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DE102021107750A1 - Anordnung für einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeuges - Google Patents

Anordnung für einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeuges Download PDF

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DE102021107750A1
DE102021107750A1 DE102021107750.8A DE102021107750A DE102021107750A1 DE 102021107750 A1 DE102021107750 A1 DE 102021107750A1 DE 102021107750 A DE102021107750 A DE 102021107750A DE 102021107750 A1 DE102021107750 A1 DE 102021107750A1
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DE
Germany
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energy store
charging
battery
control arrangement
discharge
Prior art date
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DE102021107750.8A
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English (en)
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Magnus Trapp
Marc Richter
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Hoppecke Systemtechnik De GmbH
Original Assignee
Intilion AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (100) für einen elektrischen Energiespeicher (200) eines Fahrzeuges (300), insbesondere für eine Traktionsbatterie eines Schienenfahrzeuges, aufweisend:
- mindestens einen Ladepfad (11, 12) zur elektrischen Kopplung des elektrischen Energiespeichers (200) mit einer Ladevorrichtung (302), um eine Aufladung (L) des Energiespeichers (200) bereitzustellen,
- einen Entladepfad (13) zur elektrischen Kopplung des Energiespeichers (200) mit wenigstens einer Last (301), um durch eine Entladung (E) des Energiespeichers (200) eine Energieversorgung der Last (301) bereitzustellen,
- mindestens einen Ladeschalter (S1, S2) für den Ladepfad (11, 12), um die Aufladung (L) des Energiespeichers (200) zu aktivieren,
- einen Entladeschalter (S3) für den Entladepfad (13), um die Entladung (E) des Energiespeichers (200) zu aktivieren,
- eine zentrale Kontrollanordnung (30) zur Bereitstellung einer Ansteuerung des mindestens einen Ladeschalters (S1, S2) und des Entladeschalters (S3) durch einen Sicherheitskontroller (31), wobei die zentrale Kontrollanordnung (30) dazu ausgeführt ist, die Aufladung (L) des Energiespeichers (200) zu aktivieren und zu deaktivieren,
und wobei die zentrale Kontrollanordnung (30) dazu ausgeführt ist, die Entladung (E) des Energiespeichers (200) zu aktivieren und zu deaktivieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeuges, insbesondere für eine Traktionsbatterie eines Schienenfahrzeuges bzw. eines Zuges. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein System sowie ein Verfahren.
  • Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass Energiespeicher zur Energieversorgung einer Last genutzt werden. Abhängig vom Typ des Energiespeichers erfolgt eine Überwachung durch ein Batteriemanagementsystem (BMS), um die Auf- und Entladung zu steuern. Auf diese Weise kann die Aufladung des Energiespeichers aktiviert und wieder deaktiviert werden, je nach Ladezustand des Energiespeichers. Es handelt sich dann dabei um eine erste Überwachungsfunktion des BMS. Eine mögliche zweite Überwachungsfunktion kann das Entladen betreffen, also die Energieversorgung der Last. Das Entladen wird z. B. durch das BMS deaktiviert, wenn der Ladezustand des Energiespeichers zu gering ist, und somit eine Tiefenentladung droht.
  • Bei den bekannten Anordnungen für Energiespeicher eines Fahrzeuges, insbesondere für Traktionsbatterien eines Schienenfahrzeuges, hat sich als ein Nachteil herausgestellt, dass das Laden und Entladen über den gleichen Pfad erfolgt. Lithium-Zellen reagieren z. B. kritisch auf einen zu hohen Ladestrom bei kalten Temperaturen. Hierbei kann es zu Lithium-Plating und somit zu einer Gefahr durch interne Kurzschlüsse kommen. Sollte der Energiespeicher also bei kalten Temperaturen im dynamischen Fahrprofil des Fahrzeuges durch Rekuperation zu stark geladen werden, öffnet das Batteriemanagementsystem normalerweise das Hauptschütz und trennt damit den Energiespeicher vom Antriebsstrang des Fahrzeugs. Eine Fortsetzung der Fahrt des Fahrzeuges kann zumeist erst nach einer erneuten Fehlerbehebungsroutine, einer erneuten Vorladung eines Zwischenkreises und einem Zuschalten des Hauptschützes ermöglicht werden. Auf diese Weise kann die Energieversorgung des batteriebetriebenen Fahrzeuges ausfallen. Ferner kann es sogar zu einem Liegenbleiben auf der Strecke und den damit verbundenen Einschränkungen für den Schienenverkehr kommen. Ein Erreichen des nächsten Bahnhofes zur sicheren Evakuierung der Fahrgäste kann nicht oder nicht in der erforderlichen Art und Weise sichergestellt werden.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zur Energieversorgung mithilfe eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeuges, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Schienenfahrzeuges bzw. eines Zuges bereitzustellen.
  • Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruches sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Weitere Vorteil und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten die Merkmale, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch eine Anordnung für einen elektrischen Energiespeicher bzw. Batterie eines Fahrzeuges, insbesondere für eine Traktionsbatterie eines Schienenfahrzeuges bzw. eines Zuges. Das Fahrzeug ist bspw. als ein Schienenfahrzeug und/oder ein Verbund aus mehreren Schienenfahrzeugen oder mit anderen Worten als ein Zug, wie z. B. ein Reisezug, ein Güterzug oder dergleichen, ausgebildet.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung weist folgende Elemente auf:
    • - mindestens einen Ladepfad zur elektrischen Kopplung des elektrischen Energiespeichers mit einer Ladevorrichtung, um eine Aufladung des Energiespeichers bereitzustellen,
    • - einen Entladepfad zur elektrischen Kopplung des Energiespeichers mit wenigstens einer Last, insbesondere eines Elektromotors, um durch eine Entladung des Energiespeichers eine Energieversorgung der Last bereitzustellen,
    • - mindestens einen Ladeschalter für den Ladepfad, um die Aufladung des Energiespeichers zu aktivieren,
    • - einen Entladeschalter für den Entladepfad, um die Entladung des Energiespeichers zu aktivieren,
    • - eine zentrale Kontrollanordnung, die ebenfalls als ein Batteriemanagementsystem bezeichnet werden kann, zur Bereitstellung einer Ansteuerung des mindestens einen Ladeschalters und des Entladeschalters durch einen Sicherheitskontroller,
    wobei die zentrale Kontrollanordnung dazu ausgeführt ist, die Aufladung des Energiespeichers zu aktivieren und zu deaktivieren (gemeint ist entweder zu aktivieren oder zu deaktivieren, wobei die zentrale Kontrollanordnung die Aufladung sowohl aktivieren als auch deaktivieren kann),
    und wobei die zentrale Kontrollanordnung dazu ausgeführt ist, die Entladung des Energiespeichers zu aktivieren, insbesondere auch dann, wenn die zentrale Kontrollanordnung den Ladepfad trennt, und zu deaktivieren (gemeint ist entweder zu aktivieren oder zu deaktivieren, wobei die zentrale Kontrollanordnung die Entladung sowohl aktivieren als auch deaktivieren kann).
