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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem mit mehreren elektrischen Energiespeichern, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufladen einer Energiespeicheranordnung mit mehreren elektrischen Energiespeichern.
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Stand der Technik
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Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einem Elektrofahrzeug beschrieben wird, ist die Erfindung nicht hierauf begrenzt. Vielmehr kann die Erfindung auf beliebige Energiespeicheranordnungen mit mehreren elektrischen Energiespeichern angewendet werden.
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Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge besitzen eine sogenannte Traktionsbatterie, welche elektrische Energie bereitstellt, die zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden kann. Hierbei ist es unter anderem auch möglich, nicht nur eine einzige Traktionsbatterie vorzusehen, sondern gegebenenfalls auch zwei oder mehr elektrische Energiespeicher vorzusehen. Beispielsweise können bei dem Einsatz mehrerer Elektromotoren in einem Fahrzeug für jeden Elektromotor eine separate Traktionsbatterie vorgesehen sein. Ferner können gegebenenfalls auch elektrische Energiespeicher mit unterschiedlichen Eigenschaften vorgesehen sein, beispielsweise ein erster Energiespeicher, der innerhalb einer sehr kurzen Zeit eine hohe Leistung bereitstellen kann und ein weiterer elektrischer Energiespeicher mit einer hohen Energiedichte.
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Die Verwendung mehrerer elektrischer Energiespeicher in einem gemeinsamen System erfordert dabei eine geeignete Ladestrategie, um die eingesetzten Energiespeicher aufzuladen. Insbesondere müssen dabei auch gegebenenfalls die unterschiedlichen Ladezustände der einzelnen Energiespeicher berücksichtigt werden.
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Die Druckschrift
WO 2004/049540 A2 offenbart ein System zum Ausgleich des Ladezustandes von mehreren in Serie geschalteten Energiespeichereinheiten, wobei die einzelnen Energiespeichereinheiten unterschiedliche Ladezustände aufweisen können. Insbesondere kann Energie von einer Energiespeichereinheit an eine andere übertragen werden, wenn der Ladezustand einer Energiespeichereinheit einen Ziel-Ladezustand überschreitet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufladen einer Energiespeicheranordnung mit mehreren elektrischen Energiespeichern, sowie ein Energiespeichersystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- Ein Verfahren zum Aufladen einer Energiespeicheranordnung mit mehreren elektrischen Energiespeichern. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Auswählen eines ersten elektrischen Energiespeichers oder einer ersten Gruppe von elektrischen Energiespeichern aus den mehreren elektrischen Energiespeichern der Energiespeicheranordnung. Insbesondere erfolgt das Auswählen unter Verwendung der von den jeweiligen elektrischen Energiespeichern bereitgestellten elektrischen Spannungen. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Aufladen des ersten elektrischen Energiespeichers oder der Energiespeicher der ersten Gruppe von elektrischen Energiespeichern. Das Aufladen des oder der elektrischen Energiespeicher erfolgt dabei unter Verwendung einer an einem Ladeanschluss bereitgestellten elektrischen Energie. Dabei werden der oder die elektrischen Energiespeicher aufgeladen, bis die elektrische Spannung an dem ersten elektrischen Energiespeicher oder an den elektrischen Energiespeichern der ersten Gruppe von elektrischen Energiespeichern einen vorbestimmten Schwellwert erreicht. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Auswählen eines weiteren elektrischen Energiespeichers aus den elektrischen Energiespeichern der Energiespeicheranordnung. Das Auswählen des weiteren elektrischen Energiespeichers erfolgt dabei unter Verwendung der von den jeweiligen elektrischen Energiespeichern bereitgestellten elektrischen Spannungen. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Aufladen des ersten elektrischen Energiespeichers oder der ersten Gruppe von elektrischen Energiespeichern gemeinsam mit dem ausgewählten weiteren elektrischen Energiespeicher. Auch das Aufladen des ersten elektrischen Energiespeichers oder der Gruppe von elektrischen Energiespeichern mit dem weiteren elektrischen Energiespeicher erfolgt unter Verwendung der an dem Ladeanschluss bereitgestellten elektrischen Energie. Das Aufladen erfolgt insbesondere nachdem die elektrische Spannung an dem ersten elektrischen Energiespeicher oder der ersten Gruppe von elektrischen Energiespeichern den vorbestimmten Schwellwert überschritten hat.
