DE102015222750A1

DE102015222750A1 - Mehrspeichersystem und Verfahren zum Betrieb eines Mehrspeichersystems

Info

Publication number: DE102015222750A1
Application number: DE102015222750.2A
Authority: DE
Inventors: Pablo Fritzsche; Hajo Meinert; Vincent Molina; Andre Schmitz; Frank Bauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2017-05-18
Also published as: US10814739B2; CN108136928B; CN108136928A; US20180264968A1; WO2017085051A1

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit zum Betrieb eines Mehrspeichersystems für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Mehrspeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
Ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb umfasst typischerweise ein oder mehrere elektrische Speichermodule zur Speicherung von elektrischer Energie für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine. Dabei wird zum Antrieb des Fahrzeugs elektrische Energie aus den ein oder mehreren elektrischen Speichermodulen entnommen. Desweiteren wird in Verzögerungsphasen des Fahrzeugs typischerweise elektrische Energie zum Aufladen der ein oder mehreren elektrischen Speichermodule rekuperiert.
Die Speichermodule des Fahrzeugs sollten zum einen ausreichend geladen sein, um ein zuverlässiges Fahren zu ermöglichen. Andererseits sollte zumindest eines der Speichermodule in Rekuperationsphasen ausreichend freie Kapazität aufweisen, um die rekuperierte elektrische Energie aufzunehmen, und um so ein möglichst effizientes Fahren zu ermöglichen. Somit sind die Ladezustände der Speichermodule eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs kontinuierlich zu überwachen und ggf. anzupassen.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein möglichst effizientes und zuverlässiges elektrisches Speichersystem mit einer Vielzahl von elektrischen Speichermodulen sowie eine möglichst effiziente und zuverlässige Steuerung bzw. Regelung eines solchen Mehrspeichersystems bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Speichersystems für ein Fahrzeug (insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wie z.B. ein Personenkraftwagen, ein Nutzfahrzeug, ein Lastkraftwagen, ein Bus, ein Motorrad, etc.) beschrieben. Das Speichersystem umfasst ein erstes Speichermodul und ein zweites Speichermodul zur Bereitstellung von elektrischer Energie an bzw. zur Aufnahme von elektrischer Energie von einem Verteilungsnetz. Das Verteilungsnetz ist dabei mit einer elektrischen Maschine des Fahrzeugs gekoppelt. Durch die elektrische Maschine kann das Fahrzeug angetrieben bzw. beschleunigt werden. Andererseits kann die elektrische Maschine in einer Verzögerungsphase des Fahrzeugs als Generator betrieben werden, um elektrische Energie zu rekuperieren. In dem Verteilungsnetz kann somit von der elektrischen Maschine elektrische Leistung angefordert werden (zum Antrieb der elektrischen Maschine). Andererseits kann durch die elektrische Maschine im Verteilungsnetz elektrische Leistung bereitgestellt werden (in einer Rekuperationsphase).
Das erste Speichermodul ist über einen Gleichspannungswandler (in diesem Dokument auch als DC/DC-Wandler bezeichnet) mit dem Verteilungsnetz gekoppelt. Andererseits kann das zweite Speichermodul direkt (ohne Verwendung eines Gleichspannungswandlers) mit dem Verteilernetz gekoppelt sein. Durch eine geeignete Steuerung bzw. Regelung des Gleichspannungswandlers kann eine Aufteilung der Entladeleistung (in einer Antriebsphase) bzw. der Ladeleistung (in einer Verzögerungsphase) des Verteilernetzes auf das erste Speichermodul und auf das zweite Speichermodul erfolgen. Dabei ermöglicht das in diesem Dokument beschriebene Verfahren eine robuste Aufteilung der Lade- bzw. Entladeleistung, auch ohne Verwendung eines dedizierten Gleichspannungswandlers für das zweite Speichermodul.
Das erste Speichermodul und das zweite Speichermodul können einen Leistungsspeicher und einen Energiespeicher umfassen. Dabei weist der Leistungsspeicher gegenüber dem Energiespeicher eine höhere maximal mögliche Ladeleistung und/oder Entladeleistung auf. Ein Beispiel für einen Leistungsspeicher ist ein Kondensator (insbesondere ein sogenannter Super Cap). Alternativ oder ergänzend kann eine auf Leistung ausgelegte Li-Ionen Speicherzelle als Leistungsspeicher verwendet werden. Der Energiespeicher weist gegenüber dem Leistungsspeicher eine höhere Energiedichte und eine höhere Speicherkapazität auf. Ein Beispiel für einen Energiespeicher ist eine Li-Ionen-basierte Speicherzelle bzw. ein Speichermodul mit einer Vielzahl solcher Speicherzellen. Somit können in dem Speichersystem unterschiedliche Typen von Speichermodulen verwendet werden, um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen. Insbesondere können durch die Verwendung eines Leistungsspeichers spezifische Anforderungen in Bezug auf das Beschleunigungs- und/oder das Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs erfüllt werden. Andererseits können durch den Energiespeicher Anforderungen an die Reichweite des Fahrzeugs erfüllt werden.
Vorzugsweise umfasst das erste Speichermodul den Energiespeicher und das zweite Speichermodul den Leistungsspeicher. So kann bewirkt werden, dass die maximal mögliche Lade-/Entladeleistung des Leistungsspeichers in Bezug auf das Verteilungsnetz nicht durch Eigenschaften, insbesondere Leistungsgrenzen, des Gleichspannungswandlers begrenzt wird. Es können somit das Beschleunigungs- und/oder das Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs verbessert werden. Andererseits kann das erste Speichermodul den Leistungsspeicher und das zweite Speichermodul den Energiespeicher umfassen. Dies kann vorteilhaft in Bezug auf die Energieeffizienz des Fahrzeugs sein, da aufgrund der relativ niedrigen Speicherkapazität des Leistungsspeichers (im Vergleich zum Energiespeicher) kumulierte Verluste des Gleichspannungswandlers reduziert werden können, wenn dieser in Zusammenhang mit dem Leistungsspeicher verwendet wird.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln, ob ein Betrag eines Spannungsunterschiedes zwischen einer Netzspannung des Verteilernetzes und einer ersten Speicherspannung des ersten Speichermoduls gleich wie oder kleiner als ein Spannungs-Schwellenwert ist. Dabei kann der Spannungs-Schwellenwert einen festen, vor-definierten Wert aufweisen. Außerdem umfasst das Verfahren das Durchführen ein oder mehrerer Maßnahmen zur Erhöhung des Betrags des Spannungsunterschiedes, wenn ermittelt wird, dass der Betrag gleich wie oder kleiner als der Spannungs-Schwellenwert ist.
