DE102010035073A1

DE102010035073A1 - Energie-Management-System

Info

Publication number: DE102010035073A1
Application number: DE102010035073.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-21
Filing date: 2010-08-21
Publication date: 2014-06-18
Also published as: WO2012025098A3; WO2012025098A2

Abstract

Energie-Management-System (5), welches mit mindestens einer Batterie (2) und mindestens einem Energieverbraucher (3) elektrisch verbindbar ist, wobei die Batterie (2) aus einer Mehrzahl von Speicherzellen (1) für elektrische Energie besteht und wobei der Energieverbraucher (3) im wesendlichen durch das Energie-Management-System (5) mit Verbrauchsenergie versorgt wird, wobei das Energie-Management-System (5) mit mehreren Speicherzellen (1) für elektrische Energie oder mit mehreren Gruppen besagter Speicherzellen der Gestalt einzeln elektrisch verbindbar ist, dass mehrere Speicherzellen bzw. mehrere Gruppen von Speicherzellen gemeinsam die Verbrauchsenergie für den Energieverbraucher (3) mindestens teilweise bereitstellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es ermöglicht eine Vielzahl von elektrischen Energiespeicherzellen von unterschiedlicher Kapazität und Ausgangsspannung zu einer großen Batterie zusammen zu fassen und gemeinsam zur Versorgung eines Verbrauchers zu verwenden. Dies schafft die technischen Voraussetzungen für dynamisch variable Batteriewechselsysteme.
Stand der Technik
Um eine Batterie von großer Kapazität und Leistung mit einer Ausgangsspannung von bis zu 400 V zu erzeugen, ist es derzeit üblich, eine große Anzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen 1 in Reihe zu schalten, und an den Enden dieser Reihen die Spannung für einen Verbraucher bzw. dessen Steuerung abzugreifen. Durch die Reihenschaltung vervielfacht sich die Ausgangsspannung der Batterie mit der Anzahl der in Reihe geschalteten Energiezellen. Es ist dabei von größter Wichtigkeit, dass die beteiligten Zellen eine möglichst gleiche Ausgangsspannung besitzen, damit die Zellen mit geringerer Spannung nicht von den Zellen mit größerer Spannung zerstört werden und der Strom nur in die vorhergesehne Richtung fließt. Damit die Verhältnismäßigkeiten der Spannungen der Zellen innerhalb einer Reihe auch während des Entladevorganges gewahrt bleiben, ist es ebenso wichtig, dass alle in einer Reihe zusammengeschalteten Zellen eine möglichst ähnliche Kapazität aufweisen.
Um dies zu garantieren, wird im allgemeinen darauf geachtet, solche Zellenreihen nur aus Zellen gleicher Art, des gleichen Herstellers und am besten auch aus dem gleichen Herstellungslos zusammen zu setzen. Es ist ebenso wichtig, dass alle Zellen im gleichen Alter und somit in gleich Verschleißzustand sind.
In der Praxis bedeutet dies, dass es auf keinen Fall ratsam ist, eine einmal zusammengestellte Kette von elektrochemischen Energiespeicherzellen durch fremde Zellen zu ergänzen, oder sonst in irgend einer Weise zu verändern, da sonst die Zuverlässigkeit der Batterie nicht mehr garantiert werden kann.
Auch ist die Länge der Kette unveränderlich, da sonst ihre Ausgangsspannung nicht mehr zu der Eingangsspannung des Verbrauchers passt.
Des weiteren existieren spezielle Batterie-Management-Systeme, welche die übriggebliebenen Unterschiede der Zellen in der betreffenden Kette bezüglich ihrer Spannungen beim Laden und Entladen ausgleichen sollen. Dies soll die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit einer Zellenkette verbessern. Jedoch wird mit zunehmender Länge der Kette ihre elektrotechnische Empfindlichkeit immer größer, womit sich auch der technische Aufwand, eine solche Kette im Gleichgewicht zu halten, ebenfalls immer größer und schwieriger wird.
Die oben beschriebenen Gegebenheiten haben im Laufe der Zeit dazu geführt, dass selbstverständlich davon ausgegangen wird, dass leistungsstarke Batterien, z. B. solche für Elektrofahrzeuge, fest in dem zu betreibenden Gerät eingebaut sind. Ein Austauschen der Batterie ist, wenn überhaupt, nur als Ganzes und mit Hilfe aufwendiger Maschinen denkbar. Da dies sehr teuer und aufwendig ist, fristen die bisher verfügbaren Wechselsysteme für leistungsstarke Batterien eher ein Nischendasein. Besonders, wenn es um die Versorgung verschiedenartiger Geräte bzw. Fahrzeuge geht, stößt man hier an elektrotechnische und logistische Grenzen, die mit der bekannten Art Batterien aus einer Vielzahl von Zellen zu bilden nicht zu überwinden sind.
