DE102009033514A1

DE102009033514A1 - Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicher-Anordnung in einem Fahrzeug und Fahrzeug mit einer Energiespeicher-Anordnung

Info

Publication number: DE102009033514A1
Application number: DE102009033514A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Jäkel; Sten Harnisch; John de Dr. Roche
Original assignee: Clean Mobile AG
Current assignee: TQ Systems GmbH
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: WO2011007329A3; DE102009033514B4; WO2011007329A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicher-Anordnung in einem Fahrzeug und ein Fahrzeug mit einer Energiespeicher-Anordnung. Die Anordnung enthält eine Energiequelle und mindetens zwei Stapel (5, 6) von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Jeder der Stapel (5, 6) kann einzeln die Energieversorgung für den Betrieb des Fahrzeugs übernehmen. In dem Verfahren werden die folgenden Schritte alternativ durchgeführt. a) Aufladen des ersten Stapels (5) und gleichzeitiges Entnehmen von Energie aus dem zweiten Stapel (6) für den Betrieb des Fahrzeugs, wobei keine Energie für den Betrieb des Fahrzeugs aus dem ersten Stapel (5) entnommen wird. Im Schritt b) wird das zweite Stapel (6) aufgeladen und gleichzeitig wird Energie aus dem ersten Stapel (5) für den Betrieb des Fahrzeugs entnommen, wobei keine Energie für den Betrieb des Fahrzeugs aus dem zweiten Stapel (6) entnommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicher-Anordnung und ein Fahrzeug mit einer Energiespeicher-Anordnung. Akkumulatoren dienen zum Speichern von elektrischer Energie und können sowohl geladen als auch entladen werden.
Die DE 10 2007 013 699 beschreibt ein Elektro-Flurfahrzeug, das eine Brennstoffzelleneinheit und eine Transaktionsbatterie aufweist. Die Transaktionsbatterie kann mit Hilfe der Brennstoffzelleneinheit aufgeladen werden. Mit einer Kupplung zwischen der Transaktionsbatterie und der Brennstoffzelleneinheit kann eine von der Brennstoffzelle aufgeladene Transaktionsbatterie gelöst und in einem weiteren Fahrzeug eingebaut werden.
Bei Akkumulatoren stellt sich das Problem, dass die Lebensdauer sehr von der Art der Lade- und Entladevorgänge abhängt. Beispielsweise werden für Lithium-Ionen-Akkumulatoren bestimmte Lebensdauern vorhergesagt. Ob diese Lebensdauer tatsächlich erreicht wird, hängt aber sehr davon ab, wie die Akkumulatoren betrieben werden, d. h. wie viel Energie aus ihnen jeweils entnommen wird. Da die Lithium-Ionen-Akkumulatoren teuer sind, ist es gewünscht, die Lebensdauer möglichst zu erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung bereitzustellen, das eine höhere Lebensdauer der als Energiespeicher vorgesehenen Akkumulatoren ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicher-Anordnung in einem Fahrzeug. Die Anordnung enthält eine Energiequelle und zwei Stapel von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. In den Stapeln sind die Lithium-Ionen-Akkumulatoren jeweils in Reihe geschaltet. Jeder Stapel kann einzeln die Energieversorgung für den Betrieb des Fahrzeugs übernehmen. In dem Verfahren werden die folgenden Schritte a) und b) alternativ durchgeführt. Im Schritt a) wird der erste Stapel aus einer mit dem Fahrzeug mitgeführten Energiequelle geladen, während gleichzeitig aus dem zweiten Stapel Energie für den Betrieb des Fahrzeugs übernommen wird. Dabei wird keine Energie für den Betrieb des Fahrzeugs aus dem ersten Stapel entnommen.