Es kann somit durch einen Betrieb des Gleichspannungswandlers gemäß dem beschriebenen Verfahren gewährleistet werden, dass der Betrag des Spannungsunterschiedes zwischen Netzspannung und erster Speicherspannung nicht unter den Spannungs-Schwellenwert fällt. So werden die Verwendung eines reinen Hochsetzers (Boost-Wandler) oder eines reinen Tiefsetzers (Buck-Wandler) als Gleichspannungswandler (bzw. eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers), und somit eine Kosten-effektive Implementierung eines Mehrspeichersystems für ein Fahrzeug ermöglicht. Insbesondere kann bei Verwendung eines Hochsetzers gewährleistet werden, dass die Netzspannung immer (um mindestens den Spannungs-Schwellenwert) höher ist als die erste Speicherspannung. Andererseits kann bei Verwendung eines Tiefsetzers gewährleistet werden, dass die Netzspannung immer (um mindestens den Spannungs-Schwellenwert) niedriger ist als die erste Speicherspannung. So kann sichergestellt werden, dass das erste Speichermodul in zuverlässiger und robuster Weise stets eine Entladeleistung bereitstellen bzw. eine Ladeleistung aufnehmen kann.
Die ein oder mehreren Maßnahmen können umfassen, das Anpassen einer Aufteilung einer aktuellen Belastung, insbesondere einer aktuellen Entladeleistung oder Ladeleistung, des ersten Speichermoduls und einer aktuellen Belastung, insbesondere einer aktuellen Entladeleistung oder Ladeleistung, des zweiten Speichermoduls aufgrund einer elektrischen Leistung, die im Verteilungsnetz angefordert oder bereitgestellt wird. Mit anderen Worten, es kann angepasst werden, welcher Anteil von elektrischer Leistung durch das erste bzw. durch das zweite Speichermodul erbracht oder aufgenommen wird. So können der Ladezustand des ersten bzw. des zweiten Speichermoduls und damit die erste Speicherspannung bzw. die zweite Speicherspannung (die typischerweise der Netzspannung entspricht) angepasst werden. Alternativ oder ergänzend können die ein oder mehreren Maßnahmen umfassen, das Umladen von elektrischer Energie zwischen dem ersten Speichermodul und dem zweiten Speichermodul. Alternativ oder ergänzend können die ein oder mehreren Maßnahmen umfassen, das Begrenzen einer aktuellen Entladeleistung oder Ladeleistung (nur) eines der beiden Speichermodule (wobei die aktuelle Entladeleistung oder Ladeleistung des jeweils anderen Speichermoduls nicht begrenzt wird).
Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln, dass im Verteilungsnetz elektrische Leistung angefordert oder bereitgestellt wird. Desweiteren kann das Verfahren umfassen, das Steuern des Gleichspannungswandlers derart, dass die elektrische Leistung zu einem größeren Anteil durch den Leistungsspeicher bereitgestellt oder aufgenommen wird. So kann das Beschleunigungs- und/oder das Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs verbessert werden (da der Leistungsspeicher typischerweise eine höhere Lade- bzw. Entladeleistung aufweist).
Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln, dass eine kumulierte historische und/oder vorangegangene Belastung des Leistungsspeichers einen Belastungs-Schwellenwert erreicht oder überschritten hat. Dabei kann der Belastungs-Schwellenwert derart gewählt werden, dass bei Erreichen des Belastungs-Schwellenwerts noch keine Reduzierung der maximal möglichen Entladeleistung erforderlich ist (d.h. dass noch kein Derating erforderlich ist), um eine Schädigung des Leistungsspeichers zu vermeiden. Andererseits kann der Belastungs-Schwellenwert anzeigen, dass ein Derating bei weiter unveränderlicher Belastung des Leistungsspeichers erforderlich werden könnte.
Es kann weiter ermittelt werden, dass (in dem o.g. Fall) im Verteilungsnetz elektrische Leistung bereitgestellt wird (z.B. in einer Verzögerungsphase bzw. Rekuperationsphase des Fahrzeugs). Der Gleichspannungswandler kann dann derart gesteuert werden, dass eine aktuelle Ladeleistung des Leistungsspeichers für die Aufnahme der im Verteilungsnetz bereitgestellten elektrischen Leistung gegenüber einer maximal möglichen Ladeleistung des Leistungsspeichers reduziert wird. So kann in einer Rekuperationsphase die Belastung des Leistungsspeichers reduziert werden, um einen uneingeschränkten Betrieb des Leistungsspeichers in einer nachfolgenden Entladephase und damit ein uneingeschränktes Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs sicherzustellen. Eine derartige Betriebsstrategie des Speichersystems kann insbesondere bei einem aktivierten Sportmodus des Fahrzeugs verwendet werden.
Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln eines Fahrmodus aus einer Vielzahl von Fahrmodi, in dem das Fahrzeug aktuell betrieben wird. Dabei kann die Vielzahl von Fahrmodi einen Sportmodus und einen Verbrauchs-orientierten Modus umfassen. Dabei soll im Sportmodus typischerweise das Fahrzeug ein gegenüber dem Verbrauch-orientierten Modus erhöhtes Beschleunigungsvermögen aufweisen. Andererseits soll im Verbrauch-orientierten Modus das Fahrzeug typischerweise eine gegenüber dem Sportmodus erhöhte elektrische Energieeffizienz aufweisen.
Der Gleichspannungswandler kann in Abhängigkeit von dem Fahrmodus gesteuert werden. So können die o.g. Ziele der unterschiedlichen Fahrmodi in effizienter Weise umgesetzt werden.
Insbesondere kann im Sportmodus über einen gesamten Fahrgeschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs ein Soll-Ladezustand des Leistungsspeichers vorgeben werden, der höher ist als der Soll-Ladezustand des Leistungsspeichers im Verbrauchs-orientierten Modus. Der Gleichspannungswandler kann dann derart gesteuert bzw. geregelt werden, dass der Leistungsspeicher den Soll-Ladezustand aufweist. Durch einen erhöhten Soll-Ladezustand kann sichergestellt werden, dass im Sportmodus lange und/oder häufige Beschleunigungsphasen zuverlässig umgesetzt werden können.