Dynamische Batteriewechselsysteme, bei denen Energiezellen immer wieder neu zu verschiedenen Batterien kombiniert werden, wobei ein und die selbe Energiezelle im Laufe der Zeit zur Bildung einer Vielzahl unterschiedlicher Batterien mitwirkt, sind nach dem derzeitigen Stand der Technik schlicht undenkbar.
Aufgabe der Erfindung
Ist es, eine alternative elektrotechnische Organisation der Energiezellen untereinander zur Bildung einer Batterie nebst einem passenden Energie-Management-System zu finden, welche die oben beschriebenen Probleme mit Batterien beseitigt und statt dessen eine weitgehend freie Kombinierbarkeit und Integrierbarkeit verschiedener Zellen in einer Batterie ermöglicht, und damit die Voraussetzungen für dynamisch variable Batteriewechselsysteme schafft.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß werden die Energiezellen zur Bildung einer Batterie nicht mehr untereinander leitungsführend verbunden und in Reihe geschaltet, sondern einzeln oder gruppenweise, und vorzugsweise in Form einer Parallelschaltung, mit einem Energie-Managementsystem verbunden. Diese parallelen Verbindungen transportieren den Hauptteil der Leistung, welche die Zellen über das Energie-Management an den Verbraucher abgeben.
Anders als ein herkömmliches Batterie-Management-System, hat hier das Energie-Management-System nicht mehr nur eine korrigierende Aufgabe, sondern es sorgt maßgeblich für die Zusammenführung der Leistung der Zellen, so wie für die Transformierung der Ausgangsspannungen der einzelnen Zellen bzw. Zellengruppen zu einer Gesamtspannung, die für den elektrischen Eingang des Antriebes bzw. dessen Steuerung geeignet ist.
Vorteile der Erfindung
Durch die Tatsache, dass die einzelnen Energiezellen bzw. Energiezellengruppen bei der Bildung einer Batterie nicht mehr untereinander elektrisch und leistungsführend verbunden werden, sind Beeinflussungen der Zellen bzw. Zellengruppen untereinander unmöglich. Dadurch verschwinden alle Probleme, welche mit der Bildung von langen Zellenketten zusammenhängen, z. B. die Empfindlichkeit der Kette gegenüber einzelnen schlechteren oder andersartigen Zellen. Fällt eine Zelle aus, weil sie beispielsweise entladen ist, führt dies nicht mehr zum Ausfall der ganzen Kette, weil es keine Kette mehr gibt, und die Batterie kann ihre Aufgabe mit den verbliebenen Zellen weiter bestreiten. Dies hat den Vorteil das die Zuverlässigkeit großer Batterien nun viel leichter zu garantieren ist.
Da die Ausgangsspannung der einzelnen Energiezellen von dem Batterie-Management-System auf die für den Verbraucher passende Höhe transformiert wird, ist die elektrochemische Bauart der einzelnen Zelle, ihre Ausgangsspannung und Kapazität, ihrer Größe und ihr Gewicht für die Funktion der gesamten Batterie prinzipiell irrelevant, solange die Zelle einen energetischen Beitrag leistet.
Tut sie dies nicht mehr, kann sie automatisch aus dem Gefüge der Batterie entfernt werden, ohne dass dabei benachbarte Zellen negativ beeinflusst werden. Dies bedeutet auch, dass Batterien aus ganz unterschiedlichen Zellen zusammengesetzt werden können.
Für die Funktion der Batterie sind also keine gleichartigen Zellen mehr notwendig. Dies hat den Vorteil, dass großtechnische Batteriewechselsysteme möglich werden, bei denen ein Kontingent von Energiezellen zu unterschiedlichen Batterien immer wieder neu kombiniert werden, wobei ein und dieselbe Zelle im Laufe der Zeit an der Bildung von mehreren unterschiedlichen Batterien beteiligt sein kann. Zufällige Altersunterschiede der Zellen, wie sie unweigerlich in besagten großtechnischen Batteriewechselsystemen entstehen, stellen mit der Erfindung kein Problem mehr dar. Zu dem ist es möglich neue und weiterentwickelte elektrochemische Speichersysteme in das laufende Batteriewechselsystem zu integrieren, ohne dass an dem Wechselsystem noch an den am Wechselsystem beteiligten Geräten Änderungen vorgenommen werden müssen.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird im Folgenden an beispielhaften Ausführungsformen beschrieben unter Bezugnahme auf die Zeichen in den Figuren.