  • Dies hat den Vorteil, dass die Versorgung der Last und insbesondere des Elektromotors des Fahrzeuges weiterhin bereitgestellt werden kann, auch dann, wenn die zentrale Kontrollanordnung das Hauptschütz womöglich getrennt hat, um bei zu hohen Ladeströmen bei kalten Temperaturen Lithium-Plating und interne Kurzschlüsse in dem Energiespeicher zu vermeiden. Damit wird eine besonders zuverlässige Möglichkeit zum Betreiben des Energiespeichers und zur Energieversorgung der Last bereitgestellt.
  • Bei klassischen Traktionsbatterien gibt es nur einen Hauptpfad, über den das Laden sowie Entladen der Batterie erfolgt. Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass der Lade- und der Entladepfad für Traktionsbatterien im Bahnbereich getrennt werden. Durch eine Diodenschaltung in dem Entladepfad kann die Entladerichtung bestimmt werden. Beide Pfade werden durch die zentrale Kontrollanordnung gesteuert.
  • Der Vorteil der Trennung von Ladepfad und Entladepfad ist die erhöhte Verfügbarkeit der Energiebereitstellung für das Schienenfahrzeug. Mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung kann die zentrale Kontrollanordnung bei kalten Temperaturen im dynamischen Fahrprofil das Hauptschütz öffnen und die Rekuperation aufhalten. Dabei wird der Energiespeicher nicht vom Antriebsstrang des Fahrzeugs getrennt, denn der Entladepfad steht nach wie vor zum Entladen zur Verfügung. Eine Fortsetzung der Fahrt des Zuges kann somit jederzeit sichergestellt werden. Auch anderweitige Ausfälle der Kontrollanordnung führen nicht mehr zu einem Liegenbleiben auf der Strecke und den damit verbundenen Einschränkungen für den Schienenverkehr. Ein Erreichen des nächsten Bahnhofes zur sicheren Evakuierung der Fahrgäste wird sichergestellt.
  • Die Fahrt des Zuges braucht mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung vorteilhafterweise gar nicht unterbrochen werden. Durch den zusätzlichen Entladepfad der Erfindung ist es möglich, die Batterie bei dem abgetrennten Ladepfad zu entladen und die Energieversorgung des batteriebetriebenen Zugs sicherzustellen.
  • Zugleich sorgt die erfindungsgemäße Anordnung zuverlässig für die Unterbindung des sicherheitskritischen Phänomens des Lithium-Platings. Mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung kann ein zuverlässiger Tiefentladeschutz in der Batterie bereitgestellt werden. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien mit einer großen Anzahl an seriell verschalteten Zellen wirkt sich der Einfluss vereinzelter Zellen bei niedrigerer Spannungslage kaum merklich auf die Gesamtbatteriespannung aus. Durch den stark negativen Gradienten der Zellentladekurve im SoC-Bereich nahe 0% führen bereits kleine Disbalancen der Zellladezustände zu großen Zellspannungsdifferenzen. Der Sicherheitskontroller kann dabei die Entladung stoppen, wenn in nur einer Zelle der Batterie die Tiefenentladung droht. Auf diese Weise kann das Tiefentladen jeder einzelnen Zelle des Energiespeichers und die damit verbundenen Sicherheitsrisiken vermieden werden.
  • Mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung, die eine Trennung der Lade- und Entladefunktionalität vorsieht, lassen sich somit zwei wesentliche Vorteile erzielen. Zum einen kann eine aktive Unterbindung von zu hohen Ladeströmen in Abhängigkeit des aktuellen Zellbetriebspunkts (Temperatur, Spannung, SoC) gewährleistet werden, um sicherheitskritische Zellzustände, wie bspw. eine Überladung und Lithium-Plating, zu vermeiden, ohne die Verfügbarkeit der Entladeenergie zu gefährden. Zum anderen kann eine aktive Unterbindung des Tiefentladens jeder einzelnen Zelle gewährleistet werden, um die damit verbundenen Sicherheitsrisiken zu vermeiden.
  • Ferner kann bei einer Anordnung vorgesehen sein, dass der Sicherheitskontroller mindestens einen Steuerpfad zu dem mindestens einen Ladeschalter aufweist, um den Zustand des mindestens einen Ladeschalters zu überwachen und/oder den mindestens einen Ladeschalter für die Aufladung des Energiespeichers anzusteuern, d. h. zu schließen oder zu öffnen. Auf diese Weise kann der Sicherheitskontroller aktiv den mindestens einen Ladeschalter ansteuern. Der mindestens einen Ladeschalter kann ein Hauptschütz und ein Vorladeschütz umfassen. Der Sicherheitskontroller kann einen Steuerstrom an den mindestens einen Ladeschalter bereitstellen, um den mindestens einen Ladeschalter zu aktivieren bzw. zu schließen bzw. in eine Arbeitsstellung zu versetzen. Im deaktivierten Zustand befindet sich der mindestens eine Ladeschalter in einer Ruhestellung und ist geöffnet.
  • Weiterhin kann bei einer Anordnung vorgesehen sein, dass der Sicherheitskontroller mindestens einen Steuerpfad zu dem Entladeschalter aufweist, um den Zustand des Entladeschalters zu überwachen und/oder den Entladeschalter für die Entladung des Energiespeichers anzusteuern, d. h. zu schließen oder zu öffnen. Auf diese Weise kann der Sicherheitskontroller aktiv den Entladeschalter ansteuern. Der Entladeschalter kann als ein Schütz ausgeführt sein. Der Sicherheitskontroller kann einen Steuerstrom an den Entladeschalter bereitstellen, um den Entladeschalter zu aktivieren bzw. zu schließen bzw. in eine Arbeitsstellung zu versetzen. Im deaktivierten Zustand befindet sich der Entladeschalter in einer Ruhestellung und ist geöffnet.