Im Schritt b) dagegen wird der zweite Stapel aufgeladen und gleichzeitig wird Energie aus dem ersten Stapel für den Betrieb des Fahrzeugs entnommen. Dabei wird im Schritt b) keine Energie für den Betrieb des Fahrzeugs aus dem zweiten Stapel entnommen.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass jeweils nur einer der Stapel geladen wird, während der andere der Stapel entladen wird. Dadurch ist es nicht möglich, dass einer der Stapel gleichzeitig ge- und entladen wird. Es hat sich herausgestellt, dass die Lebensdauer speziell von Lithium-Ionen-Akkumulatoren besonders erhöht werden kann, wenn sich die Wechsel zwischen den Aufladezyklen und Entladezyklen nicht zu sehr häufen. Das alternative Vorsehen der Schritte a) und b) erhöht somit die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Akkumulatoren erheblich, so dass diese seltener ausgetauscht werden müssen. Das Vorgehen erlaubt auch ein schonendes Aufladen der Akkumulatoren, da das Aufladen mit niedrigen Strömen erfolgen kann.
Vorzugsweise ist in dem ersten Stapel je Akkumulator eine Vorrichtung zum Laden der einzelnen Akkumulatoren vorgesehen. Während des Aufladens der Akkumulatoren und Entnehmens von Energie wird diese Vorrichtung jeweils so betrieben, dass die Akkumulatoren des Stapels auf gleiche Spannung aufgeladen werden. Somit wird sichergestellt, dass keiner der Akkumulatoren über- oder unterladen wird, was die Akkumulatoren im schlimmsten Fall zerstören kann. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass die Alterung der Akkumulatoren eines Stapels möglichst gleichmäßig ist, da ein Defekt eines der Akkumulatoren eines Stapels den Austausch des gesamten Stapels nach sich zieht.
Die gleiche Vorrichtung wird analog im zweiten Stapel vorgesehen, damit die Akkumulatoren dieses zweiten Stapels ebenfalls möglichst schonend betrieben werden können.
Falls die Energiequelle eine mit dem Fahrzeug mitgeführte Brennstoffzelle enthält, kann im wesentlich unabhängig von den Umweltbedingungen kontinuierlich Energie erzeugt werden.
Alternativ oder zusätzlich enthält die Energiequelle eine mit dem Fahrzeug mitgeführte Solarzelle, so dass Energie erzeugt werden kann, ohne dass es einer regelmäßigen Treibstoffzufuhr bedarf.
In einer Ausführungsform hängt die Entscheidung, ob Schritt a) oder b) durchgeführt wird, vom Ladezustand der Akkumulatoren der Stapel ab. Damit kann zum Beispiel dafür gesorgt werden, dass die Akkumulatoren gleichmäßig entladen werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Entscheidung, ob Schritt a) oder b) durchgeführt wird, von der Alterung der Akkumulatoren der Stapel abhängig gemacht. Damit können insbesondere jüngere, und somit aufnahmefähigere, Akkumulatoren große Belastungsspitzen ausgleichen.
Zusätzlich kann die Entscheidung, ob Schritt a) oder b) durchgeführt wird, von den Kapazitäten der Akkumulatoren der Stapel abhängig gemacht werden. Damit kann z. B. auch dafür gesorgt werden, dass diejenigen Akkumulatoren mit niedriger Kapazität nur für kleine Belastungen eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind in dem Fahrzeug mehr als zwei Stapel vorgesehen und mindestens ein Stapel ist entweder parallel zum ersten Stapel oder parallel zum zweiten Stapel geschaltet. Damit wird das erfindungsgemäße Verfahren für mehr als zwei Stapel bereitgestellt. Damit kann das Fahrzeug mit einer größeren Gesamtkapazität ausgebildet werden.