1 zeigt als Stand der Technik einen Verbraucher mit einer Batterie, welche aus in Reihe geschalteten Zellen besteht,
2 zeigt einen Verbraucher mit einer Batterie, bestehend aus Zellen mit erfindungsgemäßen Verbindungen zu einem Energie-Management-System (EMS),
3 zeigt einen Verbraucher mit einer Batterie und einem erfindungsgemäßen EMS mit einstufiger Spannungshochsetzung und Leistungszusammenfassung,
4 zeigt einen Antrieb mit einer Batterie und ein EMS mit zweistufiger Spannungshochsetzung und einstufiger Leistungszusammenfassung,
5 zeigt schematisch eine beispielhafte Schaltungsnetz eines erfindungsgemäßen EMS, in welchem Spannungshochsetzung und Leistungszusammenfassung gemeinsam integriert sind,
In der Batterie 2 sind die Zellen 1 nicht direkt energetisch miteinander verbunden (siehe 2). Sie sind stattdessen einzeln oder in Gruppen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 (EMS) verbunden, welche die Leistung die einzelnen Zellen 1 oder der Zellengruppen zum Ausgang dieser Vorrichtung 5 zusammenführt und dabei die Spannung der Zellen oder der Zellengruppen an die geforderte Spannung für die Versorgung des Verbrauchers 3 anpasst. Sie bestimmt, aus welchen Zellen 1 Energie entnommen wird und regelt die Leistungsentnahme jeder einzelnen Zelle oder Zellengruppe. Es ist ggf. eine Glättung der Spannung und ein Energiezwischenspeicher vorgesehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 ist eine Instanz, welche die Batterie 2 als Ganzes organisiert. Die besagte Vorrichtung wird im Folgenden genauer beschrieben und dabei Energie-Management-System kurz EMS genannt.
Das EMS kann folgende 5 Funktionen, mindestens jedoch die Funktionen 1 und 2 enthalten:

1 Anpassung der einzelnen Zellen- oder Zellengruppenausgangsspannung an die Eingangsspannung des Verbrauchers bzw. dessen Steuerung
2 Zusammenfassung der Leistung der Zellen 1
3 Zwischenspeichern von Energie
4 Organisation der Zellen 1
5 Glättung der Spannung

Zu 1
Da die Ausgangsspannung der bekannten elektrochemischen Primärzellen (4) meist geringer ist als die Spannung, welche für den Betrieb von mobiler Technik gefordert ist, muss diese angepasst, vorzugsweise erhöht, werden. Es ist vorgesehen, dafür elektrische Maschinen z. B. Transformatoren, elektrische Schaltungen oder elektronische Schaltungen z. B. DC-DC-Wandler oder Schaltungen nach dem Kaskadenprinzip, welche prinzipiell mit Induktivitäten oder Kapazitäten arbeiten, zu verwenden. Voraussetzend, dass vorgesehen ist, dass alle bekannten spannungsverändernden Vorrichtungen in dem EMS eingesetzt werden können, wird in der weiteren Beschreibung vorzugsweise von einer Hochspannungskaskade bzw. Ladungspumpe als spannungsverändernde Schaltung 7 (kurz SV ausgegangen (siehe 3 und 4).
Die 3 zeigt beispielhaft eine einstufige Hochsetzung. Dabei ist jeder Zelle 1 oder Zellengruppe eine eigene SVS 7 zugeordnet. Jede SVS 7 vollführt die ganze Hochsetzung bis zur geforderten Eingangsspannung für den Verbraucher 3 bzw. dessen Steuerung. Danach werden die Leistungen der Ausgänge der SVS zusammengefasst und die Gesamtleistung wird größtenteils zum Verbraucher geführt.
Aus Kosten- und Effizienzgründen ist jedoch auch eine mehrstufige Hochsetzung vorgesehen. 4 zeigt eine zweistufige Variante. Die den Zellen 1 oder Zellengruppen zugeordneten SVS 7 der ersten Stufe vollführen einen Teil der Hochsetzung, z. B. um die unterschiedlichen Ausgangsspannungen der Zellen untereinander anzugleichen. Dies ist z. B. dann sinnvoll, wenn man sich bei einem öffentlichen Batteriewechselsystem auf einen speziellen Zellentyp einigen sollte und nur relativ geringe Spannungsunterschiede z. B. auf Grund des unterschiedlichen Alters der Zellen 1 ausgeglichen werden sollen. So ist neben einer beträchtlichen Hochsetzung mit mehreren Kaskaden in den SVS 7 in der ersten Stufe auch eine geringe Hochsetzung oder nur eine Angleichung der Spannungen der Zellen 1 oder Zellengruppen vorgesehen. Diese Angleichung kann mit einer einstufigen Kaskade oder sogar nur mit einer einzelnen Kapazität in der SVS 7 stattfinden, in welcher besagte Kapazitäten von Zellen höherer Spannung kürzer geladen werden und von Zellen geringerer Spannung länger geladen werden, so dass alle besagten Kapazitäten im Wesentlichen den gleichen Ladungszustand aufweisen, wenn diese ihre Ladung an die Leistungszusammenfassung 6 abgeben. Die Ladungszeiten der besagten Kapazitäten wird z. B. mit Computer gesteuerten aktiven Schaltelementen z. B. Tyristoren bewerkstelligt. Dabei wird die elektrische Energie vorzugsweise pulsierend in Stößen bzw. in Portionen durch die leistungsführenden Leitungen geschickt. Ein vorzugsweise digitales und übergeordnetes Steuergerät berechnet im Wesendlichen für jedes aktive Schaltelement (10 5) den passenden Schaltzeitpunkt und die passende Schaltdauer.