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Weiterhin ist vorgesehen:
- Eine Ladevorrichtung für eine Energiespeicheranordnung mit einer Anzahl von mehreren elektrischen Energiespeichern. Die Ladevorrichtung umfasst einen Ladeanschluss, eine Überwachungseinrichtung, eine Steuereinrichtung und eine Ladeeinrichtung. Der Ladeanschluss ist dazu ausgelegt, mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt zu werden. Die Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, elektrische Spannungen zu erfassen, die von den jeweiligen Energiespeichern der Energiespeicheranordnung bereitgestellt werden. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, einen ersten elektrischen Energiespeicher oder eine erste Gruppe von elektrischen Energiespeichern aus den elektrischen Energiespeichern der Energiespeicheranordnung auszuwählen. Das Auswählen erfolgt dabei insbesondere unter Verwendung der von den jeweiligen elektrischen Energiespeichern bereitgestellten elektrischen Spannungen. Die Ladeeinrichtung ist dazu ausgelegt, den ersten elektrischen Energiespeicher oder die erste Gruppe von elektrischen Energiespeichern unter Verwendung einer an dem Ladeanschluss bereitgestellten elektrischen Energie aufzuladen. Das Aufladen erfolgt insbesondere bis die elektrische Spannung an dem ersten elektrischen Energiespeicher oder den elektrischen Energiespeichern der ersten Gruppe von elektrischen Energiespeichern einen vorbestimmten Schwellwert erreicht hat. Darüber hinaus ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, einen weiteren elektrischen Energiespeicher aus den elektrischen Energiespeichern der Energiespeicheranordnung auszuwählen, wobei das Auswählen unter Verwendung der von den jeweiligen elektrischen Energiespeichern bereitgestellten elektrischen Spannungen erfolgt. Anschließend ist die Ladeeinrichtung dazu ausgelegt, den ersten elektrischen Energiespeicher oder die erste Gruppe von elektrischen Energiespeichern gemeinsam mit dem ausgewählten weiteren elektrischen Energiespeicher aufzuladen. Das Aufladen erfolgt dabei unter Verwendung der an dem Ladeanschluss bereitgestellten elektrischen Energie. Insbesondere erfolgt das Aufladen des ersten elektrischen Energiespeichers oder der ersten Gruppe von elektrischen Energiespeichern gemeinsam mit dem weiteren elektrischen Energiespeicher nachdem die elektrische Spannung an dem ersten elektrischen Energiespeicher oder der ersten Gruppe von elektrischen Energiespeichern den vorbestimmten Schwellwert überschritten hat.
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Schließlich ist vorgesehen:
- Ein Energiespeichersystem mit mehreren elektrischen Energiespeichern und einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Energiespeicheranordnung mit mehreren elektrischen Energiespeichern, wie beispielsweise einer Anordnung von mehreren aufladbaren Batterien, beispielsweise Traktionsbatterien eines Elektrofahrzeugs, die einzelnen elektrischen Energiespeicher unterschiedliche Ladezustände aufweisen können. Da die von einer Batterie bereitgestellte elektrische Spannung in der Regel im Zusammenhang mit dem Ladezustand steht, können die verschiedenen elektrischen Energiespeicher einer solchen Energiespeicheranordnung auch unterschiedliche Klemmenspannungen aufweisen. Dies muss beim Aufladen der elektrischen Energiespeicher einer solchen Anordnung berücksichtigt werden.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Ladestrategie für das Aufladen einer solchen Energiespeicheranordnung bereitzustellen. Insbesondere soll durch die vorgeschlagene Strategie ein schnelles und effizientes Aufladen der einzelnen elektrischen Energiespeicher einer solchen Energiespeicheranordnung ermöglicht werden. Dabei soll die elektrische Energie für das Aufladen der einzelnen elektrischen Energiespeicher einer solchen Energiespeicheranordnung vorzugsweise von einem einzelnen Ladepunkt bereitgestellt werden. Insbesondere soll es ermöglicht werden, mittels eines einzigen konventionellen Ladepunktes ein möglichst effizientes und schnelles Aufladen der mehreren Energiespeicher einer Energiespeicheranordnung zu erzielen.
