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DE102016208148A1 - Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug - Google Patents

Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug Download PDF

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DE102016208148A1
DE102016208148A1 DE102016208148.9A DE102016208148A DE102016208148A1 DE 102016208148 A1 DE102016208148 A1 DE 102016208148A1 DE 102016208148 A DE102016208148 A DE 102016208148A DE 102016208148 A1 DE102016208148 A1 DE 102016208148A1
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DE
Germany
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energy storage
storage unit
vehicle
electric motor
storage units
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DE102016208148.9A
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English (en)
Inventor
Andre Schmitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Ein Energiespeichersystem (100) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst eine erste Energiespeichereinheit (102), die eine zum Betrieb wenigstens eines Elektromotors (110) des Fahrzeugs ausreichende Grundleistung bereitstellt und mit einem Elektromotor (110) des Fahrzeugs verbunden ist, und eine zweite Energiespeichereinheit (104), die eine Zusatzleistung zum Betrieb eines Elektromotors (110) des Fahrzeugs bereitstellt und die zur ersten Energiespeichereinheit (102) parallel geschaltet ist, wobei die erste und die zweite Energiespeichereinheit (102, 104) über einen DC/DC-Wandler (112) miteinander verbunden sind. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem Energiespeichersystem (100) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
  • Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, sowohl bei PHEV-Fahrzeugen (plug-in hybrids) als auch bei rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen (BEV), dient gegenwärtig eine aus einer oder mehreren einzelnen Batteriezellen als Energiespeicher zusammengesetzte Energiespeichereinheit als Energiequelle. Die Batteriezellen sind meist einzelne Lithium-Ionen-Zellen. Diese sind seriell oder in einer Kombination aus seriellen und parallelen Schaltungen miteinander verbunden. Summe und Art der Verschaltung der Batteriezellen bestimmen die zur Verfügung stehende Energie und damit die Reichweite eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Eine spezifische Energiespeichereinheit liefert dabei in einem vorbestimmten Spannungsbereich stets eine vorbestimmte maximale Stromstärke, die von deren Art und Aufbau abhängt und unveränderlich ist. Somit wird auch gleichzeitig die Leistung des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs durch die verwendete Energiespeichereinheit festgelegt, da diese durch ein festes Verhältnis von Leistung zu Energie charakterisiert ist.
  • Dies führt dazu, dass in einer Produktpalette von elektrisch angetriebenen Serienfahrzeugen keine Leistungsstaffelungen angeboten werden können, wie dies von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren bekannt ist, wo unterschiedliche Motoren in einem ansonsten weitgehend unveränderten Fahrzeugmodell eingesetzt werden. Für den Verbraucher stellte diese Auswahlmöglichkeit in der Vergangenheit eine wichtige Kaufentscheidung dar.
  • Aus der WO 20151067455 A1 ist ein Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bekannt, das eine erste Energiespeichereinheit aufweist, die eine ausreichende Grundleistung zum Betrieb wenigstens eines Elektromotors des Fahrzeugs bereitstellt, sowie wenigstens eine weitere Energiespeichereinheit parallel zur ersten Energiespeichereinheit, die dazu verwendet werden kann, die Leistung des Fahrzeugs zu erhöhen. Durch die zusätzlichen Energiespeichereinheiten lässt sich ein modularer Aufbau erreichen, wobei bei einem Fahrzeug, dass eine erhöhte Leistung aufweisen soll, einfach eine oder mehrere weitere Energiespeichereinheiten parallel verschaltet werden, ohne dass an der Grundkonfiguration des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs Änderungen vorgenommen werden müssen.
  • Im Betrieb des in der WO 2015/067456 A1 gezeigten Energiespeichersystems kann es jedoch zu einer Situation kommen, in der eine oder mehrere der zusätzlichen Energiespeichereinheiten soweit entladen sind, dass sie nur noch eine geringe oder überhaupt keine Leistung zur Systemleistung, welche sich aus der gemeinsamen Leistungsabgabe der Energiespeichereinheiten zusammensetzt, beitragen können.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Energiespeichersystem für elektrisch angetriebene Fahrzeuge bereitzustellen, das dauerhaft die volle Systemleistung sicherstellt.
  • Zur Lösung der Aufgabe ist ein Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug vorgesehen, das eine erste Energiespeichereinheit, die eine zum Betrieb wenigstens eines Elektromotors des Fahrzeugs ausreichende Grundleistung bereitstellt und mit einem Elektromotor des Fahrzeugs verbunden ist, und eine zweite Energiespeichereinheit aufweist, die eine Zusatzleistung zum Betrieb eines Elektromotors des Fahrzeugs bereitstellt und die zur ersten Energiespeichereinheit parallel geschaltet ist, wobei die erste und die zweite Energiespeichereinheit über einen DC/DC-Wandler miteinander verbunden sind. Mittels des DC/DC-Wandlers ist elektrische Energie von einer Energiespeichereinheit auf die andere Energiespeichereinheit übertragbar. Auf diese Weise ist es möglich, die zweite Energiespeichereinheit aufzuladen, um sicherzustellen, dass die volle Systemleistung zur Verfügung steht. Insbesondere kann die Energiespeichereinheit aufgeladen werden, bevor ihr Energieinhalt einen Wert unterschreitet, der zu einer Verringerung der Systemleistung führen würde.
