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Die mobile Bereitstellung von Energie durch Batterien, Akkus oder vergleichbare Energieträger gewinnt zunehmend mehr Bedeutung. Vor einigen Jahren wurden zumeist kleinere Geräte von Nutzern, wie etwa Taschenlampen, Wecker oder Fernbedienungen mit Batterien betrieben. Um dies zu ermöglichen setzten sich für diese Batterien bestimmte Standardisierungen, wie beispielsweise A, AA oder AAA durch.
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Die Anforderungen an Systeme, die deutlich mehr Energie benötigen als herkömmliche Kleingeräte, wie beispielsweise elektrisch betriebene Fahrzeuge (E-Autos, E-Roller, ...), sind in vieler Hinsicht deutlich höher. Zum einen müssen die Batterien viel häufiger gewechselt werden und zum anderen verlangen die Batterien ein spezifisches Management um beispielsweise den Anforderungen der elektrisch betriebenen Fahrzeuge „E-Fahrzeuge“ gerecht zu werden. Gängige Praxis ist es daher in der Regel, individuelle Sonderanfertigungen zu produzieren, die speziell für den Einsatz in einem hierfür vorgesehenen Produktdesign entwickelt und produziert werden.
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Dies wird nachstehend an einem konkreten Beispiel eines E-Rollers verdeutlicht. Typischerweise befinden sich in dem Helmfach eines E-Rollers eine oder zwei Batterieeinheiten, um den Motor des E-Rollers mit Energie zu versorgen. Um eine Batterieeinheit zu wechseln, muss zunächst ein Stecker an der Oberseite dieser Batterien gelöst werden, eine neue Batterieeinheit eingesetzt werden und der Stecker wieder aufwendig von dem Nutzer angebracht werden. Bei mehreren Batterieeinheiten ergibt sich zusätzlich das Problem, dass diese unterschiedliche Spannungslagen aufweisen können, sodass diese Batterieeinheiten durch einen hierfür speziell extern vorgesehenen Leistungsschalter „gemanagt“ werden müssen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung Techniken anzugeben, insbesondere einen intelligenten elektrischen Verbindungsstecker, die das Betreiben und/oder das Wechseln von Batterieeinheiten in E-Fahrzeugen für Nutzer und/oder für Hersteller effizienter gestalten. Es ist insbesondere die Aufgabe der Erfindung Herstellungskosten für den Betrieb von E-Fahrzeugen zu minimieren und die Wechselzeit der Batterieeinheiten zu verkürzen.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Die Merkmale der im Folgenden beschriebenen verschiedenen Aspekte der Erfindung bzw. der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar, sofern dies nicht explizit ausgeschlossen ist oder sich technisch zwingend ausschließt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist intelligenter elektrischer Verbindungsstecker, auch als Smart-Connector bezeichnet, angegeben, wobei der intelligente elektrische Verbindungstecker ausgebildet ist zum Kontaktieren zumindest einer Batterieeinheit mit einer elektrisch betriebenen mobilen Einheit, insbesondere mit einem elektrisch betriebenen Fahrzeug, wobei der elektrische Verbindungsstecker folgendes umfasst
ein Stecksystem ausgebildet zum Einstecken in einen Gegenstecker, wobei das Stecksystem zumindest zwei Kontakte für den elektrischen Stromfluss und zumindest einen Kontakt zur Datenkommunikation mit der Batterieeinheit aufweist. Der Stromfluss dient zum Betreiben des E-Fahrzeugs, wobei ein Kontakt als ein Pluspol und der andere Kontakt als ein Minuspol realisiert ist;
eine Steuerelektronik zum Steuern der zumindest einen Batterieeinheit. Die Steuerelektronik kann hardwaretechnisch implementiert sein oder aber durch einen entsprechenden Algorithmus auf einer Software der Steuerelektronik. Über Schnittstellen des intelligenten elektrischen Verbindungsteckers ist es zudem möglich die Software zu aktualisieren;
wobei die Steuerelektronik zur Abfrage von Betriebsdaten der zumindest einen Batterieeinheit über den Kontakt zur Datenkommunikation ausgebildet ist;
wobei die Steuerelektronik eingerichtet ist Steuerbefehle für die zumindest eine Batterieeinheit basierend auf den Betriebsdaten der Batterieeinheit zu erstellen und an die zumindest eine Batterieeinheit zu senden.
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Dies bietet zum einen den Vorteil, dass mittels des Smart-Connectors Batterieeinheiten bzw. Akkus der E-Fahrzeuge schnell getauscht werden können, da das sonst üblicherweise anfallende aufwändige An- und Abklemmen der Kontakte entfällt. Dies kann technisch prinzipiell auf drei verschiedenen Wegen realisiert werden. Der Smart-Connector kann an der Batterie vorgesehen sein, in diesem Fall ist der Gegenstecker in das E-Fahrzeug integriert. Der Smart-Connector kann in das E-Fahrzeug integriert sein, in diesem Fall ist der Gegenstecker in die Batterieeinheit integriert. Oder aber der Smart-Connector bildet ein Adapter, also einen sogenannten Zwischenstecker aus, der die entsprechenden Anschlüsse des E-Fahrzeugs und der Batterieeinheit verbindet. Die letztere Möglichkeit bietet insbesondere den Vorteil, dass eine bestehende Fahrzeugflotte leicht mit der neuen Technik aufgerüstet werden kann. Der Gegenstecker weist die entsprechenden Kontakte funktional „an derselben Stelle“ wie der Smart-Connector auf. Der Smart-Connector kann bei vielfältigen elektrisch betriebenen mobilen Einheiten verwendet werden, wie etwa bei Fahrzeugen jeglicher Art, die mittels Batterieeinheiten betrieben werden können. Aber auch bei Robotern oder aber bei Ladestationen, um den Aufladevorgang intelligent zu steuern.