Andererseits kann das Verfahren umfassen, insbesondere wenn das Fahrzeug im Verbrauchs-orientierten Modus ist, das Ermitteln, in Reaktion auf eine Anforderung oder eine Bereitstellung von elektrischer Leistung im Verteilungsnetz, einer Leistungsaufteilung zwischen dem ersten Speichermodul und dem zweiten Speichermodul, durch die die Gesamtleistungsverluste des ersten Speichermoduls, des zweiten Speichermoduls und des Gleichspannungswandlers reduziert (ggf. minimiert) werden. Die Leistungsaufteilung kann dabei aus einer vordefinierten Look-up Tabelle entnommen werden (in Abhängigkeit von der angeforderten oder bereitgestellten elektrischen Leistung im Verteilungsnetz). Der Gleichspannungswandler kann dann in Abhängigkeit von der ermittelten Leistungsaufteilung gesteuert bzw. geregelt werden. So kann die Energieeffizienz des Speichersystems erhöht werden.
Wie oben dargelegt, kann das erste Speichermodul einen Energiespeicher und das zweite Speichermodul einen Leistungsspeicher umfassen. Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln, dass im Verteilungsnetz eine erhöhte elektrische Leistung angefordert oder bereitgestellt wird. Insbesondere kann eine Leistungstransiente detektiert werden. Eine derartige Leistungssteigerung erfordert typischerweise eine Änderung des Betriebs des Gleichspannungswandlers, um eine erhöhte Leistung zu wandeln. Kurzfristige Leistungssteigerungen können jedoch zu einer Belastung des Gleichspannungswandlers und des ersten Energiespeichers und damit zu einer Reduzierung der Lebensdauer führen. Das Verfahren kann daher umfassen, das Begrenzen einer Steigung einer durch den Gleichspannungswandler wandelbaren Leistung. Die Begrenzung der Steigung kann dabei derart erfolgen, dass ein nicht-gewandelter verbleibender Anteil der erhöhten elektrischen Leistung im Verteilungsnetz nicht eine maximale Entlade- oder Ladeleistung des Leistungsspeichers übersteigt. So kann in zuverlässiger Weise die Lebensdauer des Gleichspannungswandlers und/oder des ersten Energiespeicher erhöht werden.
Mit anderen Worten, es kann durch die Limitierung der Steigung eines Leistungskommandos, der den Gleichspannungswandler kontrolliert, eine Verbesserung der Lebensdauer des Energiespeichers und des Gleichspannungswandler erreicht werden. Dabei sollte sichergestellt werden, dass die elektrische Leistung des Verteilungsnetzes nicht größer als die maximale Leistung des Leistungsspeichers ist. So wird der Leistungshub des Gleichspannungswandlers und des Energiespeichers reduziert und damit die Lebensdauer verlängert. Diese Funktion kann auch dazu genutzt werden, das dynamische Ansprechverhalten des elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs anzupassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichersystem für ein Fahrzeug beschrieben. Das Speichersystem umfasst ein erstes Speichermodul und ein zweites Speichermodul zur Bereitstellung von elektrischer Energie an bzw. zur Aufnahme von elektrischer Energie von einem Verteilungsnetz, das mit einer elektrischen Maschine des Fahrzeugs gekoppelt ist. Desweiteren umfasst das Speichersystem einen Gleichspannungswandler, der das erste Speichermodul mit dem Verteilungsnetz koppelt. Dabei ist der Gleichspannungswandler eingerichtet, elektrische Energie zwischen einer ersten Speicherspannung des ersten Speichermoduls und einer Netzspannung des Verteilungsnetzes zu wandeln. Der Gleichspannungswandler ist bevorzugt entweder ein Hochsetzer oder ein Tiefsetzer. Außerdem umfasst das Speichersystem eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, das in diesem Dokument beschriebene Verfahren zum Betrieb des Gleichspannungswandlers auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das das in diesem Dokument beschriebene Speichersystem umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf ein oder mehreren Steuergeräten eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems zum Antrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs;
2 beispielhafte Spannungsbereiche von Speichersystemen; und
3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines Mehrspeichersystems.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der zuverlässigen und effizienten Bereitstellung von elektrischer Energie in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein Blockdiagramm eines Speichersystems 100 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Das System 100 umfasst ein erstes Speichermodul 101 und ein zweites Speichermodul 102, die beide mit einem elektrischen Verteilungsnetz 106 verbunden sind. Dabei ist das erste Speichermodul 101 indirekt über einen Gleichspannungswandler 103 (auch als DC/DC-Wandler bezeichnet) mit dem Verteilungsnetz 106 verbunden.
An das Verteilungsnetz 106 ist ein Inverter 104 angeschlossen, der eingerichtet ist, aus dem Gleichstrom des Verteilungsnetzes 106 einen Wechselstrom (insbesondere einen Drehstrom) zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine 105 des Fahrzeugs zu generieren. Umgekehrt ist der Inverter 104 eingerichtet, einen mittels der elektrischen Maschine 105 generierten Wechselstrom in einen Gleichstrom zu wandeln, mit dem das erste und/oder das zweite Speichermodul 101, 102 geladen werden können.
Das erste Speichermodul 101 weist je nach Ladezustand eine erste Speicherspannung 111 und das zweite Speichermodul 102 weist je nach Ladezustand eine zweite Speicherspannung 112 auf. Dabei entspricht die zweite Speicherspannung 112 in dem in 1 dargestellten System 100 der Netzspannung 116 im Verteilungsnetz 106. Der Gleichspannungswandler 103 ist eingerichtet, elektrische Energie mit der ersten Speicherspannung 111 in elektrische Energie mit der Netzspannung 116 zu wandeln (und in umgekehrter Richtung). Dabei ist es aus Kostengründen typischerweise vorteilhaft, wenn der Gleichspannungswandler 103 entweder nur als Hochsetzwandler (d.h. als Boost-Wandler) oder nur als Tiefsetzwandler (d.h. als Buck-Wandler) implementiert ist. Mit anderen Worten, der Gleichspannungswandler 103 kann derart sein, dass er pro Wandlungsrichtung entweder nur hoch- oder nur tiefsetzen kann. Das ermöglicht die Verwendung von Kosten-effizienten Gleichspannungswandlern 103. Im Folgenden wird (ohne Einschränkung) angenommen, dass der Gleichspannungswandler 103 ein Hochsetzwandler ist, der in eine Richtung elektrische Energie mit einer relativ niedrigen ersten Speicherspannung 111 (nur) in elektrische Energie mit einer relativ hohen Netzspannung 116 wandeln kann, und der in umgekehrter Richtung elektrische Energie mit einer relativ hohen Netzspannung 116 (nur) in elektrische Energie mit einer relativ niedrigen ersten Speicherspannung 111 wandeln kann.