  • Des Weiteren kann bei einer Anordnung vorgesehen sein, dass die zentrale Kontrollanordnung einen Stromsensor aufweist, um den Ladestrom und den Entladestrom zu messen. Auf diese Weise kann die Kontrollanordnung den Stromfluss zu und von dem Energiespeicher überwachen, um vorteilhafte Funktionen bei der Zellüberwachung bereitzustellen, insbesondere um sicherheitskritische Zellzustände, wie bspw. eine Überladung und Lithium-Plating, sicher zu vermeiden.
  • Zudem kann bei einer Anordnung vorgesehen sein, dass die zentrale Kontrollanordnung einen DC/DC-Wandler aufweist, um mindestens eine Hilfsbatterie des Fahrzeuges, insbesondere eine Bordnetzbatterie des Schienenfahrzeuges, mit der elektrischen Energie zu versorgen. Auf diese Weise kann der Energiespeicher noch einen weiteren Vorteil entfalten. Der Energiespeicher kann dadurch nicht nur zur Versorgung eines Elektromotors des Zuges, sondern auch zur Versorgung des Bordnetzes des Zuges dienen.
  • Außerdem kann bei einer Anordnung vorgesehen sein, dass der Entladepfad eine Diode aufweist, um den Stromfluss in eine Entladerichtung durchzulassen und in eine Laderichtung zu sperren. Auf diese Weise kann der Entladepfad nur zum Entladen genutzt werden und beim Laden des Energiespeichers sicher, insbesondere zusätzlich zum Entladeschalter, getrennt werden.
  • Ferner kann bei einer Anordnung vorgesehen sein, dass der mindestens eine Ladepfad einen Hauptpfad mit einem Hauptschalter aufweist, und/oder dass der mindestens eine Ladepfad einen Vorladepfad mit einem Vorladeschalter, einem Vorladewiderstand und/oder eine elektrische Sicherung aufweist. Mithilfe des Vorladepfades kann ein Zwischenkreis zum Vorladen des Energiespeichers bereitgestellt werden. Mithilfe des Hauptpfades kann ein verlustarmes Laden des Energiespeichers ermöglicht werden.
  • Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein System, aufweisend:
    • - eine Anordnung, die wie oben beschrieben ausgeführt sein kann, und
    • - einen Energiespeicher, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, vorzugsweise in Form eines Lithium-Ionen-Akkumulators.
  • Vorteilhafterweise kann der Energiespeicher in Form einer Traktionsbatterie eines Schienenfahrzeuges ausgeführt sein.
  • Mithilfe des erfindungsgemäßen Systems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
  • Bei einem System ist es denkbar, dass der Energiespeicher modular ausgeführt sein kann. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass der Energiespeicher mehrere Batteriemodule aufweisen kann. Vorteilhfterweise können die Batteriemodule jeweils eine Einheit mit mehreren Batteriezellen aufweisen. Auf diese Weise kann ein flexibles System bereitgestellt werden, das nach erforderlicher Leistung und/oder Kapazität sowie in Abhängigkeit vom verfügbaren Bauraum zusammengestellt werden kann.
  • Vorteilhafterweise können die Batteriemodule jeweils eine lokale Kontrollanordnung und/oder jeweils eine lokale Zellüberwachungseinheit aufweisen. Auf diese Weise können die Batteriemodule funktional unabhängig voneinander betrieben werden, um bspw. Balancing zwischen den Batteriezellen durchzuführen und insbesondere um eine autarke Abschaltung oder Zuschaltung der Batteriemodule zu ermöglichen.
  • Ferner kann bei einem System vorgesehen sein, dass jeweils eine lokale Kontrollanordnung dazu ausgeführt ist, die Aufladung der Batteriemodule zu aktivieren und zu deaktivieren, und/oder jeweils eine lokale Kontrollanordnung dazu ausgeführt ist, die Entladung der Batteriemodule zu aktivieren und zu deaktivieren. Auf diese Weise kann mithilfe der lokalen Kontrollanordnungen eine Abschaltung oder Zuschaltung der Batteriemodule auf der Modulebene ermöglicht werden.
  • Weiterhin kann bei einem System vorgesehen sein, dass jeweils eine lokale Kontrollanordnung, insbesondere mithilfe der jeweils einen lokalen Zellüberwachungseinheit, dazu ausgeführt ist, die elektrische Ladungsverteilung zwischen den Batteriezellen innerhalb der Batteriemodule beim Aufladen und/oder bei Entladen der Batteriemodule bereitzustellen. Auf diese Weise können die einzelnen Batteriezellen innerhalb der Batteriemodule überwacht und ein Balancing zwischen den Batteriezellen ermöglicht werden. Die Kontrollanordnungen können vorzugsweise dazu ausgeführt sein, ein aktives Balancing durchzuführen und insbesondere ein Ladungstransfer zwischen den benachbarten Batteriezellen zu realisieren, um die Energie von den Batteriezellen mit höherer Ladung auf die Batteriezellen mit niedrigerer Ladung zu übertragen. Eine elektrische Ladungsverteilung zwischen den Batteriezellen kann sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Batteriemodule von Vorteil sein. Vorteilhafterweise können die Kontrollanordnungen beim Entladen der Batteriemodule die Batteriezellen einzeln aus der Reihenschaltung trennen, wenn die Entladeschlussspannung der einzelnen Batteriezellen unterschritten wird und das Tiefentladen der einzelnen Batteriezellen droht. Zudem oder stattdessen können die Kontrollanordnungen beim Entladen der Batteriemodule die Entladung stoppen, wenn die Entladeschlussspannung bereits bei einer einzelnen Batteriezelle unterschritten wird.
  • Besonders vorteilhaft bei großen Zellverbunden kann sein, wenn die zentrale Kontrollanordnung dazu ausgeführt sein kann, die Entladung des (gesamten) Energiespeichers zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle in zumindest einem Batteriemodul einen Tiefenentladung-Schwellenwert (gemeint ist Entladeschlussspannung) unterschreitet. Zugleich ist es denkbar, dass die zentrale Kontrollanordnung und/oder die jeweils eine lokale Kontrollanordnung dazu ausgeführt sein können/kann, die Entladung in zumindest einem Batteriemodul des Energiespeichers zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle in dem (diesem einen) zumindest einen Batteriemodul einen Tiefenentladung-Schwellenwert (gemeint ist Entladeschlussspannung) unterschreitet. Dies kann für den Fall vorteilhaft sein, wenn die Batteriemodule eine große Anzahl an Batteriezellen aufweisen und/oder wenn eine große Anzahl an Batteriemodulen vorgesehen ist. Da sich der Einfluss vereinzelter Zellen bei niedrigerer Spannungslage auf die Gesamtspannung kaum merklich auswirkt, können bereits kleine Disbalancen der Zellladezustände zu großen Zellspannungsdifferenzen und zu Sicherheitsrisiken führen. Die zentrale Kontrollanordnung kann dabei die Entladung aller Batteriezellen in dem betroffenen Batteriemodul und/oder aller Batteriemodule und somit des gesamten Energiespeichers stoppen, wenn in nur einer Zelle des Batteriemoduls bzw. des Energiespeichers die Tiefenentladung droht. Auf diese Weise kann das Tiefentladen jeder einzelnen Batteriezelle des Batteriemoduls bzw. des Energiespeichers vermieden werden.
  • Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die zentrale Kontrollanordnung dazu ausgeführt sein kann, die Aufladung des Energiespeichers in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter mindestens einer Batteriezelle in zumindest einem Batteriemodul des Energiespeichers und/oder in Abhängigkeit von einem Ladestrom zu deaktivieren. Auf diese Weise kann die zentrale Kontrollanordnung sicher verhindern, dass die Batteriezellen, insbesondere bei tiefen Temperaturen, zu stark geladen werden. Der Effekt des Lithium-Platings kann dadurch sicher vermieden werden.
  • Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn die zentrale Kontrollanordnung dazu ausgeführt sein kann, die Aufladung des (gesamten) Energiespeichers zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle in zumindest einem Batteriemodul einen Überladung-Schwellenwert (gemeint ist Ladeschlussspannung) überschreitet. Zugleich ist es denkbar, dass die zentrale Kontrollanordnung und/oder die jeweils eine lokale Kontrollanordnung dazu ausgeführt sein können/kann, die Aufladung in mindestens einem Batteriemodul zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle in dem zumindest einen Batteriemodul einen Überladung-Schwellenwert (gemeint ist Ladeschlussspannung) überschreitet. Auf diese Weise können die Batteriezellen des betroffenen Batteriemoduls bzw. des ganzen Energiespeichers vor Überladung geschützt werden.
  • Zudem kann es vorgesehen sein, dass die lokalen Überwachungseinheiten der Batteriemodule über eine interne Kommunikationsverbindung miteinander in Kommunikation stehen, um die Betriebsparameter der Batteriezellen in den Batteriemodulen auszutauschen. Auf diese Weise können sich die Batteriemodule auf der Modulebene abstimmen.
  • Außerdem kann es vorgesehen sein, dass mindestens eine Zellüberwachungseinheit oder alle lokalen Überwachungseinheiten der Batteriemodule über eine externe Kommunikationsverbindung mit dem Sicherheitskontroller der zentralen Kontrollanordnung in Kommunikation stehen, um die Betriebsparameter der Batteriezellen in den Batteriemodulen an die zentrale Kontrollanordnung zu übermitteln. Auf diese Weise können mindestens eine Zellüberwachungseinheit oder alle lokalen Überwachungseinheiten der Batteriemodule ihre Betriebsparameter an die zentrale Kontrollanordnung übermitteln. Somit kann die zentrale Kontrollanordnung die Überwachung auf der Modulebene vornehmen.
  • Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung der Energieversorgung in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere in einem Schienenfahrzeug mit einer Traktionsbatterie, vorzugsweise mithilfe einer Anordnung, die wie oben beschrieben ausgeführt sein kann.
  • Das Verfahren aufweisend folgende Schritte:
    • - Steuern einer Aufladung des Energiespeichers durch eine zentrale Kontrollanordnung, insbesondere durch eine Rekuperation bei einem Abbremsen des Fahrzeuges,
    • - Überwachen der Aufladung durch einen Sicherheitskontroller der zentralen Kontrollanordnung,
    • - Deaktivieren der Aufladung des Energiespeichers durch die zentrale Kontrollanordnung in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter mindestens einer Batteriezelle in zumindest einem Batteriemodul des Energiespeichers und/oder in Abhängigkeit von einem Ladestrom,
    • - Aktivieren einer Entladung des Energiespeichers durch die zentrale Kontrollanordnung, insbesondere zum Antreiben des Fahrzeuges,
    • - Überwachen der Entladung durch einen Sicherheitskontroller der zentralen Kontrollanordnung.
  • Nach einem Vorteil des Verfahrens kann die Aufladung des Energiespeichers deaktiviert werden, wenn der Ladestrom einen oberen Grenzwert überschreitet und/oder wenn der mindestens eine Betriebsparameter mindestens einer Batteriezelle in zumindest einem Batteriemodul des Energiespeichers, insbesondere die Temperatur des Energiespeichers, einen unteren Grenzwert unterschreitet.
  • Nach einem weiteren Vorteil des Verfahrens kann die Entladung des Energiespeichers deaktiviert werden, wenn mindestens eine Batteriezelle in zumindest einem Batteriemodul einen Tiefenentladung-Schwellenwert unterschreitet.
  • Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung und/oder dem erfindungsgemäßen System beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
  • Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der vorgegebenen oder in einer abgeänderten Reihenfolge durchgeführt werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
    • 1 ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung, und
    • 2 einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
  • In der 1 ist eine Anordnung 100 im Sinne der Erfindung für einen elektrischen Energiespeicher 200 bzw. Batterie eines Fahrzeuges 300 gezeigt, wobei der Energiespeicher 200 zwei Anschlüsse 10, 20 aufweist und insbesondere in Form einer wiederaufladbaren Batterie, vorzugsweise eines Lithium-Ionen-Akkumulators, ausgeführt und als eine Traktionsbatterie ausgelegt sein kann, und wobei das Fahrzeug in Form eines Schienenfahrzeuges bzw. eines Zuges ausgeführt sein kann.
  • Die Anordnung 100 umfasst ausweislich der 1 folgende Elemente:
    • - mindestens einen Ladepfad 11, 12 zur elektrischen Kopplung des elektrischen Energiespeichers 200 mit einer Ladevorrichtung 302, um eine Aufladung L des Energiespeichers 200 bereitzustellen,
    • - einen Entladepfad 13 zur elektrischen Kopplung des Energiespeichers 200 mit wenigstens einer Last 301, insbesondere eines Elektromotors, um durch eine Entladung E des Energiespeichers 200 eine Energieversorgung der Last 301 bereitzustellen,
    • - mindestens einen Ladeschalter S1, S2 für den Ladepfad 11, 12, um die Aufladung L des Energiespeichers 200 zu aktivieren,
    • - einen Entladeschalter S3 für den Entladepfad 13, um die Entladung E des Energiespeichers 200 zu aktivieren,
    • - eine zentrale Kontrollanordnung 30, die ebenfalls als ein Batteriemanagementsystem bezeichnet werden kann, zur Bereitstellung einer Ansteuerung des mindestens einen Ladeschalters S1, S2 und des Entladeschalters S3 durch einen Sicherheitskontroller 31.