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Der intelligente elektrische Verbindungstecker, also der Smart-Connector, ermöglicht es auf einfache Art und Weise sowohl mit dem Batteriemanagementsystem „BMS“ der Batterieeinheit als auch mit der „Energieeinheit“ eine Verbindung herzustellen, indem die Batterieeinheit einfach aus dem Smart-Connector herausgezogen wird und die neue Batterieeinheit eingesteckt wird. Als Standardfunktionen von Batteriemanagementsystemen sind zweckmäßig vorgesehen: Zellenschutz, Ladekontrolle, Lastmanagement, Bestimmung des Ladezustandes, Bestimmung der „Zellgesundheit“ (Alterung, Restkapazität, Innenwiderstand etc.), Ausbalancieren der Zellen, Historie, Authentifizierung und Identifizierung, Kommunikation, Temperaturüberwachung und Anpassen der Ladeschlussspannung.
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Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass die Steuerelektronik des Smart-Connectors Betriebsdaten der Batterieeinheit von dem BMS abfragen respektive empfangen kann und diese in der Folge analysieren kann. Da Batterieeinheiten, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, als Gefahrengut angesehen werden, ist es beispielsweise notwendig die Batterieeinheiten bei Überlastung abschalten zu können. Hierfür sind die Batterieeinheiten mit internen Leistungsschaltern ausgestattet. Die Leistungsschalter ermöglichen es also eine Batterie an- und auszuschalten. Die Steuerbefehle, die die Steuerelektronik erstellt sind beispielsweise ausgebildet den internen Leistungsschalter der Batterieeinheit anzusteuern. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass die Batterieeinheiten beispielsweise bei Überlastung schnell und effektiv ausgeschaltet werden können ohne dass hierfür externe Leistungsschalter benötigt werden. Die Steuerbefehle werden über den Kontakt zur Datenkommunikation an die Batterieeinheit übertragen. Der Smart-Connector ermöglicht eine einfache Adaption von verschiedenen Applikationen und E-Fahrzeugen mit unterschiedlichen Antriebssystemen, da die Batterieeinheiten standardisiert und unabhängig von der Steuerungselektronik arbeiten. Indem die Steuerungselektronik auf die Anforderungen des spezifischen E-Fahrzeugs programmiert wird, wird eine flexible individuelle technische Lösung bereitgestellt.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der intelligente elektrische Verbindungsstecker eine erste Schnittstelle für eine Datenverbindung zwischen der Steuerelektronik und einer Motorkontrolleinheit des elektrisch betriebenen Fahrzeugs zum Austausch von Motorkontrolldaten auf, wobei die Steuerelektronik zur Abfrage von Motorkontrolldaten vermittels der Schnittstelle zur Motorkontrolleinheit ausgebildet ist, wobei die Steuerelektronik eingerichtet ist Steuerbefehle für die zumindest eine Batterieeinheit basierend auf den Betriebsdaten der Batterieeinheit und den Motorkontrolldaten zu erstellen und an die zumindest eine Batterieeinheit zu senden. Vorzugsweise ist die erste Schnittstelle als ein CAN-Bus-System ausgebildet, da diese am weitesten verbreitet ist. Möglich sind aber auch I2C, Lin-Bus oder UART Systeme. Die Abkürzung CAN bedeutet Controller Area Network. Mit dem Einsatz des CAN-Bus-Systems im Fahrzeug werden elektronische Baugruppen wie Steuergeräte oder intelligente Sensoren, wie z. B. der Lenkwinkelsensor, untereinander vernetzt. Durch das CAN-Bus-System geschieht der Datenaustausch zwischen den Steuergeräten auf einer einheitlichen Plattform. Der CAN-Bus dient als sogenannte Datenautobahn. In einem Bussystem werden alle Komponenten über kurze Stichleitungen an eine gemeinsame Datenleitung angeschlossen. Der Aufwand für die Verkabelung wird dadurch minimiert, und es können leicht zusätzliche Komponenten angeschlossen werden. Der Datenfluss muss jedoch über ein Zugriffsverfahren (Protokoll) gesteuert werden, wenn alle Komponenten eine gemeinsame Busleitung benutzen. Dabei sollen möglichst auch Komponenten unterschiedlicher Hersteller zusammenarbeiten. Das Controller Area Network (CAN) verbindet mehrere gleichberechtigte Komponenten (Knoten, Node) über einen 2-Draht-Bus plus zusätzlicher Masseleitung miteinander.
