechanismen aufweisen. Es können zwei unterschiedliche Fahrmodi bzw. Betriebsmodi berücksichtigt werden, insbesondere ein Sportmodus und ein ECO-Modus. Im ECO-Modus kann ein Umladen zwischen den Speichermodulen 101, 102 unterbunden werden (ggf. außer zur Gewährleistung einer Spannungsdifferenz), um eine maximale Effizienz des Mehrspeichersystems 100 sicherzustellen. Andererseits kann im Sportmodus ein Umladen erlaubt werden, um eine maximale Systemleistungsfähigkeit für Beschleunigungsphasen und/oder Rekuperationsphasen sicherzustellen.
Gemäß einer weiteren Funktion wird im Entladevorgang (insbesondere bei Beschleunigung) zunächst der Leistungsspeicher entladen. Eine Führungsgröße kann dabei die entladene Energie im Vergleich zu der im Antriebs System rekuperierbaren Energie sein. Dabei kann die Führungsgröße von dem aktivierten Fahrmodus abhängen. Sollte die Leistungsfähigkeit des Leistungsspeichers für eine Leistungsanfoderung nicht ausreichen, so kann zusätzlich der
Energiespeicher entladen werden.
Dabei ist jedoch typischerweise die Spannungsdifferenz zwischen den
Speicherspannungen 111, 112 zu berücksichtigen, und eine Überlappung der Spannungslagen der Speichermodule 111, 121 zu vermeiden. Eine drohende Überlappung der Spannungslagen kann dazu führen, dass die Entladeleistung des Leistungsspeichers (d.h. des zweiten Speichermoduls 102) gesenkt wird und die Entladeleistung des Energiespeichers (d.h. des ersten Speichermoduls 101) erhöht wird. Desweiteren kann, falls die angeforderte Systemleistung kleiner als die Leistung des Energiespeichers ist, zusätzlich ein Energietransfer vom
Energiespeicher in den Leistungsspeicher (d.h. ein Umladen) durchgeführt werden (ggf. auch im ECO Modus). Gemäß einer weiteren Funktion kann im Ladevorgang (d.h. beim Bremsen) zunächst der Leistungsspeicher geladen werden. Folglich kann die nach der Führungsgröße geregelte Leistungsabgabe der Beschleunigungsphase in der Rekuperationsphase rekuperiert werden. Sollte die Leistungsfähigkeit für den Ladevorgang des Leistungsspeichers nicht ausreichen, so kann zusätzlich der Energiespeicher geladen werden.
Dabei ist jedoch typischerweise die Spannungsdifferenz zwischen den
Speicherspannungen 111, 112 zu berücksichtigen, und eine Überlappung der Spannungslagen der Speichermodule 111, 121 zu vermeiden. Eine drohende Überlappung der Spannungslagen kann dazu führen, dass die Ladeleistung des Energiespeichers gesenkt wird und die Ladeleistung des Leistungsspeichers in Richtung des Maximums erhöht wird. Desweiteren kann, falls die angebotene Systemleistung (Rekuperationsleistung) kleiner als die Ladeleistung des
Leistungsspeichers ist, zusätzlich zur Rekuperationsleistung ein Energietransfer vom Energiespeicher in den Leistungsspeicher (d.h. ein Umladen) durchgeführt werden (ggf. auch im ECO Modus).