Nach der Leistungszusammenfassung 6 wird der Rest der Hochsetzung z. B. bis zur geforderten Eingangsspannung eines Verbrauchers von einer SVS höherer Leistung 8 vollführt.
Eine mehrstufige Spannungshochsetzung kann mit einer mehrstufigen Leistungszusammenfassung verbunden werden, wobei sich vorzugsweise Spannungshochsetzungs- und Leistungszusammenfassungsstufen abwechseln. Im Extremfall entsteht hierdurch eine Art 2-dimensionales Schaltungsnetz aus SVS und Leistungszusammenfassungen. 5 stellt beispielhaft und schematisch eine mögliche Funktionsweise eines solchen Schaltungsnetzes dar. Dabei wird die Spannung und die Leistung der Zellen in jeweils 3 Stufen hochgesetzt und zusammengefasst. Die Schaltzeichen 9 in 5 stellen eine Kapazität oder einen Energiespeicher beliebiger Form dar. Die Schaltzeichen 10 in 5 stellen eine beliebige Form von Schaltelement z. B. auf Halbleiterbasis dar, welche durch eine weitere nicht dargestellte Schaltung bzw. Steuerelement, vorzugsweise periodisch angesteuert wird.
In dem hier dargestellten Spezialfall besteht jede SVS, die einer Zelle zugeordnet ist, nur aus einer Kapazität (C1.1 bis C1.8) und zwei Schaltelementen (SP1.1 bis SP1.16). Durch nicht dargestellte elektronische Bauteile wird die Spannung der einzelnen Zellen 1–8 erfasst. Die Schaltelemente SP1.1–1.16 werden geschlossen und die Kapazitäten C1.1–1.8 werden geladen, wobei die Kapazitäten von Zellen mit geringerer Spannung langer geladen werden als die der Zellen mit höherer Spannung. In der Praxis wird dies beispielsweise durch unterschiedliche Ansteuerungsfrequenzen der Schaltelemente erreicht. So wird erreicht, dass die Kapazitäten C1.1–1.8 in zumindest ähnlichem Maße geladen werden. Allgemein kann es sinnvoll sein, die Kapazitäten gruppenweise in der Spannung anzugleichen, hier z. B. Pärchenweise: C1.1 und C1.2 u. s. w. Nach dem Laden der Kapazitäten C1.1–1.8 werden die Schaltelemente SP1.1–1.16 geöffnet und die Schaltelemente SR1.1–1.4 geschlossen. Dadurch werden die Kapazitäten C1.1–1.8 allgemein in Gruppen und in diesem Spezialfall Pärchenweise in Reihe geschaltet. Die in Reihe geschalteten Kapazitätengruppen der ersten Stufe laden durch Schließen von SP2.1–2.8 die Kapazitäten der zweiten Stufe nämlich C2.1–2.4. SR2.1 und SR2.2 sowie SP3.1–3.4 sind dabei geöffnet. Nach dem Laden der C2-Kapazitäten werden diese gruppenweise in Reihe geschaltet und laden die Kapazitäten der nächst höheren Stufe u. s. w. Durch die jeweilige periodische Reihenschaltung der Kapazitäten werden stufenweise die Spannungen vervielfacht und gleichzeitig die Leistungen zusammengefasst. Die in 5 dargestellte grundsätzliche Struktur aus stufenweiser Spannungshochsetzung und stufenweiser Leistungszusammenfassung hat also eine Vielzahl von Leistungseingängen, gespeist durch die Energiezellen, und nur wenige, vorzugsweise einen, Leistungsausgang in Richtung des Verbrauchers der mobilen Technik. Die einzelnen Leistungen und Spannungen der Schaltungen innerhalb dieses Schaltungsnetzes sind bestimmt durch die Größe der Kapazitäten 9 und der Schaltfrequenz der Schaltelemente 10.