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Dies bietet den Vorteil, dass die Steuerelektronik gleichzeitig die Anforderungen des Motors des E-Fahrzeugs, bereitgestellt durch den Austausch von Motorkontrolldaten, als auch die Betriebsdaten der Batterien zum Erstellen der Steuerbefehle berücksichtigen kann. Wird beispielsweise bei einer drohenden Überlastungssituation der Batterieeinheit nur ganz wenig Leistung von dem Motor verlangt, kann das Abschalten der Batterieeinheit eventuell zunächst verschoben werden. Die Kontrolldaten können auch dergestalt sein, dass die Steuerelektronik Steuerbefehle generiert, um weitere Batterieeinheiten hinzuzuschalten. Der Smart-Connector bietet also eine intelligente Batterienüberwachung, Steuerung und Regelung sowie eine Kommunikationsverbindung aus. Noch einmal in anderen Worten: zur Steuerung und Regelung der physikalischen Vorgänge in den Zellen einer Batterieeinheit bzw. eines Akkus und dessen Zellenpaketen werden unter anderem Leistungstrennschalter, sogenannte MOSFETS, Transistoren, die Leistung unter Last schalten können, benötigt. Diese schützen die Batterieeinheit vor Unter- und Überspannung und Kurzschluss. Hierzu werden herkömmlicherweise eine Anzahl externer Leistungstrennschalter notwendig, die der Anzahl der Batterieeinheiten entspricht. Bei dem erfindungsgemäßen Smart-Connector werden die Leistungsschalter quasi softwaretechnisch durch die Steuerbefehle integriert wodurch Herstellungskosten und Herstellungsaufwand deutlich reduziert werden, da die softwaretechnisch implementierten Leistungstrennschalter der BMS verwendet werden.
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Vorzugsweise ist der Kontakt zur Datenkommunikation als CAN-Bus-Kommunikation eingerichtet ist.
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Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass effizient auf das typischerweise schon in den Batterieeinheiten vorhandene interne CAN-Bus-System zugegriffen werden kann und prinzipiell alle Komponenten, insbesondere der Leistungsschalter, der Batterieeinheit, die an das CAN-Bus-System angeschlossen sind, Steuerbefehle erhalten können. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind also zwei voneinander getrennte und unabhängige CAN-Bus-Systeme vorgesehen, nämlich der Kontakt zur Datenkommunikation und wie vorstehend schon beschrieben die erste Schnittstelle. Hierdurch können standardisierte Batterien einfach an verschiedene Applikationen angepasst werden, indem lediglich das Protokoll der Steuerelektronik zur Motorkontrolleinheit angepasst wird.
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Zweckmäßigerweise weisen die Steuerbefehle Signale auf um die Batterieeinheit an- oder auszuschalten.
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Dies bietet den Vorteil, dass Batterien im Überlastungsfall schnell und zuverlässig abgeschaltet werden können aber auch, dass mehrere Batterieeinheiten flexibel parallel oder je nach Systemarchitektur auch in Reihe geschaltet werden können. Die Verwendung von mehr als einer Batterieeinheit wird nachstehend noch ausführlicher beschrieben.
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Im Fall von mehr als einer Batterieeinheit kann hierdurch das Problem behoben werden, dass Batterien nicht bei zu starken Unterschieden ihrer jeweiligen Ausgangsspannung parallel betrieben werden sollten, da in diesem Fall unerwünschte Störströme zwischen den Batterieeinheiten fließen würden. Die Steuerelektronik kann also beispielsweise detektieren (über BMS-Informationen), dass die Spannung einer ersten Batterie in einem Maße höher ist als die Spannung einer zweiten Batterie, sodass die Differenz größer ist als eine vorgegebene Spannungstoleranz innerhalb welcher Batterien parallel betrieben werden können.
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In diesem Falle generiert die Steuerelektronik Befehle zum Anschalten respektive zum Weiterbetreiben der ersten Batterie und zum Ausschalten der zweiten Batterie zum Betrieb des E-Fahrzeugs. Während des Betriebs des E-Fahrzeugs wird demnach die Ausgangsspannung der ersten Batterie stetig kleiner, sodass wahlweise die zweite Batterie mittels eines neuen Steuerbefehls hinzu geschaltet wird, wenn sich die Spannungen der beiden Batterien innerhalb der Spannungstoleranz befinden. Hierfür kann der Algorithmus Leistungsanforderungen des Systems, wie herrschende Temperaturen und/oder das Alter der einzelnen Batterien beachten. Eine weitere Möglichkeit ist auch, dass die erste Batterie so lange alleine betrieben wird bis der Unterschied der beiden Batterien ebenfalls wieder größer ist als die Spannungstoleranz und dass dann die erste Batterie durch den Steuerbefehl abgeschaltet und die zweite Batterie angeschaltet wird.
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Bevorzugt kann der Nutzer des E-Fahrzeugs über ein Interface wählen, ob er mehrere Batterieeinheiten parallel betreiben oder beispielsweise zunächst eine der Batterieeinheit leer fahren möchte. Die letztere Variante eignet sich insbesondere dann, wenn der Nutzer Batterieeinheiten zum Aufladen mit ins Haus nimmt. Für den Nutzer ist es nämlich zumeist komfortabler eine einzige Batterieeinheit, die vollständig entladen ist, mitzunehmen als zwei Batterieeinheiten, die jeweils einen Ladezustand von 50 % aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der intelligente elektrische Verbindungsstecker in das elektrisch betriebene Nutzerfahrzeug oder in die Batterieeinheit integriert oder ist als ein Adapter zwischen der Batterieeinheit und des elektrisch betriebenen Nutzerfahrzeugs ausgebildet.