Die Speicherspannung 111, 112 eines Speichermoduls 101, 102 ist typischerweise vom Ladezustand des Speichermoduls 101, 102 und/oder von der Belastung in einem Entlade- oder Ladevorgang, bedingt durch den Innenwiderstand, abhängig. Dabei können die Spannungsbereiche 210, 220 für mögliche Speicherspannungen 111, 112 für unterschiedliche Speichermodule 101, 102 unterschiedlich sein. Dies ist beispielhaft in 2 dargestellt. Das erste Speichermodul 101 kann erste Speicherspannungen 111 aus dem ersten Spannungsbereich 210 aufweisen, mit einer minimalen ersten Speicherspannung 212 (bei einem minimalen Ladezustand bzw. State of Charge (SOC)) und einer maximalen ersten Speicherspannung 211 (bei einem maximalen Ladezustand). Das zweite Speichermodul 102 kann zweite Speicherspannungen 112 aus dem zweiten Spannungsbereich 220 aufweisen, mit einer minimalen zweiten Speicherspannung 222 (bei einem minimalen Ladezustand) und einer maximalen zweiten Speicherspannung 221 (bei einem maximalen Ladezustand). In dem in 2 dargestellten Beispiel ist die maximale zweite Speicherspannung 221 höher als die maximale erste Speicherspannung 211. Typische Speicherspannungen liegen im Bereich von 300V, 500V, 800V oder höher.
Während des Betriebs des Systems 100 können die Speichermodule 101, 102 unterschiedliche Ladezustände aufweisen. Insbesondere kann je nach Bedarf das erste Speichermodul 101 und/oder das zweite Speichermodul 102 verwendet werden, um Energie abzugeben bzw. um Energie aufzunehmen. Beispielsweise können das erste Speichermodul 101 und das zweite Speichermodul 102 unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf die Energiedichte, auf eine maximal mögliche Ladeleistung, auf eine maximal mögliche Entladeleistung, und/oder auf eine Speicherkapazität aufweisen. Beispielsweise kann das erste Speichermodul 101 einen Speicher mit einer relativ hohen maximalen Lade-/Entladeleistung aber mit einer relativ geringen Energiedichte aufweisen (z.B. einen sogenannten Super Cap). Das erste Speichermodul 101 kann dann bevorzugt für Beschleunigungsphasen und/oder für Rekuperationsphasen verwendet werden. Das erste Speichermodul 101 kann in diesem Fall als Leistungsspeicher bezeichnet werden. Andererseits kann das zweite Speichermodul 102 einen Speicher mit einer relativ hohen Energiedichte aber einer relativ niedrigen maximalen Lade-/Entladeleistung aufweisen (z.B. eine Li-Ionen Batterie). Das zweite Speichermodul 102 kann dann bevorzugt für die Bereitstellung einer Grundleistung verwendet werden. Das zweite Speichermodul 102 kann in diesem Fall als Energiespeicher bezeichnet werden.
Die Entnahme bzw. die Aufnahme von elektrischer Energie für die Speichermodule 101, 102 kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Speichermodule 101, 102 erfolgen, so dass die Speichermodule 101, 102 unterschiedliche Ladezustände und damit auch unterschiedliche Speicherspannungen 111, 121 aufweisen können. Dies könnte zu einer Situation führen, bei der die Netzspannung 116 (die der zweiten Speicherspannung 102 entspricht) kleiner als oder gleich wie die erste Speicherspannung 111 ist. Als Folge daraus könnte dem ersten Energiespeicher 111 keine Energie mehr entnommen bzw. zugeführt werden. Eine Steuereinheit 120 des Systems 100 kann eingerichtet sein, eine derartige Situation frühzeitig zu erkennen und bereits im Vorfeld Gegenmaßnahmen einzuleiten, um zu gewährleisten, dass die erste Speicherspannung 111 zu jedem Zeitpunkt kleiner als die Netzspannung 116 ist. Dies kann insbesondere durch ein Umladen von elektrischer Energie von dem ersten Speichermodul 101 zum zweiten Speichermodul 102 erreicht werden. Alternativ oder ergänzend kann in Rekuperationsphasen bevorzugt elektrische Energie in dem zweiten Energiemodul 102 gespeichert werden. So kann die zweite Speicherspannung 112 relativ zu der ersten Speicherspannung 111 angehoben werden.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zum Betrieb eines Speichersystems 100 für ein Fahrzeug. Das Speichersystem 100 umfasst ein erstes Speichermodul 101 und ein zweites Speichermodul 102 zur Bereitstellung von elektrischer Energie an bzw. zur Aufnahme von elektrischer Energie von einem Verteilungsnetz 106. Dabei ist das Verteilungsnetz 106 mit einer elektrischen Maschine 105 des Fahrzeugs gekoppelt. Das erste Speichermodul 101 ist über einen Gleichspannungswandler 103 mit dem Verteilungsnetz 106 gekoppelt. Das zweite Speichermodul 102 ist bevorzugt direkt mit dem Verteilungsnetz 106 gekoppelt. Durch das Verfahren 300 kann gewährleistet werden, dass auch bei Verwendung von nur einem Gleichspannungswandler 103, die Bereitstellung bzw. Aufnahme von Leistung durch die Speichermodule 101, 102 in robuster Weise gesteuert bzw. geregelt werden kann. Desweiteren ermöglicht das Verfahren 300 die Verwendung von einem reinen Hochsetzer oder einem reinen Tiefsetzer als Gleichspannungswandler 103. Insgesamt wird somit durch das Verfahren 300 die Implementierung eines Kosten-effizienten und robusten Mehrspeichersystems für den elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs ermöglicht.
Das Verfahren 300 umfasst das Ermitteln 301, ob ein Betrag eines Spannungsunterschiedes zwischen einer Netzspannung 116 des Verteilernetzes 106 und einer ersten Speicherspannung 111 des ersten Speichermoduls 101 gleich wie oder kleiner als ein Spannungs-Schwellenwert ist. Insbesondere kann bei Verwendung eines Hochsetzers als Gleichspannungswandlers 103 ermittelt werden, ob die Netzspannung 116 um den Spannungs-Schwellenwert größer ist als die erste Speicherspannung 111 oder nicht. Andererseits kann bei Verwendung eines Tiefsetzers als Gleichspannungswandlers 103 ermittelt werden, ob die Netzspannung 116 um den Spannungs-Schwellenwert kleiner ist als die erste Speicherspannung 111 oder nicht.