Zu 2
Für die Zusammenfassung der Leistung der Zellen werden im Folgenden drei Methoden vorgeschlagen (siehe 3 und 4). Eine Leistungszusammenfassung 6 kann jedoch an jeder Stelle der EMS 5 erfolgen:

– Parallelschaltung von Leistungsausgängen von im wesendlichen gleicher Spannung
– periodisch abwechselnde Versorgung eines Leistungseinganges durch mehrere Leistungsgeber
– Leistungszusammenfassung innerhalb eines hochintegrierten Schaltungsnetzes, Letztgenannte Methode ist unter „zu 1” bereits beschrieben worden.

Nach der einstufigen Spannungshochsetzung, dargestellt in 3, werden die einzelnen Leistungen der SVS 7 zusammengefasst, um die Gesamtleistung für den Verbraucher 3 nutzen zu können. Wenn es gelingt, die Spannungen der einzelnen SVS Ausgänge 12 auf ein relativ genau eingehaltenes gemeinsames Niveau einzustellen, ist hier eine Parallelschaltung einiger oder aller SVS 7 vorgesehen, um die Stromstärken aller SVS und somit ihre Leistung auf eine gemeinsame Leitung 13 zu legen.
Um jedoch vollständig eine gegenseitige Beeinflussung der Zellen 1 zu vermeiden, ist es vorgesehen die einzelnen SVS 7 oder SVS-Gruppen nicht gemeinsam, sondern einzeln zeitlich begrenzt, und zeitlich versetzt nacheinander mit der Ausgangsleitung 13 zu verbinden. Das bedeutet in dem in 3 dargestellten Spezialfall, dass je nach Zeitpunkt immer nur eine der 8 SVS mit der Ausgangsleitung 13 verbunden ist. In einem Zeitraum von z. B. einer Sekunde ist also hier jede SVS 7 nur ca. eine achtel Sekunde mit der Ausgangsleitung 13 verbunden. Die restlichen siebenachtel Sekunden haben die SVS 7 Zeit, um sich neu aufzuladen. Jeweils abwechselnd liefert also eine SVS oder SVS-Gruppe für eine begrenzte Zeit die Gesamtleistung für den Verbraucher 3. Bei einer großen Anzahl von Zellen mit zugehörigen SVS kann es sinnvoll sein, in den SVS oder an ihren Ausgängen zusätzliche Energiespeicher vorzusehen, welche mit Energie geladen werden während die SVS vom Verbraucher getrennt sind. Diese Energie wird dann in dem kurzen Moment, in welchem die SVS mit dem Verbraucher verbunden sind, an diesen abgegeben.
Diese Funktionsweise ist vergleichbar mit der eines Blitzgerätes von Fotoapparaten. Die kleinen Batterien im Blitzgerät sind für sich nicht in der Lage die Leistung, welche die Blitzlampe benötigt, zu liefern. Um dies trotzdem kurzzeitig zu ermöglichen, wird die vergleichsweise geringe Ausgangsspannung der Batterien durch eine SVS hochgesetzt. Am Ausgang dieser SVS ist ein Kondensator angeschlossen, welcher über vergleichsweise langer Zeit mit besagter hoher Spannung und geringer Stromstärke geladen wird. Ist der Kondensator voll geladen, kann er mit der Blitzlampe verbunden werden. Dabei gibt er für kurze Zeit einen hohen Strom bei hoher Spannung ab, was einer hohen Leistung entspricht. Die oben beschriebene Vorrichtung wird im Folgenden „Blitzlichtschaltung” genannt.
Im dem EMS ist eine Mehrzahl der oben beschriebenen Blitzlichtschaltung vorgesehen. Sie werden einzeln von einzelnen Zellen oder Zellengruppen geladen und geben vorzugsweise einzeln und kurz nacheinander ihre Ladung an eine gemeinsame Leistungsaufnahme bzw. Leitung des EMS ab. Der Zeitpunkt und der zeitliche Abstand der Leistungsabgabe der besagten Blitzlichtschaltungen wird durch ein übergeordnetes Steuerelement koordiniert und ist vorzugsweise so bemessen, dass, wenn die letzte Blitzlichtschaltung ihre Ladung abgegeben hat, die erste schon wieder voll geladen ist und sofort wieder einen Energiestoß abgeben kann, wobei dann wieder die nächste Blitzlichtschaltung folgt und so weiter. So ergibt sich eine stetige Folge von Energiestößen, welche in ihrer Gesamtheit eine zusammengefasste Leistung ergeben, die an den Verbraucher weitergeleitet wird. Das hier beschriebene Prinzip der Leistungszusammenfassung wird im Folgenden und im Anspruch „Prinzip der pulsierenden Reihenfolge” genannt werden.