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Wenn der Smart-Connector in das E-Fahrzeug integriert ist bietet dies den Vorteil, dass die Batterien standardisiert angeboten werden können und dass beispielsweise ein Hersteller die Besonderheiten seines E-Fahrzeugs schon beim Bau in den in das E-Fahrzeug integrierte Smart-Connector, respektive in dessen Steuerungselektronik, implementieren kann. In dem Fall, dass der Smart-Connector in der Batterieeinheit integriert ist, können die Spezifikationen des E-Fahrzeugs beispielsweise dennoch über die Schnittstelle an die Steuerungselektronik als Parameter übermittelt werden. In ähnlicher Weise können die Spezifikationen des E-Fahrzeugs auch an die Steuerungselektronik des Adapters übermittelt werden. Der Adapter bietet den Vorteil, dass auch eine bestehende Fahrzeugflotte hierdurch einfach technisch aufgerüstet werden kann, sodass standardisierte Batterieeinheiten verwendet werden können.
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Vorzugsweise weist der intelligente elektrische Verbindungsstecker eine zweite Schnittstelle zur Kommunikation mit einem zweiten intelligenten elektrischen Verbindungsstecker auf. Alternativ kann der zweiten intelligenten elektrischen Verbindungsstecker aber auch lediglich als „Kontaktierungsbrücke“ - also ohne Steuerelektronik ausgebildet sein. Ein solch unintelligenter ist kostengünstiger herzustellen.
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Dies ermöglicht den Vorteil, dass in dem E-Fahrzeug mehrere Batterieeinheiten mit jeweils einem Smart-Connector parallel betrieben werden können, und dass die Steuerelektronik der jeweiligen Smart-Connectoren vermittels der zweiten Schnittstelle miteinander kommunizieren können, um die Batterieeinheiten koordiniert zu managen. Beispielsweise kann hierdurch das koordinierte An- bzw. Ausschalten ermöglicht werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerelektronik des ersten intelligenten elektrischen Verbindungssteckers als Master-Einheit und die Steuerelektronik des zweiten intelligenten elektrischen Verbindungssteckers als Slave-Einheit ausgebildet.
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Das Master/Slave-Konzept ist eine Form der hierarchischen Verwaltung des Zugriffs auf eine gemeinsame Ressource meist in Form eines gemeinsamen Datenkanals in zahlreichen Problemstellungen der Regelung und Steuerung. Wären der erste Smart-Connector und der zweite Smart-Connector „gleichberechtigte“ Einheiten, könnte dies zu Interferenzproblemen führen, da beide Smart-Connectoren prinzipiell sich widersprechende Steuerbefehle generieren könnten. Das Master/Slave-Konzept bietet also den Vorteil eines „konfliktfreien“ Betreibens mehrerer Smart-Connectoren. Prinzipiell ist eine beliebige Anzahl von Smart-Connectoren möglich. Auch bei mehr als zwei Smart-Connectoren gilt aber, dass lediglich ein Smart-Connector eine Masterfunktion erfüllt und die restlichen Smart-Connectoren als Slaves fungieren.
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Bevorzugt ist das Stecksystem selbstfindend einsteckbar zum Gegenstecker ausgebildet. Hierunter ist zu verstehen, dass die Pins des Smart-Connectors, die letztlich den elektrischen Kontakt ausbilden, beim Einstecken in einer Art geführt werden, dass diese zuverlässig die entsprechenden Kontakte des Gegensteckers kontaktieren. Selbstverständlich gilt dies auch umgekehrt für Pins des Gegensteckers. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zwischen den verschiedenen Pins des Smart-Connectors ausreichend Platz vorhanden ist, sodass diese zunächst von einer breiteren Führungsöffnung des Gegensteckers aufgenommen werden können, die sich aber in Richtung des entsprechenden „Gegenkontaktes“ verjüngt. Hierdurch wird eine sichere und zuverlässige Führung bereitgestellt, die ein einfaches selbstfindendes Einstecken gewährleistet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Energiebereitstellungssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug angegeben, wobei das Energiebereitstellungssystem umfasst
zumindest zwei in das elektrisch betriebene Fahrzeug integrierte intelligente elektrische Verbindungsstecker - Smart-Connectoren - wie vorstehend beschrieben; wobei die Steuerelektroniken der intelligenten elektrischen Verbindungsstecker durch ihre jeweilige zweite Schnittstelle miteinander kommunizieren, insbesondere ist der erste intelligente elektrische Verbindungsstecker als Master und der zweite intelligente elektrische Verbindungsstecker als Slave konfiguriert, wobei der Slave die Betriebsdaten der ihm zugeordneten Batterieeinheit an den Master weiterleitet;
zumindest zwei Batterieeinheiten zum jeweiligen Einstecken in die intelligenten elektrischen Verbindungsstecker, wobei die Batterieeinheit zumindest abschnittsweise als Gegenstecker ausgebildet sind;
wobei die Steuerelektronik des ersten intelligenten elektrischen Verbindungssteckers eingerichtet ist Betriebsdaten der beiden Batterieeinheiten und Motorkontrolldaten des Fahrzeugs abzufragen und hierauf basierend individuelle Steuerbefehle für die beiden Batterieeinheiten zu generieren.
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Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass E-Fahrzeuge, insbesondere E-Autos, E-Roller oder E-Fahrräder, komfortabel mit standardisierten Batterieeinheiten betrieben werden können, wobei zugleich ein schnelles Wechseln von leergefahrenen Batterieeinheiten ermöglicht wird. Die Batterieeinheiten müssen hierfür lediglich mit entsprechenden Gegensteckern versehen sein.