  • Erfindungsgemäß ist die zentrale Kontrollanordnung 30 dazu ausgeführt, die Aufladung L des Energiespeichers 200 sowohl zu aktivieren als auch zu deaktivieren.
  • Zudem ist die zentrale Kontrollanordnung 30 dazu ausgeführt, die Entladung E des Energiespeichers 200 sowohl zu aktivieren, insbesondere auch dann, wenn die zentrale Kontrollanordnung 30 den mindestens einen Ladepfad 11, 12 trennt, als auch zu deaktivieren.
  • Vorteilhafterweise kann somit die Versorgung der Last 301, insbesondere in Form des Elektromotors des Fahrzeuges 300, weiterhin bereitgestellt werden, auch wenn die zentrale Kontrollanordnung 30 ein Hauptschütz S1 getrennt hat, bspw. um bei zu hohen Ladeströmen und bei kalten Außentemperaturen den Effekt von Lithium-Plating und interne Kurzschlüsse in dem Energiespeicher 200 zu vermeiden. Damit wird eine besonders zuverlässige Möglichkeit zur Energieversorgung mithilfe des Energiespeichers 200 bereitgestellt.
  • Wie es die 1 verdeutlicht, wird der Ladepfad 11, 12 und der Entladepfad 13 unabhängig voneinander bereitgestellt.
  • Der mindestens eine Ladepfad 11, 12 weist einen Hauptpfad 11 mit einem Hauptschalter S1 auf. Zudem weist der mindestens eine Ladepfad 11, 12 einen Vorladepfad 12 mit einem Vorladeschalter S2, einem Vorladewiderstand R und optional einer elektrischen Sicherung F auf. Der Vorladepfad 12 kann einen Zwischenkreis zum Vorladen des Energiespeichers 200 bilden. Der Hauptpfad 11 kann zum Laden des Energiespeichers 200 im Normalbetrieb dienen.
  • Der Entladepfad 13 weist eine Diode D auf, um den Stromfluss in eine Entladerichtung durchzulassen und in eine Laderichtung zu sperren. Somit kann der Entladepfad 13 nur zum Entladen genutzt werden.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung 100 bzw. der Trennung des Ladepfades 11, 12 vom Entladepfad 13 bei Traktionsbatterien liegt in der erhöhten Verfügbarkeit der Energiebereitstellung für die Last 301.
  • Dabei ist ein Fall denkbar, dass kalte Außentemperaturen herrschen, bspw. außerhalb eines optimalen Betriebstemperaturbereiches für den Energiespeicher 200 und das Fahrzeug 300 befindet sich im dynamischen Rekuperationsmodus. In diesem Fall kann die zentrale Kontrollanordnung das Hauptschütz S1 öffnen und den Entladepfad 11, 12 damit trennen. Somit kann die Rekuperation aufgehalten werden. Dies erfolgt jedoch vorteilhafterweise, ohne den Energiespeicher 200 vom Antriebsstrang des Fahrzeugs 300 zu trennen, da der Entladepfad 13 nach wie vor zum Versorgen der Last 301 zur Verfügung steht.
  • Die Fahrt des Fahrzeugs 300 braucht mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung 100 vorteilhafterweise gar nicht unterbrochen werden. Durch den zusätzlichen Entladepfad 13 kann der Energiespeicher 200 bei dem abgetrennten Ladepfad 11, 12 die Energieversorgung des batteriebetriebenen Fahrzeugs 300 sicherstellen.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die erfindungsgemäße Anordnung 100 das sicherheitskritische Phänomen des Lithium-Platings zuverlässig vermeiden kann, in dem die zentrale Kontrollanordnung 30 einen zuverlässigen Tiefentladeschutz für den Energiespeicher 200 bereitstellen kann. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien mit einer großen Anzahl an seriell verschalteten Batteriezellen 211 wirkt sich der Einfluss vereinzelter Batteriezellen 211 in einem niedrigen SoC-Bereich nahe 0% nicht merkbar auf die Gesamtbatteriespannung des Energiespeichers 200 aus. Die Entladekurve der Batteriezellen 211 im niedrigen SoC-Bereich weist einen stark negativen Gradienten auf. In diesem SoC-Bereich führen deswegen bereits kleine Unterschiede in den Ladezuständen zwischen den Batteriezellen 211 zu großen Spannungsdifferenzen. Der Sicherheitskontroller 31 kann vorteilhafterweise die Entladung E stoppen, wenn in nur einer Batteriezelle 211 des Energiespeichers 200 einen Tiefenentladung-Schwellenwert bzw. die Entladeschlussspannung Umin unterschreitet. Auf diese Weise können die Sicherheitsrisiken infolge von Tiefentladen jeder einzelnen Batteriezelle 211 des Energiespeichers 200 vermieden werden.
  • Wie es in der 1 gezeigt ist, kann der Sicherheitskontroller 31 jeweils einen Steuerpfad C1, C2 zu den Ladeschaltern S1, S2, nämlich zu einem Hauptschütz S1 und zu einem Vorladeschütz S2, aufweisen. Die Steuerpfade C1, C2 dienen zur Überwachung des Zustandes der Ladeschalter S1, S2 und zum Ansteuern der Ladeschalter S1, S2.
  • Durch Schließen der Ladeschalter S1, S2 kann die zentrale Kontrollanordnung den jeweiligen Ladepfad 11, 12, nämlich den Hauptpfad 11 und den Vorladepfad 12, zuschalten. Somit kann die Aufladung L des Energiespeichers 200 aktiviert werden.
  • Durch Öffnen der Ladeschalter S1, S2 kann die zentrale Kontrollanordnung den jeweiligen Ladepfad 11, 12, nämlich den Hauptpfad 11 und den Vorladepfad 12, abschalten. Somit kann die Entladung E des Energiespeichers 200 aktiviert werden.
  • Der Sicherheitskontroller 31 kann einen Steuerstrom an die Ladeschalter S1, S2 bereitstellen, um den mindestens einen Ladeschalter S1, S2 zu schließen. In einem stromlosen Zustand sind die ladeschalter S1, S2 geöffnet.