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Die elektrische Energiespeicheranordnung kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von zwei oder mehr elektrischen Energiespeichern umfassen. Beispielsweise kann für ein Elektrofahrzeug mit zwei oder mehr Elektromotoren für jeden einzelnen Elektromotor ein separater Energiespeicher in Form einer Traktionsbatterie vorgesehen sein. Weiterhin können auch für einen einzelnen Elektromotor oder einen anderen elektrischen Verbraucher zwei oder mehr elektrische Energiespeicher vorgesehen sein, welche gleichzeitig oder alternativ elektrische Energie für den jeweiligen Verbraucher bereitstellen können. Auf diese Weise kann beispielsweise die Redundanz und somit die Verfügbarkeit des gesamten Systems erhöht werden. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass die Energiespeicheranordnung mehrere unterschiedlich ausgebildete elektrische Energiespeicher aufweist. Beispielsweise kann die Energiespeicheranordnung einen sogenannten Hochstrom-Energiespeicher aufweisen, welcher innerhalb einer sehr kurzen Zeit eine hohe elektrische Leistung bereitstellen kann. Ferner kann die Energiespeicheranordnung einen oder mehrere Hochenergiespeicher aufweisen, welche eine besonders hohe Energiedichte aufweisen. Grundsätzlich sind beliebige Arten von Kombinationen und/oder Mischformen von unterschiedlichen elektrischen Energiespeichern möglich.
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Für das Aufladen der elektrischen Energiespeicher der Energiespeicheranordnung kann die elektrische Energie von einem beliebigen geeigneten Ladeanschluss bereitgestellt werden. Ein solcher Ladeanschluss kann beispielsweise durch Parameter wie Spannungsform (Gleich- oder Wechselspannung), maximale Ladespannung, maximale Ladeleistung oder ähnliches charakterisiert werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Ladeanschluss um einen Ladepunkt für ein Elektrofahrzeug handeln. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Ladestrategie das Aufladen mehrerer elektrischer Energiespeicher einer Energiespeicheranordnung mittels einer konventionellen Ladesäule, wie sie beispielsweise auch zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs mit nur einer Traktionsbatterie genutzt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Ladestrategie kann bei mehr als zwei elektrischen Energiespeichern auch mehrfach angewendet werden. Beispielsweise kann die Kombination aus erstem elektrischen Energiespeicher oder erster Gruppe von elektrischen Energiespeichern mit dem weiteren elektrischen Energiespeicher ebenfalls als eine weitere Gruppe von Energiespeichern angesehen werden. Diese weitere Gruppe von elektrischen Energiespeichern kann daraufhin gemeinsam bis zu einem weiteren vorbestimmten Schwellwert aufgeladen werden. Anschließend kann daraufhin die weitere Gruppe von elektrischen Energiespeichern gemeinsam mit noch einem weiteren elektrischen Energiespeicher zusammen aufgeladen werden. Auf diese Weise ist es möglich, nach und nach jeweils einen zusätzlichen Energiespeicher in eine gemeinsame Gruppe von elektrischen Energiespeichern aufzunehmen und diese jeweils gemeinsam bis zu einem geeigneten Spannungsniveau aufzuladen. Insbesondere kann dieses schrittweise Hinzufügen von elektrischen Energiespeichern zu der Gruppe der aufzuladenden elektrischen Energiespeicher erfolgen, bis alle aufzuladenden elektrischen Energiespeicher zusammen eine entsprechende Gruppe bilden. Diese Gruppe kann daraufhin gemeinsam aufgeladen werden. Insbesondere kann für dieses gemeinsame Aufladen aller elektrischen Energiespeicher ein konventionelles Ladeverfahren wie beispielsweise ein Konstantstrom-Konstantspannung-Ladeverfahren (CC CV = Constant Current Constant Voltage) angewendet werden. Grundsätzlich sind aber auch beliebige andere geeignete Ladeverfahren zum Aufladen der elektrischen Energiespeicher möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform entspricht der vorbestimmte Schwellwert der elektrischen Spannung des weiteren elektrischen