  • Es kann mindestens eine weitere Energiespeichereinheit vorgesehen sein, wobei jede Energiespeichereinheit über einen DC/DC-Wandler mit mindestens einer anderen Energiespeichereinheit verbunden ist. Zusätzliche Energiespeichereinheiten haben den Vorteil, dass dem Energiespeichersystem mehr Energie zur Verfügung steht, die beispielsweise zur Leistungssteigerung genutzt werden kann. Indem die Energiespeichereinheiten untereinander über DC/DC-Wandler verbunden sind, lässt sich die Energie unter den verbundenen Energiespeichereinheiten verteilen, um beispielsweise dauerhaft die volle Systemleistung zu gewährleisten.
  • Die Verbindung der Energiespeichereinheiten ist vorzugsweise derart gestaltet, dass eine Energiespeichereinheit durch die mit ihr verbundene(n) Energiespeichereinheit(en) aufladbar ist. Somit kann verhindert werden, dass der Energieinhalt einer Energiespeichereinheit unter einen Wert absinkt, der zu einer Verringerung der Systemleistung führt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind alle Energiespeichereinheiten über einen Inverter mit einem Elektromotor des Fahrzeugs verbunden, insbesondere wobei jeder der Energiespeichereinheiten ein eigener Inverter zugeordnet ist, über den sie mit einem Elektromotor des Fahrzeugs verbunden ist. Der Inverter, der aus dem von den Energiespeichereinheiten gelieferten Gleichstrom den zum Betrieb des Elektromotors notwendigen Wechselstrom erzeugt, ist zwischen den Energiespeichereinheiten und dem Elektromotor angeordnet. Hierbei kann ein gemeinsamer Inverter beiden Energiespeichereinheiten nachgeschaltet sein. Es ist aber auch möglich, jeder der Energiespeichereinheiten einen eigenen Inverter zuzuordnen. In diesem Fall sind so viele Inverter wie Energiespeichereinheiten vorgesehen.
  • Die Energiespeichereinheiten können mit mehreren Elektromotoren des Fahrzeugs verbunden sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist jeweils eine Energiespeichereinheit mit einem Elektromotor des Fahrzeugs verbunden. Hierdurch ist für jeden Elektromotor eine eigene Energiespeichereinheit vorgesehen, die an die Anforderungen des Elektromotors individuell angepasst sein kann.
  • In einer alternativen Ausführungsform sind jeweils mindestens zwei Energiespeichereinheiten mit einem Elektromotor des Fahrzeugs verbunden. Auf diese Weise kann die Leistung jedes Elektromotors modular über die Anzahl bzw. Leistungsfähigkeit der einzelnen Energiespeichereinheiten angepasst werden. Darüber hinaus bieten mehrere Energiespeichereinheiten Redundanz, die dafür sorgt, dass es auch dann möglich ist, den Elektromotor anzutreiben, wenn ein Teil der mit ihm verbundenen Energiespeichereinheiten ausfällt.
  • Die maximale Leistung der DC/DC-Wandler kann weniger als 100 kW, bevorzugt weniger als 50 kW und besonders bevorzugt weniger als 25 kW betragen. Für die Aufgabe der DC/DC-Wandler, den Energietransfer zwischen den Energiespeichereinheiten zu ermöglichen, sind keine großen maximalen Leistungen erforderlich, da der Energietransfer frühzeitig und damit über einen großen Zeitraum erfolgen kann. Deshalb können hierzu DC/DC-Wandler mit einer vergleichsweisen geringen maximalen Leistung eingesetzt und damit die Kosten gering gehalten werden.
  • Jede der Energiespeichereinheiten enthält eine oder mehrere Energiespeicher, die jeweils aus einer Vielzahl seriell und/oder parallel verschalteter einzelner Batteriezellen bestehen. Es können Batteriezellen beliebiger Art eingesetzt werden, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, Metallhydrid-Zellen oder Metall-Luft-Zellen, aber auch Hybridkondensatoren, Doppelschichtkondensatoren oder Pseudokondensatoren. Ebenso kann es sich bei einer der Energiespeichereinheiten um einen Brennstoffzellenstack oder mehrere elektrisch miteinander verschaltete Brennstoffzellenstacks handeln.
  • Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem vorgesehen, bei dem eine Energiespeichereinheit aufgeladen wird, sobald ihr Energieinhalt einen festgelegten Wert unterschreitet. Auf diese Weise kann die volle Systemleistung sichergestellt werden, indem die Energiespeichereinheit aufgeladen wird, bevor ihr Energieinhalt einen Wert erreicht, der die Systemleistung signifikant beeinträchtigt.
  • Vorzugsweise wird in Schritt a) die Energiespeichereinheit durch die mit ihr verbundenen Energiespeichereinheiten aufgeladen. Dieses Aufladen erfolgt insbesondere dadurch, dass elektrische Energie über die hierzu vorgesehenen DC/DC-Wandler von den verbundenen Energiespeichereinheiten auf die Energiespeichereinheit übertragen wird.
  • Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems gemäß einer ersten Ausführungsform, und
  • 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • In 1 ist ein Energiespeichersystem 100 für ein nicht näher dargestelltes elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer ersten Energiespeichereinheit 102 und einer zweiten Energiespeichereinheit 104 gezeigt, die über elektrische Leitungen 106 an jeweils einen Inverter 108 angeschlossen sind, der den von der entsprechenden Energiespeichereinheit 102, 104 gelieferten Gleichstrom in einen Wechselstrom transformiert und der mit einem Elektromotor 110 des Fahrzeugs verbunden ist.
  • Die erste Energiespeichereinheit 102 und die zweite Energiespeichereinheit 104 sind parallel geschaltet und für den Betrieb des Elektromotors 110 vorgesehen. Hierbei liefert die erste Energiespeichereinheit 102 genügend Energie für eine vorgegebene Grundleistung des Fahrzeugs, während die zweite Energiespeichereinheit 104 eine Zusatzleistung zum Betrieb des Elektromotors 110 bereitstellt, wodurch die Systemleistung des Fahrzeugs erhöht ist.
  • Das Energiespeichersystem 100 umfasst einen DC/DC-Wandler 112, über den die erste Energiespeichereinheit 102 mit der zweiten Energiespeichereinheit 104 verbunden ist und mittels dem elektrische Energie zwischen den beiden Energiespeichereinheiten 102, 104 austauschbar ist. Das bedeutet, dass eine Energiespeichereinheit 102, 104 durch die andere Energiespeichereinheit 102, 104 aufgeladen werden kann.
  • Der DC/DC-Wandler 112 hat eine maximale Leistung von 40 kW. Diese maximale Leistung ist ausreichend, da beim Energietransport zwischen den Energiespeichereinheiten 102, 104 diese Leistung nicht überschritten wird.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die maximale Leistung des DC/DC-Wandlers 112 bis zu 100 kW betragen, um mehr Energie in kürzerer Zeit zwischen den Energiespeichereinheiten 102, 104 transportieren zu können. Werden beim Energietransport nur geringe Leistungen erreicht, können in einer weiteren Ausführungsform DC/DC-Wandler 112 mit einer maximalen Leistung von weniger als 25 kW vorgesehen sein, die besonders kostengünstig sind.
  • Theoretisch Ist es denkbar, dass das Energiespeichersystem 100 noch weitere Energiespeichereinheiten 102, 104 umfasst, um die Systemleistung des Fahrzeugs weiter zu erhöhen. Diese zusätzlichen Energiespeichereinheiten 102, 104 sind jeweils über einen DC/DC-Wandler 112 mit mindestens einer weiteren Energiespeichereinheit 102, 104 verbunden, um von dieser/diesen bei Bedarf aufgeladen werden zu können.
  • In 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Energiespeichersystems 200 gezeigt. In diesem Fall sind drei Energiespeichereinheiten 202, 203, 204 vorgesehen, die mittels elektrischer Leitungen 206 jeweils über einen Inverter 208 mit jeweils einem Elektromotor 209, 210, 211 verbunden sind. Die Energiespeichereinheiten 202, 203, 204 sind über DC/DC-Wandler 212 miteinander verbunden, wobei die Energiespeichereinheit 202 direkt mit der Energiespeichereinheit 203 und die Energiespeichereinheit 203 direkt mit der Energiespeichereinheit 204 über einen DC/DC-Wandler 212 gekoppelt sind.
  • Generell können alle Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 direkt oder indirekt, d. h. über weitere Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204, miteinander verbunden sein. Es ist jedoch auch denkbar, die Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 nur in Gruppen, zum Beispiel paarweise, über DC/DC-Wandler zu verbinden. Ziel der Kopplung verschiedener Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 ist, Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 mit einem niedrigen Energieinhalt aufzuladen, um die Systemleistung des Fahrzeugs dauerhaft hoch zu halten. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204, deren Energieinhalt im Betrieb nur langsam sinkt, mit Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204, deren Energieinhalt sich im Betrieb schnell verringert, zu koppeln, um elektrische Energie von den Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 mit hohem Energieinhalt auf die Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 mit niedrigen Energieinhalt übertragen zu können.