  • Weiterhin weist der Sicherheitskontroller 31 einen Steuerpfad C3 zu dem Entladeschalter S3 auf. Der Steuerpfad C3 dient zum Überwachen des Zustandes des Entladeschalters S3 und zum Ansteuern der Entladeschalters S3. Auf diese Weise kann der Sicherheitskontroller 31 aktiv den Entladeschalter S3 ansteuern. Der Entladeschalter S3 kann ebenfalls als ein Schütz ausgebildet sein. Der Sicherheitskontroller 31 kann einen Steuerstrom an den Entladeschalter S3 bereitstellen, um den Entladeschalter S3 zu schließen. In einem stromlosen Zustand ist der Entladeschalter S3 geöffnet.
  • Des Weiteren weist der Sicherheitskontroller 31 einen Steuerpfad C4 zu einem Schalter S4 am Minuspol auf.
  • Wie zudem die 1 andeutet, kann die zentrale Kontrollanordnung 30 einen Stromsensor 32 aufweisen, um den Ladestrom I und den Entladestrom zu vermessen und insbesondere um sicherheitskritische Zellzustände, wie bspw. eine Überladung der einzelnen Batteriezellen 211 und Lithium-Plating, sicher zu vermeiden.
  • Optional kann die zentrale Kontrollanordnung 30 einen DC/DC-Wandler 33 aufweisen, um mindestens eine Hilfsbatterie 303 des Fahrzeuges 300, bspw. eine Bordnetzbatterie des Schienenfahrzeuges, über eine elektrische Leitung 34 mit der elektrischen Energie zu versorgen.
  • Ein System S mit einer solchen Anordnung 100, die wie oben beschrieben ausgeführt sein kann, und einem Energiespeicher 200, der in Form einer wiederaufladbaren Batterie, vorzugsweise eines Lithium-Ionen-Akkumulators ausgebildet und als Traktionsbatterie eines Schienenfahrzeuges ausgelegt ist, stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
  • Wie es die 1 schematisch andeutet, ist der Energiespeicher 200 modular ausgeführt. Die 1 zeigt beispielhaft drei Batteriemodule 201, wobei der Energiespeicher 200 auch mehrere Batteriemodule 201 aufweisen kann.
  • Wie es die 1 zudem zeigt, können die Batteriemodule 201 jeweils eine Einheit 210 mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen 211 aufweisen.
  • Wie es die 1 außerdem zeigt, können die Batteriemodule 201 jeweils eine lokale Kontrollanordnung 212 und/oder jeweils eine lokale Zellüberwachungseinheit 213 aufweisen. Auf diese Weise können die Batteriemodule 201 als unabhängige Einheiten bereitgestellt werden, die flexibel zu einem modularen System zusammengefügt sein können. Auch können die Batteriemodule 201 auf diese Weise autark betrieben werden, um bspw. Balancing zwischen den Batteriezellen 211 durchzuführen. Noch weiter ist es vorteilhaft, dass eine Abschaltung oder Zuschaltung der Batteriemodule 201 innerhalb des Energiespeichers 200 durchgeführt werden kann.
  • Ferner ist es denkbar, dass die lokalen Kontrollanordnungen 212 dazu ausgeführt sein können, die Aufladung L und/oder die Entladung E der Batteriemodule 201 zu aktivieren und zu deaktivieren. Auf diese Weise kann mithilfe der lokalen Kontrollanordnungen 212 eine Abschaltung oder Zuschaltung der Batteriemodule 201 innerhalb des Energiespeichers 200 ermöglicht werden.
  • Nach einem weiteren Vorteil der Erfindung kann die zentrale Kontrollanordnung 30 dazu ausgeführt sein kann, die Entladung E des gesamten Energiespeichers 200 zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle 211 in zumindest einem Batteriemodul 201 einen Tiefenentladung-Schwellenwert (gemeint ist eine Entladeschlussspannung Umin) unterschreitet. Zugleich ist es denkbar, dass die zentrale Kontrollanordnung 30 mithilfe der lokalen Kontrollanordnungen 212 dazu ausgeführt sein kann, die Entladung E in zumindest einem Batteriemodul 201 des Energiespeichers 200 zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle 211 in diesem Batteriemodul 201 einen Tiefenentladung-Schwellenwert bzw. die Entladeschlussspannung Umin unterschreitet. Auf diese Weise können die Batteriezellen 211 des betroffenen Batteriemoduls 201 bzw. des ganzen Energiespeichers 200 vor Tiefenentladung geschützt werden.
  • Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die zentrale Kontrollanordnung 30 dazu ausgeführt sein kann, die Aufladung L des Energiespeichers 200 in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter U, SOC, T mindestens einer Batteriezelle 211 in zumindest einem Batteriemodul 201 des Energiespeichers 200 und/oder in Abhängigkeit von einem Ladestrom I zu deaktivieren. Auf diese Weise können die Batteriezellen 211 des betroffenen Batteriemoduls 201 bzw. des ganzen Energiespeichers 200 von dem Effekt des Lithium-Platings geschützt werden.
  • Nach einem weiteren Vorteil der Erfindung kann die zentrale Kontrollanordnung 30 dazu ausgeführt sein kann, die Aufladung L des gesamten Energiespeichers 200 zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle 211 in zumindest einem Batteriemodul 201 einen Überladung-Schwellenwert (gemeint ist eine Ladeschlussspannung) überschreitet. Zugleich ist es denkbar, dass die zentrale Kontrollanordnung 30 mithilfe der lokalen Kontrollanordnungen 212 dazu ausgeführt sein kann, die Aufladung L in mindestens einem Batteriemodul 201 zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle 211 in dem zumindest einen Batteriemodul 201 einen Überladung-Schwellenwert bzw. die Ladeschlussspannung überschreitet. Auf diese Weise können die Batteriezellen 211 des betroffenen Batteriemoduls 201 bzw. des ganzen Energiespeichers 200 vor Überladung geschützt werden.
  • Zudem zeigt die 1, dass die lokalen Überwachungseinheiten 213 der Batteriemodule 201 über eine interne Kommunikationsverbindung K1 miteinander in Kommunikation stehen, um die Betriebsparameter U, SOC, T der Batteriezellen 211 in den Batteriemodulen 201 auszutauschen.
  • Außerdem zeigt die 1, dass mindestens eine Zellüberwachungseinheit 213 oder alle lokalen Überwachungseinheiten 213 der Batteriemodule 201 über eine externe Kommunikationsverbindung K2 mit dem Sicherheitskontroller 31 der zentralen Kontrollanordnung 30 in Kommunikation stehen, um die Betriebsparameter U, SOC, T der Batteriezellen 211 in den Batteriemodulen 201 an die zentrale Kontrollanordnung 30 zu übermitteln.