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Die Steuerelektronik der jeweiligen Smart-Connectoren fragt Betriebsdaten der ihr zugeordneten Batterieeinheit von dem BMS der Batterieeinheit ab. Die Betriebsdaten aller Batterieeinheiten laufen in der Steuerelektronik des ersten Smart-Connectors zusammen und ermöglichen dieser Steuerelektronik quasi als Cluster-Manager für die Batterieeinheiten zu fungieren und diese koordiniert softwaretechnisch zu steuern, indem individuelle Steuerbefehle für die internen Leistungsschalter der Batterieeinheiten generiert und an diese gesendet werden. In die Steuerelektronik des Smart-Connectors, insbesondere des ersten Smart-Connectors, können hardwaretechnisch oder softwaretechnisch Algorithmen implementiert sein, die festlegen wann eine Batterieeinheit ausgeschaltet werden soll, angeschaltet werden kann und/oder ob Batterieeinheiten parallel betrieben werden sollen. Beispielsweise kann ein Hersteller festlegen, dass zwei Batterieeinheiten parallel betrieben werden sollen, wenn der Betrag der Spannungsdifferenz nicht größer ist als 500 mV, bevorzugt 400 mV. Zusätzlich kann der Algorithmus bei der Entscheidung zum Parallelschalten aber auch die Zelltechnologien der jeweiligen Batterieeinheiten und/oder das Alter der Zellen berücksichtigen. Weisen zwei Batterieeinheiten beispielsweise einen deutlichen Unterschied bezüglich des Alters ihrer Zellen auf, kann es sein, dass sich die Ausgangsspannung der älteren Batterieeinheit viel schneller abbaut als die der jüngeren Batterieeinheit. In diesem Fall kann es sich als vorteilhaft erweisen, diese beiden Batterieeinheiten nur bei einer kleineren Spannungsdifferenz, beispielsweise bei einem Betrag der Spannungsdifferenz von kleiner als 100 mV, parallel zu betreiben. Indem die Steuerungselektronik auf die Anforderungen des spezifischen E-Fahrzeugs programmiert wird, wird eine flexible individuelle technische Lösung bereitgestellt.
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Zweckmäßigerweise sind die in die Batterieeinheiten integrierten Leistungsschalter eingerichtet auf die Steuerbefehle anzusprechen. Dies bietet den Vorteil, dass zum An- bzw. Ausschalten der Batterieeinheiten kein externer Schalter eingebaut werden muss, was die Herstellungskosten deutlich reduziert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Steuerbefehle über die jeweiligen CAN-Bus-Systeme der Batterieeinheiten übermittelt.
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Dies bietet den Vorteil, dass effizient auf ein typischerweise schon vorhandenes internes Kommunikationssystem der Batterieeinheiten zurückgegriffen werden kann, welches zugleich in der Lage ist sämtliche steuerbaren Komponenten der Batterieeinheit anzusprechen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsstecker an einer der Straße entgegengesetzten Oberfläche des Fahrzeugs angebracht. Dementsprechend sind die Gegenstecker an einer im eingesetzten Zustand der Straße zugewandten Oberfläche der Batterieeinheiten vorgesehen. Wie vorstehend schon erläutert kann alternativ auch der Gegenstecker dem Fahrzeug zugeordnet sein und der Smart-Connector der Batterieeinheit. In diesem Fall wäre der Gegenstecker an einer der Straße entgegengesetzten Oberfläche des Fahrzeugs, insbesondere im Helmfach eines E-Rollers, angebracht und der Smart-Connector an einer im eingesetzten Zustand der Straße zugewandten Oberfläche der Batterieeinheit vorgesehen.
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Dies bietet den Vorteil, dass bedingt durch die Schwerkraft die Kontakte des Smart-Connectors und des Gegensteckers stetig zueinander kraftbeaufschlagt werden, sodass das Energiebereitstellungssystem davor geschützt ist, dass sich beispielsweise bei Erschütterungen, die während einer Fahrt entstehen können, Verbindungsstrecker und Gegenstecker voneinander lösen und deshalb außer Kontakt geraten. Die Merkmale dieses Ausführungsbeispiels stellen also sicher, dass sich die Kontakte „immer wieder“ finden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Wechseln einer Batterieeinheit in dem vorstehend beschriebenen Energiebereitstellungssystem angegeben, umfassend folgende Schritte Herausziehen einer der Batterieeinheiten und Einschieben des Gegensteckers einer Austauschbatterie in den intelligenten elektrischen Verbindungsstecker des elektrisch betriebenen Fahrzeugs
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Herausziehen einer der Batterieeinheiten und Einschieben des intelligenten elektrischen Verbindungssteckers einer Austauschbatterie in Gegenstecker des elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
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Dies bietet den Vorteil, dass schnell und effizient standardisierte Batterieeinheiten zum Betreiben eines E-Fahrzeugs ausgetauscht werden können.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Figur erläutert:
- 1: zeigt eine Explosionszeichnung des erfindungsgemäßen Smart-Connectors der auch als intelligenter elektrischer Verbindungsstecker bezeichnet ist.
- 2: zeigt den Smart-Connector aus 1 in einer Draufsicht von oben.
- 3: zeigt einen Gegenstecker zu dem Smart-Connector aus 1.
- 4: zeigt den Smart-Connector zusammen mit dem Gegenstecker aus 3.