Das Verfahren 300 umfasst weiter das Durchführen 302 ein oder mehrerer Maßnahmen zur Erhöhung des Betrags des Spannungsunterschiedes, wenn ermittelt wird, dass der Betrag gleich wie oder kleiner als der Spannungs-Schwellenwert ist. Insbesondere können ein oder mehrere Maßnahmen durchgeführt werden, durch die die Netzspannung 116 erhöht und/oder die erste Speicherspannung 111 reduziert wird (bei Verwendung eines Hochsetzers), bzw. durch die die Netzspannung 116 reduziert und/oder die erste Speicherspannung 111 erhöht wird (bei Verwendung eines Hochsetzers).
Es wird somit ein Energiespeichersystem 100 mit mehreren Speichermodulen 101, 102 beschrieben. Jedes Speichermodul 101, 102 verfügt über ein oder mehrere unterschiedlichen Eigenschaften, die spezifisch genutzt werden können. Z.B. kann das erste Speichermodul 101 primär für die Leistungsversorgung geeignet sein, während das zweite Speichermodul 102 relativ mehr Energie speichern kann. Bei einer Anwendung in einem elektrischen Fahrzeug bietet das erste Speichermodul 101 dann eine relativ bessere Leistungsbereitstellung, die für die Fahrzeugbeschleunigung verwendet werden kann. Das zweite Speichermodul 102 hingegen kann eine relativ höhere Energiedichte bieten, so dass die elektrische Reichweite des Fahrzeugs maximiert werden kann. Dabei ist es auch denkbar, dass mehrere Speichermodule 101, 102 mehrere Inverter/EM-Antriebe 104, 105 mit Energie versorgen oder von diesen Energie aufnehmen können.
Es können somit unterschiedliche Speichermodule 101, 102 für unterschiedliche Anwendungen bereitgestellt werden. Beispielsweise sind manche Speichermodule, wie Super Caps, auf eine relativ hohe Leistungsbereitstellung ausgelegt, so dass diese Speichermodule ohne Beschädigung mit relativ hohen Strömen geladen und entladen werden können. Der Energieinhalt ist in solchen Speichermodulen jedoch typischerweise relativ niedrig. Anforderung bezgl. der elektrischen Reichweite des Fahrzeugs können durch ein zusätzliches Speichermodul erfüllt werden, das eine größere Menge an elektrischer Energie speicher kann. So kann durch ein Mehrspeichersystem 100 sowohl eine relativ hohe Leistungsfähigkeit als auch eine relativ hohe Reichweite bereitgestellt werden.
Die Steuereinheit 120 eines Mehrspeichersystems 100 kann auf eine Vielzahl von Funktionen zurückgreifen, um das Entladen bzw. Aufladen der Speichermodule 101, 102 zu steuern bzw. zu regeln. Die Steuereinheit 120 kann z.B. Teil eines Steuergeräts eines Speichermoduls 101, 102, des Gleichspannungswandlers 103 und/oder der elektrischen Maschine 105 sein. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 120 insbesondere den Gleichspannungswandler 103 verwenden, um die Entnahme von elektrischer Energie aus dem ersten Speichermodul 101 bzw. die Aufnahme von elektrischer Energie durch das erste Speichermodul 101 zu steuern bzw. zu regeln. Dies beeinflusst indirekt die Entnahme/Aufnahme von elektrischer Energie durch das zweite Speichermodul 102. Durch Ansteuerung des Gleichspannungswandlers 103 kann die Steuereinheit 120 somit die Entnahme / Aufnahme von elektrischer Energie durch die beiden Speichermodule 101, 102 einstellen.
Im Rahmen einer ersten Funktion können aktuelle Leistungsgrenzen des Mehrspeichersystems 100 durch die Steuereinheit 120 ermitteln werden. Als Input kann diese erste Funktion die maximale Lade- und/oder Entladeleistung der Speichermodule 101, 102, die Verlustleistung des bzw. der Gleichspannungswandler 103 und/oder die aus dem vom Fahrer des Fahrzeugs angeforderten Drehmoment (insbesondere aus der Gaspedalstellung) ermittelte benötige Speichersystemleistung ggf. inkl. der Nebenverbraucher verwenden. Die Verlustleistung des Gleichspannungswandlers 103 bezieht sich dabei meist auf den angeforderten Zustand (d.h. auf die benötigte Speichersystemleistung) oder auf den vom System 100 maximal erreichbaren Zustand, wenn der angeforderte Zustand nicht erreicht werden kann.
Die maximal möglichen Entlade-/Ladeleistungen der Speichermodule 101, 102 können dabei zeitlich variieren. Insbesondere kann eine historische Belastung eines Speichermoduls 101, 102 die aktuell maximal mögliche Entlade-/Ladeleistung des Speichermoduls 101, 102 beeinflussen. Alternativ oder ergänzend kann ein Fahrmodus des Fahrzeugs (z.B. eine Sportmodus oder eine Verbrauchs-orientierter Fahrmodus) die aktuell maximal mögliche Entlade-/Ladeleistung des Speichermoduls 101, 102 beeinflussen. Alternativ oder ergänzend kann die Speicherspannung 111, 112 eines Speichermoduls 101, 102 relativ zu der Netzspannung 116 die aktuell maximal mögliche Entlade-/Ladeleistung des Speichermoduls 101, 102 beeinflussen.
Die erste Funktion kann als Output die sich aus der vorgehenden Beanspruchung der Speichermodule 101, 102 und/oder des Gleichspannungswandlers 103 resultierende maximal mögliche Entlade- und/oder Ladeleistung des gesamten Energiespeichersystems 100 bereitstellen. Desweiteren kann die maximal mögliche Entlade- und Ladeleistung der einzelnen Speichermodule 101, 102 bereitgestellt werden. Dabei können sich die aktuell maximal möglichen Entlade- und Ladeleistungen für unterschiedliche Speichermodule 101, 102 signifikant voneinander unterscheiden (z.B. aufgrund der Eigenschaften der Speichermodule 101, 102 und/oder aufgrund der historischen Belastung der Speichermodule 101, 102).