  • Die 2 zeigt schematisch ein Verfahren zur Steuerung der Energieversorgung in einem Fahrzeug 300 mithilfe eines elektrischen Energiespeichers 200, insbesondere in einem Schienenfahrzeug mithilfe einer Traktionsbatterie. Das Verfahren kann vorzugsweise mithilfe einer Anordnung 100 durchgeführt werden, die wie oben beschrieben ausgeführt sein kann.
  • Wie es die 2 andeutet kann das Verfahren folgende Schritte aufweisen:
    1. 1) Steuern einer Aufladung L des Energiespeichers 200 durch eine zentrale Kontrollanordnung 30, insbesondere durch eine Rekuperation bei einem Abbremsen des Fahrzeuges 300,
    2. 2) Überwachen der Aufladung L durch einen Sicherheitskontroller 31 der zentralen Kontrollanordnung 30,
    3. 3) Deaktivieren der Aufladung L des Energiespeichers 200 durch die zentrale Kontrollanordnung 30 in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter U, SOC, T mindestens einer Batteriezelle 211 in zumindest einem Batteriemodul 201 des Energiespeichers 200 und/oder in Abhängigkeit von einem Ladestrom,
    4. 4) Aktivieren einer Entladung E des Energiespeichers 200 durch die zentrale Kontrollanordnung 30, insbesondere zum Antreiben des Fahrzeuges 300,
    5. 5) Überwachen der Entladung E durch einen Sicherheitskontroller 31 der zentralen Kontrollanordnung 30.
  • In Schritt 3) kann die Aufladung L des Energiespeichers 200 deaktiviert werden, wenn der Ladestrom I einen oberen Grenzwert überschreitet und/oder wenn der mindestens ein Betriebsparameter U, SOC, T mindestens einer Batteriezelle 211 in zumindest einem Batteriemodul 201 des Energiespeichers 200, insbesondere die Temperatur des Energiespeichers 200, einen unteren Grenzwert unterschreitet.
  • In einem weiteren Schritt 6) kann die Entladung E des Energiespeichers 200 deaktiviert werden, wenn mindestens eine Batteriezelle 211 in zumindest einem Batteriemodul 201 einen Tiefenentladung-Schwellenwert unterschreitet.
  • Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Anordnung
    10
    + Anschluss
    11
    Ladepfad, Hauptpfad
    12
    Ladepfad, Vorladepfad
    13
    Entladepfad
    20
    - Anschluss
    30
    zentrale Kontrollanordnung
    31
    Sicherheitskontroller
    32
    Stromsensor
    33
    DC/DC-Wandler
    34
    elektrische Leitung
    200
    Energiespeicher
    201
    Batteriemodul
    210
    Einheit
    211
    Batteriezelle
    212
    lokale Kontrollanordnung
    213
    lokale Überwachungseinheit
    300
    Fahrzeug
    301
    Last
    302
    Ladevorrichtung
    303
    Hilfsbatterie
    S
    System
    L
    Aufladung
    E
    Entladung
    D
    Diode
    F
    elektrische Sicherung
    R
    Vorladewiderstand
    C1
    Steuerpfad
    C2
    Steuerpfad
    C3
    Steuerpfad
    C4
    Steuerpfad
    K1
    Kommunikationsverbindung
    K2
    Kommunikationsverbindung
    S1
    Ladeschalter,
    S2
    Ladeschalter, Hauptschalter
    S3
    Entladeschalter, Vorladeschalter
    S4
    Schalter
    U
    Betriebsparameter, Spannung
    SOC
    Betriebsparameter; State-of-Charge
    T
    Betriebsparameter, Temperatur
    I
    Ladestrom

Claims (17)

  1. Anordnung (100) für einen elektrischen Energiespeicher (200) eines Fahrzeuges (300), insbesondere für eine Traktionsbatterie eines Schienenfahrzeuges, aufweisend: - mindestens einen Ladepfad (11, 12) zur elektrischen Kopplung des elektrischen Energiespeichers (200) mit einer Ladevorrichtung (302), um eine Aufladung (L) des Energiespeichers (200) bereitzustellen, - einen Entladepfad (13) zur elektrischen Kopplung des Energiespeichers (200) mit wenigstens einer Last (301), um durch eine Entladung (E) des Energiespeichers (200) eine Energieversorgung der Last (301) bereitzustellen, - mindestens einen Ladeschalter (S1, S2) für den Ladepfad (11, 12), um die Aufladung (L) des Energiespeichers (200) zu aktivieren, - einen Entladeschalter (S3) für den Entladepfad (13), um die Entladung (E) des Energiespeichers (200) zu aktivieren, - eine zentrale Kontrollanordnung (30) zur Bereitstellung einer Ansteuerung des mindestens einen Ladeschalters (S1, S2) und des Entladeschalters (S3) durch einen Sicherheitskontroller (31), wobei die zentrale Kontrollanordnung (30) dazu ausgeführt ist, die Aufladung (L) des Energiespeichers (200) zu aktivieren und zu deaktivieren, und wobei die zentrale Kontrollanordnung (30) dazu ausgeführt ist, die Entladung (E) des Energiespeichers (200) zu aktivieren und zu deaktivieren.
  2. Anordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitskontroller (31) mindestens einen Steuerpfad (C1, C2) zu dem mindestens einen Ladeschalter (S1, S2) aufweist, um den Zustand des mindestens einen Ladeschalters (S1, S2) zu überwachen und/oder den mindestens einen Ladeschalter (S1, S2) für die Aufladung (L) des Energiespeichers (200) anzusteuern, und/oder dass der Sicherheitskontroller (31) mindestens einen Steuerpfad (C3) zu dem Entladeschalter (S3) aufweist, um den Zustand des Entladeschalters (S3) zu überwachen und/oder den Entladeschalter (S3) für die Entladung des Energiespeichers (200) anzusteuern.
  3. Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrollanordnung (30) einen Stromsensor (32) aufweist, um den Ladestrom (I) und den Entladestrom zu messen, und/oder dass die zentrale Kontrollanordnung (30) einen DC/DC-Wandler (33) aufweist, um mindestens eine Hilfsbatterie (303) Fahrzeuges (300), insbesondere eine Bordnetzbatterie des Schienenfahrzeuges, mit der elektrischen Energie zu versorgen.