Vorzugsweise wird die Entscheidung, ob Schritt a) oder b) durchgeführt wird, vom Stromverbrauch des Fahrzeugs abhängig gemacht, womit entsprechend der Belastung der jeweils günstigste Stapel ausgewählt werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer Energiespeicher-Anordnung. Das Fahrzeug enthält eine Energiequelle und die Anordnung weist mindestens zwei Stapel von Lithium-Ionen-Akkumulatoren auf. Jeder der Stapel kann einzeln die Energieversorgung für den Betrieb des Fahrzeugs übernehmen. In der Anordnung ist ein Umschalter derart vorgesehen, mit dem entweder eine Stellung a) oder eine Stellung b) einstellbar ist. Dabei wird in der Stellung a) der erste Stapel von der Energiequelle aufgeladen und gleichzeitig Energie aus dem zweiten Stapel für den Betrieb des Fahrzeugs entnommen. Dabei wird keine Energie für den Betrieb des Fahrzeugs aus dem ersten Stapel entnommen.
In der Stellung b) wird dagegen der zweite Stapel von der Energiequelle aufgeladen wird und gleichzeitig Energie aus dem ersten Stapel für den Betrieb des Fahrzeugs entnommen. Dabei wird keine Energie für den Betrieb des Fahrzeugs aus dem zweiten Stapel entnommen. Mit dem vorgestellten Fahrzeug wird eine besonders schonende Benutzung der Akkumulatoren ermöglicht, was deren Lebensdauer verlängert.
Besonders geeignet ist die vorliegende Erfindung für Leichtfahrzeuge, d. h. Fahrzeuge, von nicht mehr als 350 kg, ohne Masse der Batterien, mit einem Elektromotor, dessen maximale Nennleistung nicht mehr als 4 kW beträgt. Bei solchen Fahrzeugen ist besonders auf das Gewicht der Batterien und auf zuverlässige Energieversorgung zu achten.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht. Dabei zeigt
1 ein Schaltbild des elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs;
2 ein Ablaufdiagramm eines Ausschnitts des Verfahrens zum Betreiben einer Energie-Speicheranordnung in einem Fahrzeug.
1 zeigt in einem Schaltbild ein elektrisches Antriebssystem 3 eines Fahrzeugs. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Fahrrad mit Pedalen, die durch menschliche Leistung angetrieben werden, und mit einer elektrischen Antriebseinheit. Die Pedale und die elektrische Antriebseinheit bewirken beide die Bewegung einer Kette und damit des Hinterrades des Fahrrads.
Das elektrische Antriebssystem weist einen ersten Übertrager 121, einen zweiten Übertrager 122, einen Mikroprozessor 13, einen Gleichspannungswandler 14, eine Brennstoffzelle 10, eine Spannungsmessschaltung 15, eine Strommessschaltung 16, einen ersten Umschalter UM1, einen zweiten Umschalter UM2 und einen Motor 17 auf. Die Brennstoffzelle 10, die beispielsweise als Methanol-Brennstoffzelle ausgeführt ist, erzeugt eine Spannung U_B von 24 V. Der Gleichspannungswandler 14 erzeugt aus dieser Spannung die so genannte erste Spannung U1 von 40 V, die zwischen einem Knoten K1 und der Masse 36 anliegt.
An dem Motor 17 liegt eine zweite Spannung U2 an, die zwischen dem Knoten K1 und der Masse 36 bereitgestellt wird. Ebenfalls an die zweite Spannung U2 ist die Spannungsmessschaltung 15, die auch Schaltungen zum Energiemanagement enthält, angeschlossen. Diese Spannungsmessschaltung 15 misst die zweite Spannung U2 und erhält Informationen über den zu erwartenden Verbrauch. Entsprechend der Höhe der zweiten Spannung U2 und der Höhe des zu erwartenden Verbrauchs steuert die Spannungsmessschaltung den Gleichspannungswandler an, um die erste Spannung U1 zu erhöhen.
Die von der Brennstoffzelle 10 bereitgestellte Energie wird in den Stapeln 5 und 6 gespeichert. Stapel 5 enthält die Akkumulatoren C11 bis Cn1, die in Reihe gestapelt sind. Ein Ende dieser Reihenschaltung ist mit der Masse 36 und ein anderes Ende der Reihenschaltung ist mit einem ersten Anschluss des Umschalters UM1 verbunden. Der zweite Stapel 6 enthält die Akkumulatoren C12 bis Cn2 und ist zwischen der Masse 36 und einem ersten Anschluss des Umschalters UM2 angeschlossen.