Im Rahmen einer zweiten Funktion kann die Steuereinheit 120 Leistungsbereiche für die einzelnen Speichermodule 101, 102 ermitteln. Als Input können die maximal mögliche Lade-/Entladeleistung des Mehrspeichersystems 100 (aus der ersten Funktion), die Verluste des Gleichspannungswandlers 103 und/oder die Leistungsgrenzen der einzelnen Speichermodule 101, 102 berücksichtigt werden. Dabei können die ermittelten Leistungsbereiche der einzelnen Speichermodule 101, 102 von den Speicherspannungen 111, 112, von der Netzspannung 116 und/oder von dem aktuellen Fahrmodus des Fahrzeugs abhängen.
Als Output kann von der zweiten Funktion die aktuell maximal mögliche Lade-/Entladeleistung des Gleichspannungswandlers 103 bereitgestellt werden. Dieser Wert bestimmt die maximale Leistungsbereitstellung/-aufnahme der einzelnen Speichermodule 101, 102, die durch die Regelung des Gleichspannungswandlers 103 eingestellt werden kann.
Die von der zweiten Funktion ermittelte aktuell maximal mögliche Lade-/Entladeleistung des Gleichspannungswandlers 103 kann von der Steuereinheit 120 dazu verwendet werden, den Gleichspannungswandler 103 zu steuern bzw. zu regeln. Alternativ kann im Rahmen einer dritten Funktion eine abweichende Leistungsbereitstellung/-aufnahme der Energiemodule 101, 102 über den Gleichspannungswandler 103 eingestellt werden, wobei die abweichende Leistungsbereitstellung/-aufnahme der Energiemodule 101, 102 von einer Betriebsstrategie abhängt. Im Rahmen der dritten Funktion kann somit eine Lastaufteilung auf die einzelnen Speichermodule 101, 102 erfolgen.
Die dritte Funktion kann z.B. einen PID-Regler verwenden, um ein Leistungs-Steuersignal für den Gleichspannungswandler 103 zu ermitteln. Auf Basis eines Vergleichs zwischen dem aktuellen Energieinhalt und einem gewünschten Energieinhalt in zumindest einem der Speichermodule 101, 102 kann ein Steuersignal für den Gleichspannungswandler 103 ermittelt werden. Zu diesem Zweck können die Speichermodule 101, 102 der Steuereinheit 120 Speicherdaten 121, 122 zur Verfügung stellen, die z.B. einen aktuellen Ladezustand bzw. eine aktuelle Speicherspannung 111, 112 anzeigen.
Beispielsweise kann der Gleichspannungswandler 103 in Abhängigkeit von einem gewünschten Ladezustand des ersten Energiemoduls 101 angesteuert werden. Das erste Energiemodul 101 kann z.B. einen Leistungsspeicher umfassen. Dabei werden die maximal (und ggf. minimal) möglichen Lade-/Entladeleistungen des ersten Energiespeichers 101 berücksichtigt.
Der gewünschte Ladezustand bzw. die gewünschte Lade-/Entladeleistung des ersten Energiespeichers 101 kann von ein oder mehreren Betriebsstrategien abhängen:

• Der Bedarf an Leistung im ersten Energiespeicher 101 kann von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängen. Je höher die Fahrzeuggeschwindigkeit ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass vom Fahrer eine Beschleunigung gefordert ist. Daher gibt es typischerweise bei relativ hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten einen reduzierten oder keinen Bedarf für eine Energiereserve im ersten Speichermodul 101 (d.h. im Leistungsspeicher). Außerdem ist bei relativ hohen Fahrzeuggeschwindigkeit typischerweise die rekuperierbare Energie relativ hoch. Es kann daher sinnvoll sein, den ersten Energiespeicher 101 bei relativ hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten auf einem relativ niedrigen Ladezustand zu halten, um bereit zu sein, Energie zu rekuperieren. In diesem Fall kann ein Regler zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers 103 einen relativ niedrigen gewünschten Ladezustand als Sollgröße verwenden.
• Andererseits ist die Wahrscheinlichkeit typischerweise hoch, dass der Fahrer eines Fahrzeugs bei relativ geringer Geschwindigkeit eine starke Beschleunigung anfordert. In diesem Fall kann der Regler einen relativ hohen Ladezustand als Sollgröße für den Leistungsspeicher setzen.
• Der von dem Regler gesetzte Ladezustand (bzw. die gesetzte Soll-Energie) des Leistungsspeichers kann somit auf Basis der kinetischen Energie im Fahrzeug berechnet werden. Alternativ oder ergänzend kann der gesetzte Ladezustand auf Basis der im Antriebssystem bereitgestellten Energie (ggf. verringert um Wirkungsgradverluste in der Kette zwischen Speichermodul 101, 102 und elektrischer Maschine 105 und ggf. unter Berücksichtigung der Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebssystems) ermittelt werden. Dabei können z.B. Daten von einem Neigungswinkelsensor berücksichtigt werden. So kann eine rekuperierbare Energie berechnet werden, die als Basis zur Bestimmung einer Matrix mit maximalen Leistungen dient, die sich aus einer Vielzahl von möglichen unterschiedlich starken Bremsvorgängen ergeben. Die Bremspedalstellung dient dann als Wertzuordnung in der Matrix für die angeforderte Bremsleistung.
• Die gewünschte Ladeleistung des Leistungsspeichers kann von dem Fahrmodus abhängen. Im Sportmodus möchte der Fahrer eines Fahrzeugs typischerweise dynamisch fahren. Die Wahrscheinlichkeit ist daher hoch, dass auch bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit eine Beschleunigung angefordert wird. In diesem Fall kann der gewünschte Ladezustand höher gesetzt werden als in einem anderen Fahrmodus (z.B. einem Verbrauchs-orientierten Fahrmodus).
• In einem Verbrauchs-orientierten Fahrmodus (z.B. in einem sogenannten ECO-Modus) werden typischerweise die Leistungsverluste des Antriebssystems minimiert. In diesem Fall kann der gewünschte Ladezustand des ersten Energiemoduls 101 derart ermittelt werden, dass die Effizienz für die Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe für das gesamte Mehrspeichersystem 100 (inklusive der Verluste des Gleichspannungswandlers 103) reduziert, ggf. minimiert, werden.