  • Im Betrieb eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem 100, 200 wird eine dauerhaft hohe Systemleistung sichergestellt, indem Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204, deren Energieinhalt einen festgelegten Wert unterschreiten, durch mit ihnen über DC/DC-Wandler 112, 212 verbunden Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 aufgeladen werden.
  • Zum Aufladen von Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 mit niedrigem Energieinhalt werden vorzugsweise zuerst Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 verwendet, deren Energieinhalt besonders hoch ist und/oder deren Energieinhalt sehr langsam abnimmt, d. h. Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204, deren Energieinhalt voraussichtlich vergleichsweise spät einen festgelegten Wert erreichen.
  • Der Wert, bei dem ein Aufladen erfolgt, kann individuell für jede Energiespeichereinheit 102, 104, 202, 203, 204 festgelegt sein.
  • Ferner kann ein Aufladen nur dann erfolgen, wenn Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 mit einem ausreichend hohen Energieinhalt zum Aufladen zur Verfügung stehen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass bevorzugt oder ausschließlich ausgewählte Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 geladen werden. Auf diese Weise ist es beispielsweise bei einem leistungsverzweigtem Allrad möglich, nur die Leistung einer Antriebsachse auf einem hohen Wert zu halten.
  • In einer nicht dargestellten Ausführungsform können einzelne oder alle Energiespeichereinheiten 102, 104, 202, 203, 204 zusätzlich oder alternativ über eine externe Energiequelle aufgeladen werden. Unter einer externen Energiequelle ist eine Energiequelle zu verstehen, die nicht Teil des Energiespeichersystems 100, 200 ist, beispielsweise ein Generator oder Range Extender des Fahrzeugs.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 20151067455 A1 [0004]
    • WO 2015/067456 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Energiespeichersystem (100, 200) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer ersten Energiespeichereinheit (102), die eine zum Betrieb wenigstens eines Elektromotors (110, 209, 210, 211) des Fahrzeugs ausreichende Grundleistung bereitstellt und mit einem Elektromotor (110, 209, 210, 211) des Fahrzeugs verbunden ist, und einer zweiten Energiespeichereinheit (104), die eine Zusatzleistung zum Betrieb eines Elektromotors (110, 209, 210, 211) des Fahrzeugs bereitstellt und die zur ersten Energiespeichereinheit (102) parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Energiespeichereinheit (102, 104) über einen DC/DC-Wandler (112, 212) miteinander verbunden sind.
  2. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Energiespeichereinheit (102, 104, 202, 203, 204) vorgesehen ist, wobei jede Energiespeichereinheit (102, 104, 202, 203, 204) über einen DC/DC-Wandler (112, 212) mit mindestens einer anderen Energiespeichereinheit (102, 104, 202, 203, 204) verbunden ist.
  3. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Energiespeichereinheiten (102, 104, 202, 203, 204) derart gestaltet ist, dass eine Energiespeichereinheit (102, 104, 202, 203, 204) durch die mit ihr verbundene(n) Energiespeichereinheit(en) (102, 104, 202, 203, 204) aufladbar ist.
  4. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass alle Energiespeichereinheiten (102, 104, 202, 203, 204) über einen Inverter (108, 208) mit einem Elektromotor (110, 209, 210, 211) des Fahrzeugs verbunden sind, insbesondere wobei jeder der Energiespeichereinheiten (102, 104, 202, 203, 204) ein eigener Inverter (108, 208) zugeordnet ist, über den sie mit einem Elektromotor (110, 209, 210, 211) des Fahrzeugs verbunden ist.
  5. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheiten (102, 104, 202, 203, 204) mit mehreren Elektromotoren (110, 209, 210, 211) des Fahrzeugs verbunden sind.
  6. Energiespeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Energiespeichereinheit (102, 104, 202, 203, 204) mit einem Elektromotor (110, 209, 210, 211) des Fahrzeugs verbunden ist.
  7. Energiespeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens zwei Energiespeichereinheiten (102, 104, 202, 203, 204) mit einem Elektromotor (110, 209, 210, 211) des Fahrzeugs verbunden sind.
  8. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Leistung der DC/DC-Wandler (112, 212) weniger als 100 kW, bevorzugt weniger als 50 kW und besonders bevorzugt weniger als 25 kW beträgt.
  9. Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem Energiespeichersystem (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, bei dem eine Energiespeichereinheit (102, 104, 202, 203, 204) aufgeladen wird, sobald ihr Energieinhalt einen festgelegten Wert unterschreitet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit (102, 104, 202, 203, 204) durch die mit ihr verbundenen Energiespeichereinheiten (102, 104, 202, 203, 204) aufgeladen wird.
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