Energiespeichers. Mit anderen Worten, der erste elektrische Energiespeicher oder die erste Gruppe von elektrischen Energiespeichern wird zunächst bis zu einem Spannungswert aufgeladen, der dem Spannungswert des weiteren elektrischen Energiespeichers entspricht. Somit können nach dem Zusammenfassen des ersten elektrischen Energiespeichers oder der ersten Gruppe von elektrischen Energiespeichern mit dem weiteren elektrischen Energiespeicher alle elektrischen Energiespeicher mit einer gleichen, gemeinsamen Ladespannung aufgeladen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird als erster elektrischer Energiespeicher der elektrische Energiespeicher mit der niedrigsten elektrischen Spannung ausgewählt. Alternativ kann als Gruppe von elektrischen Energiespeichern eine Gruppe ausgewählt werden, welche den elektrischen Energiespeicher mit der niedrigsten elektrischen Spannung umfasst. Insbesondere kann die Gruppe von elektrischen Energiespeichern den elektrischen Energiespeicher mit der niedrigsten elektrischen Spannung und der zweitniedrigsten elektrischen Spannung umfassen. Auf diese Weise können schrittweise die Ladezustände der elektrischen Energiespeicher derart angehoben werden, dass sich nach und nach die elektrischen Spannungen der aufzuladenden elektrischen Energiespeicher einander angleichen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann für das Aufladen mehrerer elektrischer Energiespeicher einer Gruppe von elektrischen Energiespeichern die Ladeleistung für die einzelnen elektrischen Energiespeicher individuell in Abhängigkeit der jeweiligen Ladezustände und/oder der elektrischen Spannungen an den elektrischen Energiespeichern angepasst werden.
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Beispielsweise kann ein elektrischer Energiespeicher mit einer niedrigen elektrischen Spannung und/oder einem niedrigen Ladezustand mit einer höheren Ladeleistung aufgeladen werden, als ein weiterer elektrischer Energiespeicher der Gruppe, der eine höhere elektrische Spannung und/oder einen höheren Ladezustand aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, mehrere elektrische Energiespeicher derart parallel aufzuladen, dass sie zeitgleich oder zumindest annähernd zeitgleich eine vorgegebene Zielspannung und/oder einen vorgegebenen Ziel-Ladezustand erreichen.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Auswählen des ersten elektrischen Energiespeichers oder der ersten Gruppe von elektrischen Energiespeichern unter Verwendung einer maximalen Ladeleistung, welche den jeweiligen elektrischen Energiespeichern zugeordnet ist. Ist beispielsweise bekannt, dass ein elektrischer Energiespeicher nur mit einer geringeren maximalen Ladeleistung aufgeladen werden kann, so kann ein solcher Energiespeicher bereits frühzeitig als aufzuladender elektrischer Energiespeicher ausgewählt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass auch ein elektrischer Energiespeicher, der mit einer geringen Ladeleistung aufgeladen werden kann, schnellstmöglich eine gewünschte Zielspannung und/oder einen gewünschten Ziel-Ladezustand erreicht. Übersteigt die am Ladeanschluss verfügbare Ladeleistung dabei die maximale Ladeleistung, die zum Aufladen eines solchen Energiespeichers erforderlich ist, so kann die verbleibende Ladeleistung für ein Aufladen eines oder mehrerer weiterer elektrischer Energiespeicher genutzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die maximale Ladeleistung eines elektrischen Energiespeichers unter Verwendung einer oder mehrerer physikalischer Eigenschaften des elektrischen Energiespeichers, beispielsweise einer Temperatur oder ähnlichem ermittelt werden. Grundsätzlich sind aber auch beliebige andere Parameter oder Vorgaben für die Spezifikation einer maximalen Ladeleistung des elektrischen Energiespeichers möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Aufladen des ersten elektrischen Energiespeichers oder der ersten Gruppe von elektrischen Energiespeichern mittels eines Konstantstrom-Ladeverfahrens.