Die Akkumulatoren C11 bis Cn1 und C12 bis Cn2 sind jeweils Lithium-Ionen-Akkumulatoren. In dem Stapel 5 ist ein erster Anschluss des Akkumulators C11 mit der Masse 36 verbunden, während sein zweiter Anschluss mit dem ersten Anschluss des zweiten Akkumulators C21 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss des zweiten Akkumulators C21 ist mit dem ersten Anschluss des Akkumulators C31 verbunden, woran sich die Serie der übrigen Akkumulatoren anschließt. In dem gewählten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Akkumulatoren n = 10, so dass jeder der Akkumulatoren C11 bis Cn1 elektrische Ladung bei einer Spannung von jeweils 4 V speichert. Der Stapel 6 mit seinen Akkumulatoren C12 bis Cn2 ist analog wie der Stapel 5 aufgebaut.
Bei den Akkumulatoren muss darauf geachtet werden, dass eine einzelne Zelle nicht überladen wird. Liegt an einem der Akkumulatoren eine zu hohe Spannung an, so wird der Akkumulator defekt, so dass durch die gesamte Reihenschaltung der Akkumulatoren keine Energie mehr gespeichert wird.
Um dafür zu sorgen, dass die Akkumulatoren C11 bis Cn1 gleichmäßig aufgeladen werden, ist der Übertrager 121 vorgesehen. Der Übertrager 121 weist einen magnetisierbaren Kern 111 auf. Um diesen Kern 111 ist eine Primärspule Np1 gewickelt, die in dem Ausführungsbeispiel 90 Wicklungen aufweist. Ein erster Anschluss A1 der Primärspule Np1 ist mit dem ersten Anschluss des Umschalters UM1 verbunden, während ein zweiter Anschluss der Primärspule Np1 mit einem ersten Anschluss des Primärschalters Sp11 verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit der Masse 36 verbunden ist. Der Primärschalter Sp11 weist zudem einen Schalteingang auf. In Abhängigkeit dieses Schalteingangs wird eine Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Primärschalters Sp11 geöffnet bzw. geschlossen.
Der Übertrager 121 weist zudem n Sekundärspulen auf. In der 1 sind die erste Sekundärspule N11, die zweite Sekundärspule N21, die dritte Sekundärspule N31 sowie die n-te Sekundärspule Nn1 explizit eingezeichnet. Diese Sekundärspulen N11 bis Nn1 weisen jeweils drei Wicklungen auf, die um den Kern 111 gelegt sind. Der Kern 111 ist magnetisierbar und dient zur Energieübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule oder auf mehrere der Sekundärspulen N11 bis Nn1. Jede der Sekundärspulen N11 bis Nn1 ist zu einem der Akkumulatoren C11 bis Cn1 parallel schaltbar. Die Sekundärspulen N11 bis Nn1 weisen jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss auf, die sich jeweils an einem Ende der Gesamtheit der Windungen befinden. Der erste Anschluss einer Sekundärspule N11 ist mit einem zweiten Anschluss des Akkumulators C11 verbunden, während der zweite Anschluss der Sekundärspule Nil mit einem ersten Anschluss eines Sekundärschalters S11 verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit einem ersten Anschluss des Akkumulators C11 verbunden ist. Ein Schalteingang des Sekundärschalters S11 steuert, ob die elektrische Verbindung des ersten Anschlusses mit dem zweiten Anschluss des Sekundärschalters S11 geschlossen ist.
Desgleichen ist der zweite Anschluss des zweiten Akkumulators C21 mit dem ersten Anschluss der ersten Sekundärspule N21 verbunden. Der erste Anschluss des zweiten Schalters S21 ist mit dem zweiten Anschluss der zweiten Sekundärspule N21 verbunden und sein zweiter Anschluss mit einem ersten Anschluss des zweiten Akkumulators C21 verbunden. Die Verbindung zwischen Akkumulatoren, Sekundärspulen und Schaltern erfolgt für die restlichen Akkumulatoren C31 bis Cn1 auf die gleiche Weise.