Der Ladevorgang kann im Sportmodus dahingehend abgewandelt werden, dass anhand eines Belastungsindikators für die Speichermodule 101, 102, z.B. auf Basis eines Stromintegrals der Speichermodule 101, 102, geprüft wird, ob die aktuelle Ladeleistung eine mögliche später zu erbringende Entladeleistung einschränkt und ob ohne Rekuperation weiterhin genügend Energie zur
Leistungsbereitstellung zur Verfügung steht. Ergibt die Prüfung, dass eine Einschränkung vorliegen wird und genügend Energie vorhanden ist, kann das Laden beider Speichermodule 101, 102 oder eines Speichermoduls 101, 102 gezielt unterbunden bzw. beschränkt werden. Es findet dann keine oder nur eine eingeschränkte Rekuperation statt. Andererseits kann so die Leistungsbereitschaft für Beschleunigungen gewährleistet werden. Das in diesem Dokument beschriebene Mehrspeichersystem 100 ermöglicht eine Kosten-effiziente, eine Energie-effiziente und eine zuverlässige Versorgung einer elektrischen Antriebsmaschine 105 in unterschiedlichen Betriebs Situationen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Dabei wurden Maßnahmen beschrieben, um die Spannungen in den Speichermodulen 101, 102 des Mehrspeichersystems 100 anzupassen. Insbesondere umfassen die Maßnahmen eine Aufteilung der Leistung in einem Mehrspeichersystem 100 unter Berücksichtigung der Eigenschaften (z.B. Energiezustand/SOC, maximale/minimale Leistung, vorherige Belastung, etc.) der Speichermodule 101, 102 und des Gleichspannungswandlers 103 des
Mehrspeichersystems 100. So kann ein bidirektionaler Gleichspannungswandler 103 verwendet werden, der entweder nur als Hochsetzsteller oder als
Tiefsetzsteller ausgelegt ist. Innerhalb dieser physikalischen Einschränkungen des Mehrspeichersystems 100 gibt es einen Freiheitsgrad für die Wahl der
Leistungsaufteilung. Die dargestellten Funktionen nutzen diesen Freiheitsgrad, um z.B. folgende Performance zu optimieren: Verfügbare maximale Leistung (z.B. für die Beschleunigungsphasen); verfügbare
Energie/Wirkungsgrad/Reichweite und/oder Lebensdauer des
Mehrspeichersystems 100.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Ansprüche
1) Verfahren (300) zum Betrieb eines Speichersystems (100) für ein Fahrzeug; wobei das Speichersystem (100) ein erstes Speichermodul (101) und ein zweites Speichermodul (102) zur Bereitstellung von elektrischer Energie an bzw. zur Aufnahme von elektrischer Energie von einem Verteilungsnetz (106) umfasst; wobei das Verteilungsnetz (106) mit einer elektrischen Maschine (105) des Fahrzeugs gekoppelt ist; wobei das erste Speichermodul (101) über einen Gleichspannungswandler (103) mit dem Verteilungsnetz (106) gekoppelt ist; wobei das Verfahren (300) umfasst,
- Ermitteln (301), ob ein Betrag eines Spannungsunterschiedes zwischen einer Netzspannung (116) des Verteilernetzes (106) und einer ersten Speicherspannung (111) des ersten Speichermoduls (101) gleich wie oder kleiner als ein Spannungs-Schwellenwert ist; und
- Durchführen (302) ein oder mehrerer Maßnahmen zur Erhöhung des Betrags des Spannungsunterschiedes, wenn ermittelt wird, dass der Betrag gleich wie oder kleiner als der Spannungs-Schwellenwert ist.
2) Verfahren (300) gemäß Anspruch 1, wobei die ein oder mehreren Maßnahmen ein oder mehrere umfassen von,
- Anpassen einer Aufteilung einer aktuellen Belastung, insbesondere einer aktuellen Entladeleistung oder Ladeleistung, des ersten Speichermoduls (101) und einer aktuellen Belastung, insbesondere einer aktuellen Entladeleistung oder Ladeleistung, des zweiten Speichermoduls (101) aufgrund einer elektrischen Leistung, die im
Verteilungsnetz (106) angefordert oder bereitgestellt wird; und/oder
- Umladen von elektrischer Energie zwischen dem ersten
Speichermodul (101) und dem zweiten Speichermodul (102); und/oder
- Begrenzung einer aktuellen Entladeleistung oder Ladeleistung eines der beiden Speichermodule (101, 102). 3) Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- das erste Speichermodul (101) und das zweite Speichermodul (102) einen Leistungsspeicher und einen Energiespeicher umfassen;
- der Leistungsspeicher gegenüber dem Energiespeicher eine höhere maximal mögliche Ladeleistung und/oder Entladeleistung aufweist; und
- der Energiespeicher gegenüber dem Leistungsspeicher eine höhere Energiedichte und eine höhere Speicherkapazität aufweist. 4) Verfahren (300) gemäß Anspruch 3, wobei das erste Speichermodul (101) den Energiespeicher und das zweite Speichermodul (102) den Leistungsspeicher umfasst.