Zu 3
Um eine Orientierung zu schaffen wie die Batterie als Ganzes organisiert werden soll, macht das EMS 5 mit Hilfe einer nicht dargestellten Schaltung eine Bestandsaufnahme der in der Batterie befindlichen Zellen 1. Dabei wird Größe, Spannung, Kapazität und Art der Zelle erfasst. Diese Erfassung geschieht entweder durch Messungen seitens des EMS 5 oder durch Meldungen, welche die Zellen an das EMS 5 abgeben. Für die Methode der Übermittlung stellt der Stand der Technik ein reiches Repartoire zur Verfügung, als da beispielsweise sind: Übermittlung per Funk, Einlesen eines Strichcodes auf den Zellen beim Eintritt in das Gerät, spezielle Vertiefungen oder Erhöhungen im Zellengehäuse, welche von Mikroschaltern im Gerät abgetastet werden ... u. s. w. Vorzugsweise wird jedoch vor allem die Spannung der Zellen gemessen.
Nach der Bestandsaufnahme wird von dem EMS 5 entschieden, wie die Zellen 1 verschaltet werden. Vorzugsweise werden alle Zellen 1 einzeln parallel mit einer SVS 7 verbunden. Es ist jedoch auch vorgesehen Gruppen von Zellen, welche z. B. bei der Messung die gleiche Spannung zeigten, in Reihe zu schalten. Von solch einer Gruppe kann eine höhere Spannung abgenommen werden als von einer einzelnen Zelle, dadurch kann man einige Kaskaden in der betreffenden SVS sparen. Und in einem 2-dimensionalen Schaltungsnetz kann eine solche Gruppe in bereits höheren Stufen der Spannungshochsetzung und Leistungszusammenführung einsteigen. Diese Maßnahme kann die Effizienz des Systems verbessern, weil die Energie durch weniger Bauteile geleitet werde muss, bevor sie beim Verbraucher ankommt. Ggf. ist auch eine Reihenschaltung der SVS 7 innerhalb der EMS 5 vorgesehen.
Je nach Größe der gesamten Batterie und je nach maximaler und aktueller Leistungsaufnahme des Verbrauchers und der Leistungsfähigkeit der einzelnen Zellen, ist es vorgesehen, nur einen Teil der Zellen der Batterie 2 für die aktuelle Energieentnahme zu verwenden. Dies führt dazu, dass eine geringere Anzahl von SVS 7 im zu betreibenden Gerät aktiv ist, was die Effizienz des Systems verbessert. Bei technischen Geräten mit besonders großer Batterie 2 kann dies auch bedeuten, dass mehr Zellen 1 in der Batterie vorhanden sind, als SVS 7 im Gerät bzw. des EMS zur Verfügung stehen. Auch hier wird von dem EMS 5 entschieden wie viele Zellen 1 und in welcher Reihenfolge diese entladen werden.
Das EMS 5 geht auch auf die Leistungsfähigkeit der einzelnen Zelle ein. Angenommen die SVS 7 des EMS 5 sind nach dem Prinzip der Ladungspumpe gestaltet und an ihren Ausgängen einzeln mit Hochspannungskondensatoren bestückt, welche, wie oben beschrieben, ihre Ladung in einzelnen Energiestößen abgeben (Blitzlichtschaltung), so kann auf eine schwache oder schon stark entladene Zelle wie folgt eingegangen werden: Die besagte Zelle hat eine geringere Spannung und oft auch einen größeren inneren Widerstand und kann somit nicht so große Ströme erzeugen ohne zu überhitzen. Um die geringere Zellenspannung stärker hoch zu setzten, werden zusätzliche Kaskaden in der SVS hinzugeschaltet. Um die von der SVS aus der Zelle entnommenen Ströme zu verringern, wird die Schaltfrequenz der Hochspannungskaskade herabgesetzt und dadurch auch der am Ausgang der SVS befindliche Hochspannungskondensator langsamer geladen, jedoch auch bis seine geforderte Spannung erreicht ist. Und dieser wird mit der gleichen Leistung wie die Kondensatoren der starken Zellen entladen jedoch in größeren Zeitabständen, als das bei den Kondensatoren der staken Zellen der Fall ist. Umgekehrt ist dieser Vorgang natürlich auch vorgesehen, wenn besonders starke Zellen mit hoher Spannung und Leistung vom EMS entdeckt werden. Je nach Auslegung der SVS und der Breite der vorgesehenen Frequenzmodulation können auf sehr große Unterschiede in Bezug auf die Spannung und Leistung der Zellen eingegangen werden und zu dem präzise auf die betreffende Zelle eingestellt werden. Diese Einstellung erfolgt durch das EMS automatisch. In der Praxis bedeutet dies, dass das Prinzip der pulsierenden Reihenfolge variiert wird: Starke Zellen geben häufiger Energiestöße ab, schwache Zellen seltener. Hier zu ist es vorgesehen, dass mit Hilfe spezieller Programme und Algorithmen, das übergeordnete Steuerelement die zeitliche Abfolge der Energiestöße der einzelnen Blitzlichtschaltungen neu berechnet bzw. die rhythmische Verkettung der Blitzlichtschaltungen neu festlegt.