Der Mikrocontroller steuert die Schalter Sp11 und S11 bis Sn1 des Übertragers 121 jeweils an. Durch Schließen eines der Sekundärschalter S11 bis Sn1 wird eine Sekundärspule mit einem Akkumulator parallel geschaltet.
Der Übertrager 122 enthält die gleichen Elemente wie der Übertrager 121. Die Elemente sind auch entsprechend untereinander und mit den Akkumulatoren des Stapels 6 verschaltet. Die entsprechenden Elemente des Übertragers 122 unterscheiden sich durch die Endziffer 2 von den Elementen des Übertragers 121.
Die Umschalter UM1 und UM2 weisen jeweils zweite und dritte Anschlüsse auf. Der zweite Anschluss ist jeweils mit dem Knoten K1 verbunden, während der dritte Anschluss mit dem Knoten K2 verbunden ist. Somit stellt der Umschalter UM1 entweder eine Verbindung zwischen dem ersten Anschluss des Stapels 5 und dem Knoten K1 oder eine Verbindung zwischen dem ersten Anschluss des Stapels 5 mit dem Knoten K2 her. Desgleichen stellt der Umschalter UM2 entweder eine Verbindung zwischen dem ersten Anschluss des Stapels 6 und dem Knoten K1 oder eine Verbindung zwischen dem ersten Anschluss des Stapels 6 mit dem Knoten K2 her. Die Umschalter sind so miteinander gekoppelt, dass sie entgegengesetzte Schalterstellungen einnehmen. Verbindet in der Stellung a) der Umschalter UM1 den ersten Knoten K1 mit dem ersten Anschluss des Stapels 5, verbindet der zweite Schalter UM2 den zweiten Knoten K2 mit dem ersten Anschluss des Stapels 6.
In der zweiten Stellung b) verbindet der erste Umschalter UM1 den Knoten K2 mit dem ersten Anschluss des Stapels 5, während der zweite Umschalter UM2 den Knoten K1 mit dem ersten Anschluss des Stapels 6 verbindet. Somit wird jeweils einer der Stapel 5 und 6 geladen, während der andere den Motor 17 betreibt. Parallel zum Motor können weitere elektrisch betriebene Einheiten des Fahrzeugs vorgesehen werden, beispielsweise elektrische Anzeigesysteme, Getriebesteuereinheiten oder Motorsteuereinheiten. Während des Aufladens des einen Stapels wird nicht gleichzeitig Strom aus ihm entnommen. Dies hat den Vorteil, dass die Lebensdauer des Stapels steigt. Trotzdem kann die Gesamtkapazität des Fahrzeugs genutzt werden, da abwechselnd zwischen den Stellungen a) und b) geschaltet werden kann. Die 1 zeigt die Stellung b).
Anstelle der Übertrager können auch andere Zwischenspeicher für Energie verwendet werden. Diese Zwischenspeicher können beispielsweise durch Kondensatoren, Spulen oder weitere Batterien sein.
2 zeigt in einem Flussdiagramm, wie die Entscheidung, ob die Umschalter UM1 und UM2 in die Stellung a) oder b) gebracht werden, getroffen wird. Dabei wird von folgendem Beispiel ausgegangen. Die einzelnen Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben eine erwartete Lebensdauer von X Zyklen. Heutige übliche Werte für Lithium-Ionen-Zellen sind 300 bis 500 Zyklen, was in Ausnahmefällen auf 2000 Zyklen erhöht werden kann. Im Lauf der Zeit nimmt die Kapazität der Akkumulatoren ab. Trotz der Tatsache, dass mit Hilfe des aktiven Balancing versucht wird, die Akkumulatoren eines Stapels z. B. C11 bis Cn1 möglichst gleichzeitig zu laden, durchlaufen die einzelnen Akkumulatoren eines Stapels unterschiedliche Alterungsprozesse aufgrund von Produktionsunterschieden. Je nach Anzahl der durchlaufenen Zyklen werden Unterschiede der Kapazitäten noch toleriert. Falls ein Stapel erste 0,1·X Zyklen betrieben wurde, sollte bei keinem Akkumulator eines Stapels die Kapazität mehr als 2% von der mittleren Kapazität aller Akkumulatoren des Stapels abweichen. Bei höheren Zyklenzahlen werden größere Abweichungen akzeptiert. Die Anforderungen werden anhand folgender Tabelle erläutert.