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ladeeinrichtung der Ladevorrichtung für das Aufladen der Energiespeicheranordnung einen Stromrichter. Der Stromrichter kann dazu ausgelegt sein, eine an dem Ladeanschluss bereitgestellte erste elektrische Spannung in eine weitere elektrische Spannung zu konvertieren. Die Ladeeinrichtung kann dabei dazu ausgelegt sein, die an dem Ladeanschluss bereitgestellte erste elektrische Spannung und die konvertierte zweite elektrische Spannung jeweils an unterschiedlichen elektrischen Energiespeichern bereitzustellen. Bei dem Stromrichter kann es sich beispielsweise um einen Gleichspannungswandler handeln, der eine erste am Eingangsanschluss bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine weitere Gleichspannung konvertiert und an dem Ausgang bereitstellt. Alternativ kann es sich bei dem Stromrichter auch um einen Stromrichter handeln, welcher eine an einem Eingang anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung konvertiert. Insbesondere kann dabei auch die Spannungshöhe der am Ausgang bereitgestellten Gleichspannung in geeigneter Weise angepasst werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines elektrischen Energiespeichersystems mit einer Vorrichtung zum Aufladen einer Energiespeicheranordnung gemäß einer Ausführungsform;
- 2 - 4: schematische Darstellungen zur Veranschaulichung von Ladestrategien, wie sie dem Aufladen einer Energiespeicheranordnung gemäß entsprechender Ausführungsformen zugrunde liegen; und
- 5: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Aufladen einer Energiespeicheranordnung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Energiespeichersystems 1 mit mehreren Energiespeichern B1 bis B4 und einer Ladevorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform. Die in 1 gewählte Anzahl von vier Energiespeichern B1 bis B4 ist nur beispielhaft zu verstehen und stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Vielmehr ist jede beliebige Anzahl von zwei oder mehr Energiespeichern B1 bis B4 möglich.
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Bei den elektrischen Energiespeichern B1 kann es sich um beliebige geeignete elektrische Energiespeicher wie beispielsweise Traktionsbatterien für ein Elektrofahrzeug handeln. Die einzelnen elektrischen Energiespeicher B1 bis B4 können beispielsweise alle gleich oder zumindest gleichartig ausgeführt sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die einzelnen Energiespeicher B1 bis B4 zumindest teilweise auch unterschiedlich ausgeführt sind oder zumindest unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise können eine oder mehrere der elektrischen Energiespeicher B1 bis B4 als Hochstrom-Energiespeicher ausgeführt sein, die innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne eine große elektrische Leistung bereitstellen können. Ferner können auch einige der elektrischen Energiespeicher B1 bis B4 als Hochenergiespeicher ausgeführt sein, die eine sehr große Energiedichte aufweisen. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Arten von elektrischen Energiespeichern möglich. Die einzelnen elektrischen Energiespeicher B1 bis B4 können hierbei einen oder mehrere elektrische Verbraucher, beispielsweise innerhalb eines elektrischen Antriebssystems für ein Elektrofahrzeug versorgen. Beispielsweise kann jedem elektrischen Verbraucher ein individueller elektrischer Energiespeicher B1 bis B4 zugeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können auch mehrere elektrische Energiespeicher einem elektrischen Verbraucher zugeordnet sein.
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Zum Aufladen der elektrischen Energiespeicher B1 bis B4 kann an einem Ladeanschluss 11 elektrische Energie bereitgestellt werden. Die elektrische Energie kann als Wechselspannung oder Gleichspannung bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann die zur Verfügung stehende Ladeleistung an dem Ladeanschluss 11 auch durch weitere Parameter, wie beispielsweise (maximale) Spannungshöhe und/oder maximal verfügbare Ladeleistung spezifiziert werden.