  4. Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladepfad (13) eine Diode (D) aufweist, um den Stromfluss in eine Entladerichtung durchzulassen und in eine Laderichtung zu sperren.
  5. Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ladepfad (11, 12) einen Hauptpfad (11) mit einem Hauptschalter (S1) aufweist, und/oder dass der mindestens eine Ladepfad (11, 12) einen Vorladepfad (12) mit einem Vorladeschalter (S2), einem Vorladewiderstand (R) und/oder einer elektrischen Sicherung (F) aufweist.
  6. System (S), aufweisend: eine Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Energiespeicher (200), insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, vorzugsweise in Form eines Lithium-Ionen-Akkumulators.
  7. System (S) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (200) in Form einer Traktionsbatterie eines Schienenfahrzeuges ausgeführt ist.
  8. System (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (200) modular ausgeführt ist, und/oder dass der Energiespeicher (200) mehrere Batteriemodule (201) aufweist, wobei insbesondere die Batteriemodule (201) jeweils eine Einheit (210) mit mehreren Batteriezellen (211) aufweisen.
  9. System (S) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, und/oder dass die Batteriemodule (201) jeweils eine lokale Kontrollanordnung (212) und/oder jeweils eine lokale Zellüberwachungseinheit (213) aufweisen.
  10. System (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine lokale Kontrollanordnung (212) dazu ausgeführt ist, die Aufladung (L) der Batteriemodule (201) zu aktivieren und zu deaktivieren, und/oder jeweils eine lokale Kontrollanordnung (212) dazu ausgeführt ist, die Entladung (E) der Batteriemodule (201) zu aktivieren und zu deaktivieren, und/oder dass jeweils eine lokale Kontrollanordnung (212), insbesondere mithilfe der jeweils einen lokalen Zellüberwachungseinheit (213), dazu ausgeführt ist, die elektrische Ladungsverteilung zwischen den Batteriezellen (211) innerhalb der Batteriemodule (201) beim Aufladen und/oder beim Entladen der Batteriemodule (201) bereitzustellen.
  11. System (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrollanordnung (30) dazu ausgeführt ist, die Entladung (E) des Energiespeichers (200) zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle (211) in zumindest einem Batteriemodul (201) einen Tiefenentladung-Schwellenwert unterschreitet, und/oder dass die zentrale Kontrollanordnung (30) und/oder die jeweils eine lokale Kontrollanordnung (212) dazu ausgeführt sind/ist, die Entladung (E) in zumindest einem Batteriemodul (201) des Energiespeichers (200) zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle (211) in dem zumindest einen Batteriemodul (201) einen Tiefenentladung-Schwellenwert unterschreitet.
  12. System (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrollanordnung (30) dazu ausgeführt ist, die Aufladung (L) des Energiespeichers (200) in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter (U, SOC, T) mindestens einer Batteriezelle (211) in zumindest einem Batteriemodul (201) des Energiespeichers (200) und/oder in Abhängigkeit von einem Ladestrom (I) zu deaktivieren.
  13. System (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrollanordnung (30) dazu ausgeführt ist, die Aufladung (L) des Energiespeichers (200) zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle (211) in zumindest einem Batteriemodul (201) einen Überladung-Schwellenwert überschreitet, und/oder dass die zentrale Kontrollanordnung (30) und/oder die jeweils eine lokale Kontrollanordnung (212) dazu ausgeführt sind/ist, die Aufladung (L) in mindestens einem Batteriemodul (201) zu deaktivieren, wenn mindestens eine Batteriezelle (211) in dem zumindest einen Batteriemodul (201) einen Überladung-Schwellenwert überschreitet.
  14. System (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Überwachungseinheiten (213) der Batteriemodule (201) über eine interne Kommunikationsverbindung (K1) miteinander in Kommunikation stehen, um die Betriebsparameter (U, SOC, T) der Batteriezellen (211) in den Batteriemodulen (201) auszutauschen, und/oder dass mindestens eine Zellüberwachungseinheit (213) oder alle lokalen Überwachungseinheiten (213) der Batteriemodule (201) über eine externe Kommunikationsverbindung (K2) mit dem Sicherheitskontroller (31) der zentralen Kontrollanordnung (30) in Kommunikation stehen, um die Betriebsparameter (U, SOC, T) der Batteriezellen (211) in den Batteriemodulen (201) an die zentrale Kontrollanordnung (30) zu übermitteln.
  15. Verfahren zur Steuerung der Energieversorgung in einem Fahrzeug (300) mit einem elektrischen Energiespeicher (200), insbesondere in einem Schienenfahrzeug mit einer Traktionsbatterie, vorzugsweise mithilfe einer Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend folgende Schritte: - Steuern einer Aufladung (L) des Energiespeichers (200) durch eine zentrale Kontrollanordnung (30), insbesondere durch eine Rekuperation bei einem Abbremsen des Fahrzeuges (300), - Überwachen der Aufladung (L) durch einen Sicherheitskontroller (31) der zentralen Kontrollanordnung (30), - Deaktivieren der Aufladung (L) des Energiespeichers (200) durch die zentrale Kontrollanordnung (30) in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter (U, SOC, T) mindestens einer Batteriezelle (211) in zumindest einem Batteriemodul (201) des Energiespeichers (200) und/oder in Abhängigkeit von einem Ladestrom, - Aktivieren einer Entladung (E) des Energiespeichers (200) durch die zentrale Kontrollanordnung (30), insbesondere zum Antreiben des Fahrzeuges (300), - Überwachen der Entladung (E) durch einen Sicherheitskontroller (31) der zentralen Kontrollanordnung (30).
  16. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladung (L) des Energiespeichers (200) deaktiviert wird, wenn der Ladestrom (I) einen oberen Grenzwert überschreitet und/oder wenn der mindestens ein Betriebsparameter (U, SOC, T) mindestens einer Batteriezelle (211) in zumindest einem Batteriemodul (201) des Energiespeichers (200), insbesondere die Temperatur des Energiespeichers (200), einen unteren Grenzwert unterschreitet.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladung (E) des Energiespeichers (200) deaktiviert wird, wenn mindestens eine Batteriezelle (211) in zumindest einem Batteriemodul (201) einen Tiefenentladung-Schwellenwert unterschreitet.
DE102021107750.8A 2021-03-26 2021-03-26 Anordnung für einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeuges Pending DE102021107750A1 (de)

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DE102013222462A1 (de) 2013-11-06 2015-05-07 Robert Bosch Gmbh Fahrzeugbatterie mit einer Vorrichtung zur Auswahl einer zulässigen Stromrichtung

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