- 5: einen Master-Smart-Connector und zwei Slave-Smart-Connectoren.
- 6: zeigt schematisch ein Energiebereitstellungssystem eines E-Fahrzeugs mit dem erfindungsgemäßen Smart-Connector.
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Nachfolgend werden zahlreiche Merkmale der vorliegenden Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen ausführlich erläutert. Die vorliegende Offenbarung ist dabei nicht auf die konkret genannten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr lassen sich die hier genannten Merkmale beliebig zu erfindungsgemäßen Ausführungsformen kombinieren, sofern dies nachfolgend nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.
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1 zeigt eine Explosionszeichnung eines Smart-Connectors 100, der auch als intelligenter elektrischer Verbindungsstecker 100 bezeichnet ist. Der Smart-Connector 100 umfasst die folgenden aus Gründen der Übersichtlichkeit in einer Tabelle wiedergegebenen Komponenten.
| Bezugszeichen | Art | Beschreibung | Anzahl |
| 1 | Steuerelektronik | Cluster-Manager | 1 |
| 2 | Kontaktierungen | Kontaktstift (Leistung) | 2 |
| 3 | Kontaktierungen | Schnittstellen-PIN | 8 |
| 4 | Verbrauchsmaterial | Vergussmasse | 1 |
| 5 | Verbrauchsmaterial | Etikett Thermofilm | 1 |
| 6 | Schraubverbindung | Sechskantmutter | 2 |
| 7 | Schraubverbindung | Unterlegscheibe | 2 |
| 8 | Schraubverbindung | Stahlkugel | 5 |
| 9 | Schraubverbindung | Schraube | 6 |
| 10 | Schraubverbindung | Sechskantmutter | 2 |
| 11 | Kabelsatz | Master/Slave | 1 |
| 12 | Kabelsatz | Master/Slave | 1 |
| 13 | Kabelsatz | Betriebsstrom | 1 |
| 14 | Kabelsatz | Betriebsstrom | 1 |
| 15 | Gehäuse | O-Ring | 4 |
| 16 | Gehäuse | Connector | 1 |
| 17 | Gehäuse | Abdeckung | 1 |
| 18 | Gehäuse | Aufnahme Connector | 1 |
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Hierbei ist die Steuerelektronik 1 als ein Cluster-Manager 1 ausgebildet. Dies umfasst, dass die Steuerelektronik 1 sowohl Betriebsinformationen einer oder mehrerer Batterieeinheiten 210, 220 als auch Motorkontrolldaten zugänglich gemacht werden und dass die Steuerelektronik 1 hierauf basierend Steuerbefehle für die eine oder mehrere Batterieeinheiten 210, 220 generiert. Die alternative Bezeichnung als Cluster-Manager 1 für die Steuerelektronik 1 ist darin begründet, dass die Steuerelektronik 1 ausgebildet ist mehrere Batterieeinheiten 210, 220 - auch als „Batterie-Cluster“ bezeichnet - zu koordinieren. Die Steuerelektronik 1 sendet die Steuerbefehle hierzu direkt in ein CAN-Bus-System der Batterieeinheiten 210, 220 und steuert hierdurch die funktionalen Komponenten der Batterieeinheiten 210, 220 direkt an. Insbesondere ermöglicht dies demnach die internen Leistungsschalter der Batterieeinheiten 210, 220 softwaretechnisch zu steuern, sodass vorteilhaft keine externen Leistungsschalter mehr benötigt werden, um die Batterieeinheiten 210, 220 an- oder auszuschalten. Der Smart-Connector 100 kombiniert auf bisher einzigartige Weise: i) Leistungs- und Signalpins für eine für E-Fahrzeuge geeignete Leistungsklasse, ii) Anzahl der Pins, iii) einen > IP65 Sicherheitsstandard, iv) selbstfindend eingerichteten Aufbau inklusive Toleranzausgleich und v) eine Steuerelektronik 1 als ein Cluster-Manager 1.
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2 zeigt den Smart-Connector 100 aus 1 in einer Draufsicht von oben. Der Smart-Connector 100 weist auf einer Oberseite bevorzugt folgende Kontakte auf:
- Die Energie zum Betreiben des E-Fahrzeugs wird von einer Batterieeinheit 210 an einen Minuspol 101 und einen Pluspol 102 des Smart-Connectors 100 übertragen. Die Batterieeinheit 210 ist mit einem Gegenstecker 200 zum Smart-Connector 100 verbunden. Ein „Not Connected“-Kontakt 103 ist als Reservekontakt vorgesehen, sodass prinzipiell ein weiterer Signalisierungskanal in dem Smart-Connector implementiert werden kann. Ein „Chargesense“-Kontakt 104 detektiert, ob die Batterieeinheit 210 geladen wird respektive, ob ein Ladegerät an das E-Fahrzeug angeschlossen ist. Mittels eines „Pushbutton“-Kontakts 105 kann die Batterieeinheit 210 aktiviert werden. Ein „ID Pin“-Kontakt 106 ermöglicht der als Cluster-Manager fungierenden Steuerelektronik eine Zuordnung, welche Batterieeinheit 210 welchem Smart-Connector 100 zugeordnet ist, falls mehrere Smart-Connectoren 100 zum gleichzeitigen Betreiben von mehreren Batterieeinheiten 210, 220 vorgesehen sind. In anderen Worten, um eine bestimmte Batterieeinheit 210, 220 an- bzw. auszuschalten muss der Cluster-Manager wissen, wo diese Batterieeinheit 210, 220 „sitzt“. Ein „Bat“-Kontakt 107 ist ein lastfreier Kommunikationskanal für Signale. Ein „12V“-Kontakt 108 stellt eine konstante Ausgangsspannung von 12 V zum Betreiben elektrischer Komponenten des E-Fahrzeugs, wie beispielsweise Licht, Hupe etc. bereit. Ein „CAN High“-Kontakt 109 und ein „CAN Low“-Kontakt 110 bilden eine Schnittstelle zu einem CAN-Bus der Batterieeinheit 210, 220 aus.