Altersstufe maximale Anzahl der Zyklen Kapazität Differenz

I 0,1·X 99% 2%

II 0,2·X 90% 3%

III 0,4·X 80% 4%

IV 0,5·X 70% 4,5%

V 0,8·X 60% 5%

VI 0,9·X 55% 5,5%

VII X 50% 5,5%
Dies bedeutet, dass in der Altersstufe III üblicherweise 0,2·X bis 0,4·X Zyklen, d. h. Auflade- und Entladevorgänge, erfolgt sind, die Kapazität bis auf 80% der ursprünglichen Kapazität abgesunken sein kann und die Differenz der Kapazität eines Akkumulators vom Mittelwert der Kapazität aller Akkumulatoren des Stapels 4% betragen kann.
Pro Stapel werden zwei Werte gespeichert. Zu dem ersten Wert ist ein erster Zähler vorgesehen, in dem die Anzahl der Auflade- und Entladezyklen gespeichert ist. In dem zweiten Speicher wird die Altersstufe des Stapels abgespeichert. Entspricht bei einem Stapel die Anzahl der tatsächlichen Zyklen den in der Tabelle gezeigten Anforderungen, so wird die entsprechende Altersstufe in dem Altersstufen-Zähler abgespeichert. Stimmt diese allerdings nicht mit den Zyklen überein, so wird entsprechend eine Aufwertung oder eine Abwertung vorgenommen. Steht beispielsweise der Zyklenzähler auf 25000, ist die Differenz allerdings bei 5%, so wird der entsprechende Stapel in die Altersklasse V eingestuft.
Ist die Differenz dagegen kleiner als 1% und die Kapazität noch bei 99,5%, so wird der entsprechende Stapel in der Altersklasse I eingeordnet.
So wird jeder Stapel entsprechend der bisherigen Zyklen und entsprechend seiner Kapazität eingestuft.
Anhand der Altersklassen wird entschieden, in welche Stellung a) oder b) die Umschalter UM1 und UM2 geschaltet werden.
In einem ersten Schritt werden die Altersstufen A(1) für den ersten Stapel 5 und A(2) für den zweiten Stapel 6 abgefragt. Zudem werden die Ladezustände L(1) und L(2) für den Akkumulator der Stapel 5 bzw. 6 abgefragt. Diese sind in Prozent angegeben, 30% bedeutet, dass der Stapel zu 30% geladen ist.
Im nächsten Schritt wird der Energiebedarf abgefragt, d. h. im Wesentlichen der Stromverbrauch, der durch den Motor 17 und die weiteren Steuergeräte abgefragt wird.
Bei der Bewertung des Bedarfs werden drei Fälle unterschieden. In einem ersten Fall ist der Strom kleiner als 1 A, im zweiten Fall liegt er zwischen 1 A und 5 A und im dritten Fall liegt er bei Werten größer 5 A. Diese können beispielsweise bei einem Fahrrad mit Hilfsmotor mehr als 20 A bei Bergauffahrt sein.