Ist eine Zelle 1 vollständig entladen oder ihre Leistung zu gering geworden, wird diese abgeschaltet. Die freigewordene SVS 7 wird dann mit einer leistungsfähigeren Zelle verbunden.
Das oben beschriebene Vorgehen führt dazu, dass Phänomene, welche bisher die Funktion der gesamten Batterie 2 gefährdeten, nicht mehr von Belang sind. Die Sorte der Zelle, ob Lithium oder Nickel-Cadmium, ihr Alter, ihre Spannung, ihr Ladezustand oder ihre Kapazität, sind für die Funktion der Batterie irrelevant, und es können alle Arten und Sorten von Zellen beliebig in einer Batterie gemischt werden. Dabei ist es prinzipiell auch egal ob die Unterschiede der einzelnen Zellen nun groß oder klein sind. Natürlich bleibt es weiter sinnvoll eine Anzahl sehr ähnlicher Zellen in einer Batterie vorzusehen, um den Energieinhalt leichter berechnen zu können. Es ist aber nicht mehr unbedingt notwendig. Und wenn in der Praxis durch das ständige Wechseln und Neukombinieren von Zellen zu Batterien in Wechselstationen einzelne Zellen schlecht werden, bevor diese entdeckt werden, führt dies nicht mehr zu technischen Ausfällen. Auf diese Weise ist es erheblich einfacher, ja genaugenommen erst möglich, ein flexibles und vor allem zuverlässiges öffentliches Batteriewechselsystem zu schaffen, das wie ein Pfandflaschensystem funktioniert.
Zu 4
Moderne Wechselrichter, wie sie in elektrischen Antrieben verwendet werden, bevorzugen eine möglichst glatte Gleichspannung. Für die oben beschriebene Art der Umwandlung der Energie ist es jedoch meist notwendig zu schalten. Tatsächlich produzieren z. B. Ladungspumpen eine pulsierende Gleichspannung. Auch sonstiges Schalten führt zu Induktionen, Spannungsspitzen und Schwingungen, die oft unerwünscht sind. Um dies möglichst weitgehend einzudämmen, sind in dem EMS zusätzliche Induktivitäten, Kapazitäten und eine Intelligente Frequenzmodulation vorgesehen, welche die Ausgangsspannung glätten.
Zu 5
Es ist vorgesehen, vor allem bei elektrisch betrieben Fahrzeugen, die Batterie 2 in ein und dem selben Fahrzeug in der Größe zu verändern, um sie den wechselnden Anforderungen des alltäglichen Lebens zeitnah anzupassen. So ist es vorgesehen eine vergleichsweise kleine Batterie an die tägliche Reichweite anzupassen. Für gelegentliche Reisen ist dann eine sehr viel größere Batterie 2 vorgesehen. Die Größe der Batterie 2 wird durch die Anzahl der Zellen bestimmt.
Durch die Spannungshochsetzung in der EMS ist die Betriebsspannung gleichbleibend, egal, wie die Batterie 2 in ihrer Größe verändert wird. Für den Fall jedoch, dass eine kleine Batterie 2 mit ihren wenigen Zellen nicht die Leistungsfähigkeit besitzt, um die maximale Stromaufnahme des Antriebes, z. B. beim Beschleunigen, zu liefern, ist ein Energiezwischenspeicher vor, nach oder in der EMS vorgesehen, welcher die sowieso in der EMS vorhandenen Kapazitäten ergänzt, so dass im täglichen Betrieb z. B. im Stadtverkehr der Batterie nur eine durchschnittliche Belastung zugemutet wird und trotzdem wenigstens kurzzeitig die volle Leistung des Antriebes zur Verfügung steht. Dies hilft unter anderem auch ein unnötiges Aufheizen der Batterie bei Entladung einzudämmen. Es ist auch vorgesehen, dass dieser Zwischenspeicher die Bremsenergie aus der Rekuperation aufnimmt.
Bezugszeichenliste

1: Speicherzelle bestehend aus einer oder mehrer elektrochemischer oder elektrophysikalischer Primärzellen 4
2: Batterie
3: Verbraucher
4: Primärzelle
5: Energie-Management-System (EMS)
6: Leistungszusammenfassung
7: spannungsverändernde Schaltung (SVS)
8: spannungsverändernde Schaltung hoher Leistung (SVS)
9: Schaltzeichen für Kapazität
10: Schaltzeichen für aktives Schaltelement, das von einer übergeordneten Steuereinrichtung angesteuert wird.