Im Rahmen einer vierten Funktion kann die Steuereinheit 120 die Speicherspannungen 111, 112 und die Netzspannung 116 überwachen. Wie oben dargelegt, kann der Gleichspannungswandler 103 einen bidirektionalen DC/DC-Wandler umfassen, der in einer Richtung nur als „Boost“ und in der anderen Richtung nur als „Buck“ arbeitet. Bei solchen DC/DC-Wandlern kann ein Energietransfer nur dann erfolgen, wenn die Spannung der Highside höher ist als die Spannung der Lowside des Gleichspannungswandlers 103. Die vierte Funktion kann diese Spannungen überwachen und reagieren, wenn sich die Spannungen der Highside und Lowside zu nahe kommen. Beispielsweise können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Netzspannung 116 und der ersten Speicherspannung 111 unter einen vordefinierten Spannungs-Schwellenwert fällt.
Mögliche Gegenmaßnahmen sind:

a) eine maximal mögliche Entladeleistung des ersten Energiemoduls 101 einzustellen (z.B. im Rahmen der dritten Funktion), um das zweite Energiemodul 102 zu entlasten und um die zweite Speicherspannung 112 (und damit die Netzspannung 116) relativ zu der ersten Speicherspannung 101 zu erhöhen.
b) Begrenzung der aktuell maximal möglichen Entladeleistung des zweiten Speichermoduls 102 (im Rahmen der ersten Funktion). Dadurch wird typischerweise auch die maximal mögliche Systemleistung reduziert. So kann das zweite Speichermodul 102 entlastet und die zweite Speicherspannung 112 erhöht werden (relativ zu der ersten Speicherspannung 111).
c) Ermöglichen eines Umladens von dem ersten Speichermodul 101 auf das zweite Speichermodul 102. So wird die erste Speicherspannung 111 reduziert und die zweite Speicherspannung 112 erhöht.

Die o.g. Maßnahmen a), b) und/oder c) können alle oder teilweise aktiviert werden, wenn ermittelt wird, dass eine Spannungsdifferenz unter einen ersten Schwellenwert gefallen ist. Die Deaktivierung der Maßnahmen a), b) und/oder c) kann erfolgen, wenn ermittelt wird, dass die Spannungsdifferenz wieder über einen zweiten Schwellenwert gestiegen ist (der größer als der erste Schwellenwert ist) und/oder wenn ermittelt wird, dass die Spannungsdifferenz für einen Mindestzeitraum über dem ersten Schwellenwert gelegen hat und/oder wenn die zwei Speichermodule 101, 102 in einem stabilen Energiezustand sind, d.h. wenn die Energiezustände (bzw. SOCs) so eingestellt sind, dass die Spannung 106 auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers 103 größer als die Speicherspannung 111 auf der Eingangsseite des Gleichspannungswandlers 103 ist (bei Verwendung eines Hochsetzstellers als Gleichspannungswandlers 103, bei Verwendung eines Tiefsetzstellers sind die Spannungslagen vertauscht).
Wie bereits dargelegt kann der Betrieb des Mehrspeichersystems 100 von einem Fahrmodus abhängen. Insbesondere kann bei Aktivierung eines Sportmodus ein Umladen zwischen dem ersten Energiespeicher 101 und dem zweiten Energiespeicher 102 ermöglicht werden, um zu gewährleisten, dass ausreichend Leistungsreserven in einem Leistungsspeicher des Systems 100 vorhanden sind (für Beschleunigungsphasen). Andererseits kann in einem Verbrauchs-orientierten Fahrmodus ein Umladen (weitestgehend, z.B. außer im Rahmen der o.g. Maßnahme c)) unterbunden werden.
Alternativ oder ergänzend kann eine aktuell maximal mögliche Ladeleistung eines Energiemoduls 101, 102 von dem Fahrmodus abhängen. Eine starke historische Belastung eines Speichermoduls 101, 102 kann zu einer Begrenzung der zu einem aktuellen Zeitpunkt maximal möglichen Entladeleistung führen. Mit anderen Worten, es kann zu einem „Derating“ eines Speichermoduls 101, 102 kommen. Um ein solches „Derating“ eines Leistungsspeichers des Systems 100 zu vermeiden, kann vorbeugend im Sportmodus die aktuell maximal mögliche Ladeleistung des Leistungsspeichers reduziert werden (z.B. abhängig von, insbesondere proportional zu, einem Belastungszustand des Leistungsspeichers). Ggf. kann ganz auf die Rekuperation verzichtet werden, d.h. die gesamte Energie kann in den Radbremsen umgesetzt werden und es findet in keinem der Speichermodule 101, 102 ein Laden durch Rekuperation statt. So kann vermieden werden, dass der Leistungsspeicher bei Bedarf keine ausreichende Entladeleistung aufweist. Es kann somit eine zuverlässige Implementierung eines Sportmodus gewährleistet werden.
Ein Speichermodul 101, 102 kann eine Managementeinheit aufweisen, die eingerichtet ist, Speicherdaten 121, 122 mit einer Vielzahl von Zustandswerten bzgl. eines Zustands des Speichermoduls 101, 102 zu ermitteln und bereitzustellen. Beispielhafte Zustandswerte sind die aktuelle Speicherspannung 111, 121, ein aktueller Strom, eine Leistungsprognose, ein aktueller Ladezustand bzw. SOC, ein Stromintegral eines Lade- bzw. Entladestroms als Belastungsindikator, etc. Diese Speicherdaten 121, 122 können der Steuereinheit 120 bereitgestellt werden.
Die Steuereinheit 120 nutzt die Speicherdaten 121, 122 und steuert bzw. regelt daraufhin die Lastverteilung in einem System 100 aus (mindestens) zwei miteinander gekoppelten HV(Hochvolt)-Speichermodulen 101, 102. Zur Reduzierung der Kosten kann ein bidirektionaler Hochsetzsteller Gleichspannungswandler 103 verwendet werden. Die Steuereinheit 120 kann dann eingerichtet sein, zu gewährleisten, dass zu jedem Zeitpunkt gewährleistet ist, dass die Eingangsspannung 111 zum Gleichspannungswandler 103 kleiner ist als die Ausgangsspannung 116 des Gleichspannungswandlers 103.
Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 120 eine Spannungsüberwachung durchführen und bei Bedarf einen Eingriff in die Leistungsbereitstellung der beiden Speichermodule 101, 102 vornehmen.