Im ersten Fall, d. h. der Stromverbrauch ist < 1 A, wird zunächst abgefragt, ob die Altersstufe A(1) größer als die Altersstufe A(2) ist. Im ersten Fall wird eine weitere Abfrage gestartet, und zwar, ob der der Ladezustand des ersten Akkumulators > 30% ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird in die Stellung a) geschaltet, d. h. die ältere Batterie lädt so lange, bis die untere Ladungsschwelle von 30% erreicht ist. Falls der Ladezustand > 30% ist, wird in die Stellung b) geschaltet, so dass der Stapel 6 den Motor 17 antreibt. Wenn die Umschalter drei Minuten in der entsprechenden Stellung waren, wird die Abfrage wiederholt.
Falls die Altersstufe des Stapels 6 größer oder gleich der Altersstufe des Stapels 5 ist, wird zunächst der Ladezustand des Stapels 6 abgefragt. Ist dieser > 30%, wird in die Schaltung a) geschaltet, alternativ in die Schaltung b). Es ist festzustellen, dass bei dieser Betriebsart, bei der relativ wenig Strom verbraucht wird, grundsätzlich die ältere Batterie entladen werden soll, um die jüngere für anschließende Bergauffahrten möglichst weit aufzuladen.
Im Fall, dass ein mittlerer Bedarf zwischen 1 A und 5 A gefordert ist, wird zunächst der Quotient aus den Ladezuständen L(1) und L(2) gebildet. Liegt dieser zwischen 0,95 und 1,05, wird abwechselnd jeweils für 3 Minuten in die Stellungen a) und b) geschaltet. Sind die Unterschiede zwischen den Ladezuständen größer, wird abgefragt, welche der Ladezustände größer sind. Falls der Ladezustand L(1) größer als der Ladezustand L(2) ist, wird zwei Minuten in die Stellung a) und vier Minuten in die Stellung b) geschaltet. Im anderen Fall wird jeweils abwechselnd 4 Minuten in die Stellung b) und zwei Minuten in die Stellung a) geschaltet.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass im Fall des mittleren Stromverbrauchs die Batterien möglichst gleichmäßig geladen und entladen werden, wo bei größeren Ungleichheiten des Ladezustands jeweils eine der Batterien jeweils etwas kürzer als die andere ge- als entladen wird.
In dem dritten Fall des relativ hohen Stromverbrauchs, der größer als 5 A ist, wird gefragt, welche der Altersstufen A(1) und A(2) größer ist. Für die jüngere der Akkumulatoren wird jeweils abgefragt, ob der Ladezustand größer als 30% ist. Falls dies der Fall ist, wird so geschaltet, dass die jüngere Batterie den Motor antreibt, solange ihr Ladezustand größer als 30% ist.
Im Fall des hohen Stromverbrauchs wird somit jeweils möglichst lange die jüngere Batterie eingesetzt.
Bezugszeichenliste

3: elektrische Antriebseinheit
5: Stapel
6: Stapel
10: Brennstoffzelle
111: Kern
112: Kern
121: Übertrager
122: Übertrager
13: Mikrocontroller
14: Gleichspannungswandler
15: Spannungsmessschaltung
16: Strommessschaltung
17: Motor
36: Masse
A1: erster Anschluss
A: Altersstufe
L: Ladezustand
C11: Akkumulator
C12: Akkumulator
C21: Akkumulator
C22: Akkumulator
C31: Akkumulator
C32: Akkumulator
Np1: Primärspule
Np2: Primärspule
N11: erste Sekundärspule
N12: erste Sekundärspule
N21: zweite Sekundärspule
N22: zweite Sekundärspule
N31: dritte Sekundärspule
N32: dritte Sekundärspule
Sp11: Primärschalter
Sp12: Primärschalter
S11: Schalter
S21: Schalter
S31: Schalter
S12: Schalter
S22: Schalter
S32: Schalter
U1: erste Spannung
U2: zweite Spannung
UB: Brennstoffzellenspannung
UM1: erster Umschalter