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Die Batterieeinheit 210, 220 weist einen als Gegenstück zum Smart-Connector 100 ausgebildeten Gegenstecker 200 auf der in 3 ebenfalls in einer Draufsicht gezeigt ist. Quasi spiegelbildlich weist der Gegenstecker 200 funktional identische Kontakte wie der Smart-Connector 100 auf, wobei sich die funktional entsprechenden Kontakte gegenseitig kontaktieren, wenn der Gegenstecker 200 auf den Smart-Connector 100 wie in 4 gezeigt selbstfindend aufgesteckt wird. Der Gegenstecker 200 ist wiederum an der Batterieeinheit 210, 220 vorgesehen respektive ein integraler Bestandteil der Batterieeinheit. In 4 ist zu erkennen, dass entsprechende Toleranzen und Verjüngungen von Bauteilen vorgesehen sind, die ein zuverlässiges selbstfindendes Zusammenstecken ermöglichen.
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5 zeigt drei Smart-Connectoren 100. Dies ist der Fall, wenn das E-Fahrzeug mittels dreier Batterieeinheiten 210, 220 mit Betriebsstrom versorgt werden soll. Prinzipiell ist die Anzahl der Smart-Connectoren 100 und die Anzahl der ihnen jeweils zugeordneten Batterieeinheiten 210, 220 aber frei wählbar. Bei mehr als einem Smart-Connector 100 erweist es sich als vorteilhaft nur einer Steuerelektronik 1 die Generierung von Steuerbefehlen zuzuweisen. Diese ausgewählte Steuerelektronik 1 fungiert dann wie vorstehend schon beschrieben als Cluster-Manager 1. Hierzu ist einer der Smart-Connectoren 100a als Master und die beiden anderen Smart-Connectoren 100c, b als Slaves eingerichtet. Um koordinierte Entscheidungen treffen zu können, muss der Master-Smart-Connector 100a insbesondere Zugang zu den Betriebsinformationen der den Slave-Smart-Connectoren 100b, c zugeordneten Batterieeinheiten 210, 220 und zu den Motorkontrolldaten erlangen. Zugleich muss dem Master-Smart-Connector 100a ermöglicht werden die generierten Steuerbefehle an die Slave-Smart-Connectoren 100b, c zu senden.
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Der Master-Smart-Connector 100a ist wie folgt ausgebildet: die kommunikationstechnische Verbindung zu einem Motorcontroller 250, der die Motorkontrolldaten bereitstellt, wird durch eine erste Schnittstelle 230 realisiert. Die kommunikationstechnische Verbindung 238 zu dem Slave-Smart-Connector 100b wird durch eine erste Slave-Schnittstelle 235 realisiert. Hier können der Steuerelektronik 1 des Master-Smart-Connector 100a also alle notwendigen Informationen zur Generierung der Steuerbefehle zugänglich gemacht werden. Prinzipiell ist es auch möglich, dass der Master-Smart-Connector 100a über seine erste Slave-Schnittstelle 235 mit mehreren Slave-Smart-Connectoren 100b, c gleichzeitig kommuniziert allerdings hat sich das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel als verkabelungstechnisch „günstiger“ erwiesen.
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Der Slave-Smart-Connector 100b ist wie folgt ausgebildet: ist der Slave-Smart-Connector 100b der einzige zusätzliche Smart-Connector 100 so genügt es den Slave-Smart-Connector 100b lediglich mit einer Master-Schnittstelle 240 vorzusehen. Vorliegend ist aber, wie 5 zeigt, noch zusätzlich der Slave-Smart-Connector 100c vorgesehen, sodass der Slave-Smart-Connector 100b zusätzlich eine zweite Slave-Schnittstelle 245 zum Aufbau einer kommunikationstechnischen Verbindung 248 mit dem Slave-Smart-Connector 100c aufweist. Über die zweite Slave-Schnittstelle 245 erhält der Slave-Smart-Connector 100b die Betriebsdaten der dem Slave-Smart-Connector 100c zugeordneten Batterieeinheit. Die Steuerelektronik 1 des Slave-Smart-Connector 100b leitet die erhaltenen Betriebsdaten und die Betriebsdaten der ihm zugeordneten Batterieeinheit über die Master-Schnittstelle 240 an den Master-Smart-Connector 100a und damit an den Cluster-Manager 1 weiter.
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Der Slave-Smart-Connector 100c ist wie folgt ausgebildet: der Slave-Smart-Connector 100c weist eine dritte Slave-Schnittstelle 250 auf, um mit dem Slave-Smart-Connector 100b zu kommunizieren. Die in dem Master-Smart-Connector 100a generierten Steuerbefehle können also über die kommunikationstechnischen Verbindungen 238, 248 an beide Slave-Smart-Connectoren 100b, c übermittelt werden.