In einem Beispiel kann das zweite Speichermodul 102 einen Leistungsspeicher umfassen, um ohne Leistungsbegrenzung des Gleichspannungswandlers 103 Leistung aufnehmen bzw. abgeben zu können. Das erste Speichermodul 101 kann dann einen Energiespeicher aufweisen. In diesem Fall kann in Reaktion auf die Spannungsüberwachung (d.h. in Reaktion auf eine zu geringe Spannungsdifferenz) eine Degradation der Leistung des Leistungsspeichers und eine stärkere Belastung des Energiespeichers vorgenommen werden. Alternativ oder ergänzend kann bei vorhandener Leistungsreserve des Energiespeichers ein Umladen auf den Leistungsspeicher vorgenommen werden (was typischerweise im ECO-Modus strikt vermieden wird). Diese Maßnahmen können insbesondere in Entladephasen (d.h. bei Beschleunigungen) durchgeführt werden. So kann eine Spannungsdifferenz zwischen der zweiten Speicherspannung 112 und der ersten Speicherspannung 111 hergestellt werden.
Die von einer Steuereinheit 120 ausgeführte Betriebsstrategie für ein Mehrspeichersystem 100 kann alternativ oder ergänzend weitere Funktionen bzw. Regelungsmechanismen aufweisen.
Es können zwei unterschiedliche Fahrmodi bzw. Betriebsmodi berücksichtigt werden, insbesondere ein Sportmodus und ein ECO-Modus. Im ECO-Modus kann ein Umladen zwischen den Speichermodulen 101, 102 unterbunden werden (ggf. außer zur Gewährleistung einer Spannungsdifferenz), um eine maximale Effizienz des Mehrspeichersystems 100 sicherzustellen. Andererseits kann im Sportmodus ein Umladen erlaubt werden, um eine maximale Systemleistungsfähigkeit für Beschleunigungsphasen und/oder Rekuperationsphasen sicherzustellen.
Gemäß einer weiteren Funktion wird im Entladevorgang (insbesondere bei Beschleunigung) zunächst der Leistungsspeicher entladen. Eine Führungsgröße kann dabei die entladene Energie im Vergleich zu der im Antriebssystem rekuperierbaren Energie sein. Dabei kann die Führungsgröße von dem aktivierten Fahrmodus abhängen. Sollte die Leistungsfähigkeit des Leistungsspeichers für eine Leistungsanfoderung nicht ausreichen, so kann zusätzlich der Energiespeicher entladen werden.
Dabei ist jedoch typischerweise die Spannungsdifferenz zwischen den Speicherspannungen 111, 112 zu berücksichtigen, und eine Überlappung der Spannungslagen der Speichermodule 111, 121 zu vermeiden. Eine drohende Überlappung der Spannungslagen kann dazu führen, dass die Entladeleistung des Leistungsspeichers (d.h. des zweiten Speichermoduls 102) gesenkt wird und die Entladeleistung des Energiespeichers (d.h. des ersten Speichermoduls 101) erhöht wird. Desweiteren kann, falls die angeforderte Systemleistung kleiner als die Leistung des Energiespeichers ist, zusätzlich ein Energietransfer vom Energiespeicher in den Leistungsspeicher (d.h. ein Umladen) durchgeführt werden (ggf. auch im ECO Modus).
Gemäß einer weiteren Funktion kann im Ladevorgang (d.h. beim Bremsen) zunächst der Leistungsspeicher geladen werden. Folglich kann die nach der Führungsgröße geregelte Leistungsabgabe der Beschleunigungsphase in der Rekuperationsphase rekuperiert werden. Sollte die Leistungsfähigkeit für den Ladevorgang des Leistungsspeichers nicht ausreichen, so kann zusätzlich der Energiespeicher geladen werden.
Dabei ist jedoch typischerweise die Spannungsdifferenz zwischen den Speicherspannungen 111, 112 zu berücksichtigen, und eine Überlappung der Spannungslagen der Speichermodule 111, 121 zu vermeiden. Eine drohende Überlappung der Spannungslagen kann dazu führen, dass die Ladeleistung des Energiespeichers gesenkt wird und die Ladeleistung des Leistungsspeichers in Richtung des Maximums erhöht wird. Desweiteren kann, falls die angebotene Systemleistung (Rekuperationsleistung) kleiner als die Ladeleistung des Leistungsspeichers ist, zusätzlich zur Rekuperationsleistung ein Energietransfer vom Energiespeicher in den Leistungsspeicher (d.h. ein Umladen) durchgeführt werden (ggf. auch im ECO Modus).
Der Ladevorgang kann im Sportmodus dahingehend abgewandelt werden, dass anhand eines Belastungsindikators für die Speichermodule 101, 102, z.B. auf Basis eines Stromintegrals der Speichermodule 101, 102, geprüft wird, ob die aktuelle Ladeleistung eine mögliche später zu erbringende Entladeleistung einschränkt und ob ohne Rekuperation weiterhin genügend Energie zur Leistungsbereitstellung zur Verfügung steht. Ergibt die Prüfung, dass eine Einschränkung vorliegen wird und genügend Energie vorhanden ist, kann das Laden beider Speichermodule 101, 102 oder eines Speichermoduls 101, 102 gezielt unterbunden bzw. beschränkt werden. Es findet dann keine oder nur eine eingeschränkte Rekuperation statt. Andererseits kann so die Leistungsbereitschaft für Beschleunigungen gewährleistet werden.
Das in diesem Dokument beschriebene Mehrspeichersystem 100 ermöglicht eine Kosten-effiziente, eine Energie-effiziente und eine zuverlässige Versorgung einer elektrischen Antriebsmaschine 105 in unterschiedlichen Betriebssituationen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Dabei wurden Maßnahmen beschrieben, um die Spannungen in den Speichermodulen 101, 102 des Mehrspeichersystems 100 anzupassen. Insbesondere umfassen die Maßnahmen eine Aufteilung der Leistung in einem Mehrspeichersystem 100 unter Berücksichtigung der Eigenschaften (z.B. Energiezustand/SOC, maximale/minimale Leistung, vorherige Belastung, etc.) der Speichermodule 101, 102 und des Gleichspannungswandlers 103 des Mehrspeichersystems 100. So kann ein bidirektionaler Gleichspannungswandler 103 verwendet werden, der entweder nur als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller ausgelegt ist. Innerhalb dieser physikalischen Einschränkungen des Mehrspeichersystems 100 gibt es einen Freiheitsgrad für die Wahl der Leistungsaufteilung. Die dargestellten Funktionen nutzen diesen Freiheitsgrad, um z.B. folgende Performance zu optimieren: Verfügbare maximale Leistung (z.B. für die Beschleunigungsphasen); verfügbare Energie/Wirkungsgrad/Reichweite und/oder Lebensdauer des Mehrspeichersystems 100.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

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