11: Leistungsausgang des zweidimensionalen Schaltungsnetzes
12: Ausgang einer SVS
13: Ausgang der Leistungszusammenfassung

Claims

Energie-Management-System (5), welches mit mindestens einer Batterie (2) und mindestens einem Energieverbraucher (3) elektrisch verbindbar ist, wobei die Batterie (2) aus einer Mehrzahl von Speicherzellen (1) für elektrische Energie besteht und wobei der Energieverbraucher (3) im wesendlichen durch das Energie-Management-System (5) mit Verbrauchsenergie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Energie-Management-System (5) mit mehreren Speicherzellen (1) für elektrische Energie oder mit mehreren Gruppen besagter Speicherzellen der Gestalt einzeln elektrisch verbindbar ist, dass mehrere Speicherzellen bzw. mehrere Gruppen von Speicherzellen gemeinsam die Verbrauchsenergie für den Energieverbraucher (3) mindestens teilweise bereitstellen.
Energie-Management-System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Energie-Management-System Vorrichtungen enthält, welche die von mehrerer Speicherzellen bzw. mehrere Gruppen von Speicherzellen abgegebenen Energieleistungen auf eine oder mehrere elektrische Leitungen zusammenführen, sodass diese gemeinsam den Verbraucher mindestens teilweise mit Verbrauchsenergie versorgen.
Energie-Management-System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Energie-Management-System Vorrichtungen enthält, welche einen Energieaustausch zwischen einzelnen Speicherzellen bzw. einzelnen Speicherzellengruppen im wesendlichen unterbinden.
Energie-Management-System nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen, welche die Energieleistungen mehrerer Speicherzellen bzw. mehrere Gruppen von Speicherzellen zusammenfügt, aus einer oder mehrerer elektrischer Schaltungen besteht, welche die Energieleistungen mehrerer Speicherzellen bzw. mehrere Gruppen von Speicherzellen zeitlich versetzt mit einer oder mehrerer gemeinsamer Leitungen verbindet bzw. trennt, so dass die Energieleistungen mehrerer Speicherzellen bzw. mehrere Gruppen von Speicherzellen zeitlich versetzt an eine gemeinsame Leitung abgegeben werden.
Energie-Management-System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Energie-Management-System spannungsverändernde elektrische Schaltungen, insbesondere pulsierend verschaltete Kapazitäten oder Induktivitäten, insbesondere Ladungspumpen oder DC-DC-Wandler enthält, welche die Ausgangsspannungen der Speicherzellen bzw. der Speicherzellengruppen verändern, insbesondere erhöhen, insbesondere aneinander angleichen.
Energie-Management-System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Energie-Management-System spannungsverändernde elektrische Schaltungen, insbesondere pulsierend verschaltete Kapazitäten oder Induktivitäten, insbesondere Ladungspumpen oder DC-DC-Wandler enthält, welche die Ausgangsspannungen der Speicherzellen bzw. der Speicherzellengruppen dergestalt verändern, dass diese als Eingangsspannung für den Verbraucher geeignet sind.
Energie-Management-System nach einem oder mehrerer vorangehender Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen, welche die Energieleistungen mehrerer Speicherzellen bzw. mehrere Gruppen von Speicherzellen zusammenfügt, und die spannungsverändernden Schaltungen dergestalt miteinander verschaltet sind, dass sich ein Schaltungsnetz ergibt, in welchem die Energieleistungszusammenführung und Spannungsveränderung die Speicherzellen bzw. Speicherzellengruppen gemeinsam stattfinden.
Verfahren für ein Energie-Management-System nach einem oder mehrerer vorangehender Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Energie-Management-System eine Bestandsaufnahme der Speicherzellen bzw. Speicherzellengruppen und ihrer Leistungsfähigkeit vornimmt und, unter Berücksichtigung der Anforderungen vom Verbraucher (3), entscheidet, welche Speicherzellen bzw. Speicherzellengruppen der Batterie (2) aktuell an der Entladung teilnehmen, und welche Leistung der einzelnen Speicherzelle oder Speicherzellengruppe abverlangt wird.
Energie-Management-System nach einem oder mehrerer vorangehender Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Energie-Management-System Vorrichtungen zur Glättung der Spannungen enthält, wie beispielsweise kurzfristige Zwischenspeicher insbesondere Induktivitäten oder Kapazitäten, oder eine intelligente Frequenzmodulation der aktiven Schaltelemente im Energie-Management-System.
Verfahren für ein Energie-Management-System, welches elektrische Energie aus einer Batterie aufnimmt, die aus einer Mehrzahl von Speicherzellen für elektrischen Energie und/oder aus einer Mehrzahl von Gruppen von solchen Speicherzellen besteht, wobei die aufgenommene Energie im Wesentlichen das Energie-Management-System passiert und an einen Verbraucher weitergeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen für elektrische Energie und/oder die Gruppen solcher Speicherzellen ihre Energie separat an das Energie-Management-System abgeben.