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Falls an dem Ladeanschluss 11 eine elektrische Wechselspannung bereitgestellt wird, so kann diese elektrische Wechselspannung mittels eines geeigneten Gleichrichters 12 in eine Gleichspannung konvertiert werden. Dabei kann gegebenenfalls durch den Gleichrichter 12 auch die Spannungshöhe der auszugebenden Gleichspannung angepasst, insbesondere erhöht oder erniedrigt werden. Falls an dem Ladeanschluss 11 eine Gleichspannung bereitgestellt wird, so kann der in 1 dargestellte Gleichrichter 12 entfallen oder bei Bedarf überbrückt werden. Optional kann anstelle des Gleichrichters 12 auch ein Stromrichter vorgesehen sein, der die Spannungshöhe und/oder die Ladeleistung der von dem Ladeanschluss 11 bereitgestellten Ladespannung in geeigneter Weise anpasst.
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Die von dem Ladeanschluss 11 bereitgestellte Gleichspannung oder eine mittels dem Gleichrichter 12 gleichgerichtete Wechselspannung kann durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente S11 bis S14 an den entsprechenden Energiespeicherelementen B1 bis B4 angelegt werden. Auf diese Weise können die entsprechenden Energiespeicherelemente B1 bis B4 aufgeladen werden.
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Darüber hinaus kann mittels eines zusätzlichen Gleichspannungswandlers 13 eine an dem Ladeanschluss 11 bereitgestellte Gleichspannung oder eine mittels des Gleichrichters 12 gleichgerichtete Wechselspannung in eine weitere Gleichspannung konvertiert werden. Diese weitere Gleichspannung kann durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente S21 bis S24 an den entsprechenden Energiespeicherelementen B1 bis B4 bereitgestellt werden. Entsprechend können auch mittels der weiteren Gleichspannung die Energiespeicherelemente B1 bis B4 aufgeladen werden. Dabei kann insbesondere durch das Anpassen der Spannungshöhe der am Ladeanschluss 11 bereitgestellten Gleichspannung oder der mittels des Gleichrichters 12 gleichgerichteten Wechselspannung sowie durch das Anpassen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 13 jeweils die Ladeleistung für die jeweiligen Energiespeicherelemente B1 bis B4 eingestellt werden.
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Das Ansteuern der Schaltelemente S11 bis S14, S21 bis S24 sowie das Einstellen des Gleichspannungswandlers 13 und/oder des Gleichrichters 12 kann beispielsweise mittels geeigneter Steuerbefehle von einer Steuereinrichtung 15 erfolgen. Ferner können unterschiedliche Systemparameter, wie beispielsweise die elektrischen Spannungen an den Energiespeichern B1 bis B4, sowie gegebenenfalls weitere Parameter wie beispielsweise die aktuellen Temperaturen an den Energiespeichern B1 bis B4 oder weitere Parameter erfasst und ausgewertet werden. Beispielsweise können die erforderlichen Parameter, insbesondere die elektrischen Spannungen an den Energiespeichern B1 bis B4 mittels einer Überwachungseinrichtung 14 erfasst und an die Steuereinrichtung 15 weitergeleitet werden. Auf diese Weise kann eine gezielte Steuerung des Ladeverhaltens der einzelnen Energiespeicher B1 bis B4 unter Verwendung der am Ladeanschluss 11 bereitgestellten Ladeleistung erfolgen. Dies wird nachfolgend noch näher ausgeführt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladestrategie für das Aufladen mehrerer elektrischer Energiespeicher B1 bis B4 gemäß einer Ausführungsform. Zunächst wird der elektrische Energiespeicher mit geringsten Ladezustand und/oder der niedrigsten elektrischen Spannung ermittelt. Für die Beschreibung dieser und der nachfolgenden Ladestrategien soll angenommen werden, dass der erste elektrische Energiespeicher B1 den niedrigsten Ladezustand bzw. die niedrigste Spannung aufweist, der zweite Energiespeicher B2 einen höheren Ladezustand bzw. eine höhere Spannung als der erste Energiespeicher B1 aufweist, der dritte Energiespeicher B3 einen höheren Ladezustand bzw. eine höhere Spannung als der zweite Energiespeicher B2 aufweist und der vierte Energiespeicher B4 den höchsten Ladezustand bzw. die höchste elektrische Spannung aufweist. Diese Annahmen dient jedoch lediglich der Erläuterung des Grundprinzips und stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Reihenfolgen für die Ladezustände bzw. elektrische Spannungen der elektrischen Energiespeicher B1 bis B4 möglich.