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6 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Energiebereitstellungssystems 300 für E-Fahrzeuge. Die Betriebsinformationen der Batterieeinheiten 210, 220 sowie Motorkontrolldaten des Motorcontrollers 260 werden an die Steuerelektronik 1, respektive den Cluster-Manager 1, übertragen. Basierend auf diesen Informationen bzw. Anforderungen des Motorcontrollers 260 generiert der Cluster-Manager 1 auf Basis eines, insbesondere vom Hersteller des E-Fahrzeugs, festgelegten Algorithmus Steuerbefehle zur Koordinierung der Batterieeinheiten 210, 220. Der Smart-Connector 100 umfasst bevorzugt zwei CAN-Bus-Schnittstellen. Die eine CAN-Bus-Schnittstelle ist eingerichtet zur Kommunikation mit den internen Komponenten der Batterieeinheiten und die andere CAN-Bus-Schnittstelle ist eingerichtet zur Kommunikation mit dem Motorcontroller 260, wobei der Motorcontroller typischerweise von dem Hersteller des E-Fahrzeugs bereitgestellt wird.
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Der Cluster-Manager 1 des Smart-Connectors 100 überwacht den Status der Batterieeinheiten 210, 220 und entscheidet in Abhängigkeit von mehreren Parametern - beispielsweise Spannung, Temperatur - welche Batterieeinheit 210, 220 aktiviert wird.
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Befinden sich die Ausgangsspannungen beider Batterieeinheiten 210, 220 auf einem vergleichbaren Niveau und die Betriebsinformationen der jeweiligen Batterieeinheiten 210, 220 liefern keine Fehlermeldung, generiert der Cluster-Manager 1 des Master-Smart-Connectors 100a Steuerbefehle zum parallelen Betreiben/Aktivieren beider Batterieeinheiten.
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Sind die Spannungspegel zu sehr verschieden (die zulässige Differenz kann von dem Hersteller in den Cluster-Manager 1 implementiert werden) oder befindet sich eine Batterie im Fehlermodus, aktiviert der Cluster-Manager 1 nur eine Batterie für den seriellen Einsatz. In diesem Fall muss der Motorcontroller 260 die angeforderte Leistung auf die Verfügbarkeit von nur einer Batterieeinheiten 210, 220 anpassen.
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Im seriellen Modus aktiviert der Cluster-Manager 1 die Batterieeinheit 210, 220 mit dem höchsten Spannungsniveau, wenn sich die „Anwendung“ im Entladungsmodus (z. B. normaler Fahrbetrieb des E-Fahrzeugs) befindet. Wenn das Spannungsniveau der aktivierten Batterie dem Spannungsniveau der inaktiven Batterie entspricht, aktiviert der Cluster-Manager 1 auch die bisher inaktive Batterie, um in den Parallelmodus zu wechseln.
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Wenn ein Ladegerät an den Cluster-Manager 1 angeschlossen ist, wird die Batterieeinheit 210, 220 mit dem niedrigsten Spannungsniveau aktiviert. Wenn das Spannungsniveau der aktivierten Batterieeinheit 210, 220 mit dem Spannungsniveau der inaktiven Batterieeinheit 210, 220 übereinstimmt, aktiviert der Cluster-Manager 1 auch die bisher inaktive Batterie, um in den Parallelmodus zu wechseln.
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Wenn eine der Batterieeinheiten 210, 220 aufgrund eines Fehlers deaktiviert wird, fährt der Cluster-Manager 1 mit nur einer Batterie fort.
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Der Smart-Connector 100 bietet also folgenden Vorteil gegenüber auf dem Markt erhältlichen Systemen: Die Steuerelektronik 1, die auch als Cluster-Manager 1 betrieben werden kann, wird in den Smart-Connector 100 integriert.
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Dies hat folgende Vorteile gegenüber den anderen Systemen:
- - es ist kein externer Leistungsschalter notwendig, da über Kommunikation die vorhandenen Leistungsschalter in der Batterieeinheit zum Parallelschalten verwendet werden;
- - es wird ein redundantes System aus Sicherheit in der Batterieeinheit und Sicherheit im Cluster-Manager 1 ausgebildet;
- - zwei getrennte CAN-Bus-Systeme: Nämlich ein erstes CAN-Bus-System (Batterieeinheiten 210, 220 untereinander) und zur Applikation hin ein zweites CAN-Bus-System (Smart-Connector 100, Motorcontroller 260). Hier kann das Bussystem der Batterien überall gleich gelassen werden, lediglich vom Cluster-Manager 1 zum Motorcontroller 260 wird das Protokoll angepasst;
- - selbstfindendes Stecksystem für die geforderten Leistungsmerkmale, Pin-Anzahl und Dichtigkeit gegenüber Nässe;
- - einfache Adaption um Applikationen mit unterschiedlichen Antriebssystemen ausstatten zu können und die Batteriesysteme davon unabhängig zu halten. Dies ermöglicht eine Standardisierung der Batterieeinheiten;
- - Reduktion von zusätzlichen Leistungsschaltern.
- - Bei mehrere Steckplätze, könnten des elektrische Fahrzeug auch nur mit einer Batterieeinheit arbeiten, die auf einen Slave-Stecker gesteckt wird. In diesem Fall muss die erste Batterieeinheit nicht auf dem Master sitzen.