5) Verfahren (300) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei das Verfahren (300) umfasst,
- Ermitteln, dass im Verteilungsnetz (106) elektrische Leistung
angefordert oder bereitgestellt wird; und
- Steuern des Gleichspannungswandlers (103) derart, dass die
elektrische Leistung zu einem größeren Anteil durch den
Leistungsspeicher bereitgestellt oder aufgenommen wird.
6) Verfahren (300) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Verfahren (300) umfasst,
- Ermitteln, dass eine kumulierte vorhergegangene Belastung des
Leistungsspeichers einen Belastungs-Schwellenwert erreicht oder überschritten hat;
- Ermitteln, dass im Verteilungsnetz (106) elektrische Leistung
bereitgestellt wird; und
- Steuern des Gleichspannungswandlers (103) derart, dass eine aktuelle Ladeleistung des Leistungsspeichers für die Aufnahme der im
Verteilungsnetz (106) bereitgestellten elektrischen Leistung gegenüber einer maximal möglichen Ladeleistung des Leistungsspeichers reduziert wird.
7) Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- das Verfahren (300) umfasst, Ermitteln eines Fahrmodus aus einer Vielzahl von Fahrmodi, in dem das Fahrzeug aktuell betrieben wird;
- die Vielzahl von Fahrmodi einen Sportmodus und/oder einen
Verbrauchs-orientierten Modus umfasst; und
- das Verfahren (300) umfasst, Steuern des Gleichspannungswandlers (103) in Abhängigkeit von dem Fahrmodus.
8) Verfahren (300) gemäß Anspruch 7 mit Rückbezug auf Anspruch 3, wobei
- im Sportmodus das Fahrzeug ein gegenüber dem Verbrauchorientierten Modus erhöhtes Beschleunigungsvermögen aufweisen soll;
- im Sportmodus über einen gesamten Fahrgeschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs ein Soll-Ladezustand des Leistungsspeichers höher ist als im Verbrauchs-orientierten Modus; und
- das Verfahren (300) umfasst, Steuern des Gleichspannungswandlers (103) derart, dass der Leistungsspeicher den Soll-Ladezustand aufweist.
9) Verfahren (300) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei
- im Verbrauch- orientierten Modus das Fahrzeug eine gegenüber dem Sportmodus erhöhte elektrische Energieeffizienz aufweisen soll; und
- das Verfahren (300) umfasst, Ermitteln, in Reaktion auf eine
Anforderung oder Bereitstellung von elektrischer Leistung im Verteilungsnetz (106), einer Leistungsaufteilung zwischen dem ersten Speichermodul (101) und dem zweiten Speichermodul (102), durch die Gesamtleistungsverluste des ersten Speichermoduls (101), des zweiten Speichermoduls (102) und des Gleichspannungswandlers (103) reduziert werden; und
- das Verfahren (300) umfasst, Steuern des Gleichspannungswandlers (103) in Abhängigkeit von der ermittelten Leistungsaufteilung.
10) Verfahren (300) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, weiter umfassend,
- Ermitteln, dass im Verteilungsnetz (106) eine erhöhte elektrische Leistung angefordert oder bereitgestellt wird; und
- Begrenzen einer Steigung einer durch den Gleichspannungswandler (103) wandelbaren Leistung, derart, dass ein nicht-gewandelter verbleibender Anteil der erhöhten elektrischen Leistung nicht eine maximale Entlade- oder Ladeleistung des Leistungsspeichers übersteigt. 11) Speichersystem (100) für ein Fahrzeug; wobei das Speichersystem (100) umfasst,
- ein erstes Speichermodul (101) und ein zweites Speichermodul (102) zur Bereitstellung von elektrischer Energie an bzw. zur Aufnahme von elektrischer Energie von einem Verteilungsnetz (106), das mit einer elektrischen Maschine (105) des Fahrzeugs gekoppelt ist;
- einen Gleichspannungswandler (103), der das erste Speichermodul (101) mit dem Verteilungsnetz (106) koppelt; wobei der
Gleichspannungswandler (103) eingerichtet ist, elektrische Energie zwischen einer ersten Speicher Spannung (111) des ersten
Speichermoduls (101) und einer Netzspannung (116) des
Verteilungsnetzes (106) zu wandeln; wobei der
Gleichspannungswandler (103) entweder einen Hochsetzer oder einen Tief setzer umfasst; und
- eine Steuereinheit (120), die eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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