UM2: zweiter Umschalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007013699 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicher-Anordnung in einem Fahrzeug, wobei die Anordnung mindestens zwei Stapel (5, 6) von Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufweist und jeder der Stapel (5, 6) einzeln die Energieversorgung für den Betrieb des Fahrzeugs übernehmen kann, wobei in dem Verfahren die folgenden Schritte a) und b) alternativ durchgeführt werden: a) Aufladen des ersten Stapels (5) aus einer im Fahrzeug mitgeführten Energiequelle (10) und gleichzeitiges Entnehmen von Energie aus dem zweiten Stapel (6) für den Betrieb des Fahrzeugs, wobei keine Energie für den Betrieb des Fahrzeugs aus dem ersten Stapel (5) entnommen wird, b) Aufladen des zweiten Stapels (6) und gleichzeitiges Entnehmen von Energie aus dem ersten Stapel (5) für den Betrieb des Fahrzeugs, wobei keine Energie für den Betrieb des Fahrzeugs aus dem zweiten Stapel (6) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Stapel (5) je Akkumulator (C1, ... Cn1) eine Vorrichtung (N11, S11) zum Laden des Akkumulators vorhanden ist, und während des Aufladens und Entnehmens von Energie die Vorrichtungen (N11, S11) zum Laden jeweils so betrieben werden, dass alle Akkumulatoren (C11, ... Cn1) eines Stapels (5) auf gleiche Spannungen geladen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Stapel (6) je Akkumulator (C12, Cn2) eine Vorrichtung (S12, N12) zum Laden des Akkumulators (C12) vorhanden ist, und während des Aufladens und Entnehmens von Energie die Vorrichtungen (S11, N12) zum Laden jeweils so betrieben werden, dass alle Akkumulatoren (C12, ... Cn2) eines Stapels (6) auf gleiche Spannungen aufgeladen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (17) eine mit dem Fahrzeug mitgeführte Brennstoffzelle enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (17) eine mit dem Fahrzeug mitgeführte Solarzelle enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidung, ob Schritt a) oder b) durchgeführt wird, vom Ladezustand der Akkumulatoren der Stapel (5, 6) abhängig gemacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidung, ob Schritt a) oder b) durchgeführt wird, von der Alterung der Akkumulatoren der Stapel (5, 6) abhängig gemacht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidung, ob Schritt a) oder b) durchgeführt wird, von den Kapazitäten der Akkumulatoren der Stapel (5, 6) abhängig gemacht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fahrzeug mehr als zwei Stapel vorgesehen sind und mindestens ein Stapel entweder parallel zum ersten Stapel (5) oder parallel zum zweiten Stapel (6) geschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidung, ob Schritt a) oder b) durchgeführt. wird, vom Stromverbrauch des Fahrzeugs abhängig gemacht wird.
Fahrzeug mit einer Energiespeicher-Anordnung, wobei das Fahrzeug eine Energiequelle (17) enthält und die Anordnung mindestens zwei Stapel (5, 6) von Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufweist und jeder der Stapel (5, 6) einzeln die Energieversorgung für den Betrieb des Fahrzeugs übernehmen kann, und wobei in der Anordnung Umschalter (UM1, UM2) derart vorgesehen sind, mit denen entweder die Stellung a) oder b) einstellbar ist, wobei – in der Stellung a) der erste Stapel (5) von der Energiequelle (17) aufgeladen wird und gleichzeitig Energie aus dem zweiten Stapel (6) für den Betrieb des Fahrzeugs entnommen wird, wobei keine Energie für den Betrieb des Fahrzeugs aus dem ersten Stapel (5) entnommen wird, und – in der Stellung b) der zweite Stapel (6) von der Energiequelle (17) aufgeladen wird und gleichzeitig Energie aus dem ersten Stapel (5) für den Betrieb des Fahrzeugs entnommen wird, wobei keine Energie für den Betrieb des Fahrzeugs aus dem zweiten Stapel (6) entnommen wird.
Fahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Leichtfahrzeug ist, wobei unter Leichtfahrzeug ein Fahrzeug, von nicht mehr als 350 kg, ohne Masse der Batterien, mit einem Elektromotor, dessen maximale Nennleistung nicht mehr als 4 kW beträgt, verstanden wird.