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Wie in 2 dargestellt, wird der erste elektrische Energiespeicher B1 mit der niedrigsten elektrischen Spannung zunächst so lange aufgeladen, bis die elektrische Spannung des ersten Energiespeichers B1 der elektrischen Spannung des zweiten Energiespeichers B2 entspricht. Hierbei kann die am Ladeanschluss 11 bereitgestellte elektrische Energie vollständig zum Aufladen des ersten elektrischen Energiespeichers B1 genutzt werden. Auf diese Weise kann die elektrische Spannung des ersten elektrischen Energiespeichers B1 und die elektrische Spannung des zweiten elektrischen Energiespeichers B2 sehr schnell angeglichen werden.
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Nachdem durch das Aufladen des ersten elektrischen Energiespeichers B1 die elektrischen Spannungen des ersten und des zweiten elektrischen Energiespeichers B1, B2 zumindest annähernd gleich sind, können im weiteren Verlauf der erste und der zweite elektrische Energiespeicher B1, B2 gemeinsam aufgeladen werden. Insbesondere kann das Aufladen der beiden Energiespeicher B1 und B2 solange erfolgen, bis die elektrische Spannung des dritten Energiespeichers B3 erreicht ist. Nachdem die elektrischen Spannungen an dem ersten und dem zweiten Energiespeicher B1, B2 die elektrische Spannung des dritten Energiespeichers B3 erreicht haben, kann daraufhin ein gemeinsames Aufladen des ersten, zweiten und dritten Energiespeichers B1 bis B3 erfolgen. Dieses Aufladen des ersten bis dritten Energiespeichers B1 bis B3 kann durchgeführt werden, bis alle drei elektrischen Energiespeicher die elektrische Spannung des vierten Energiespeichers B4 erreicht haben. Anschließend können alle vier elektrischen Energiespeicher B1 bis B4 gemeinsam aufgeladen werden.
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Vorzugsweise erfolgt das Aufladen des ersten Energiespeichers, der Kombination aus erstem und zweiten Energiespeicher B1 und B2, sowie der Kombination aus ersten, zweiten und dritten Energiespeicher B1 bis B3 in einem sogenannten Konstantstromverfahren, das heißt es wird jeweils ein Strom mit einer vorgegebenen elektrischen Stromstärke eingeprägt. Nachdem alle aufzuladenden elektrischen Energiespeicher zusammengefasst worden sind, kann das Aufladen des ersten bis vierten elektrischen EnergiespeichersB1 bis B4 mittels eines beliebigen Verfahrens, insbesondere eines sogenannten Konstantstrom-Konstantspannungs-Ladeverfahrens (CC-CV) erfolgen. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Ladeverfahren möglich.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ladestrategie gemäß einer Ausführungsform. Wie in 3 zu erkennen ist, können beispielsweise bereits in einem ersten Schritt mehrere elektrische Energiespeicher zeitgleich aufgeladen werden. Beispielsweise können die beiden elektrischen Energiespeicher B1 und B2 mit den niedrigsten elektrischen Spannungen bzw. der niedrigsten Ladezuständen ausgewählt werden. Insbesondere kann zum Beispiel für diese beiden elektrischen Energiespeicher B1 und B2 jeweils ein Energiebedarf ermittelt werden, der zum Erreichen der elektrischen Spannung des dritten elektrischen Energiespeichers B3 benötigt wird. Entsprechend kann die an dem Ladeanschluss 11 zur Verfügung stehende Ladeleistung derart auf den ersten Energiespeicher B1 und den zweiten Energiespeicher B2 aufgeteilt werden, dass die beiden Energiespeicher B1 und B2 möglichst gleichzeitig das Spannungsniveau des dritten elektrischen Energiespeichers B3 erreichen. Im weiteren Verlauf können dann der erste, zweite und dritte elektrische Energiespeicher B1 bis B3 gemeinsam auf das Spannungsniveau des vierten elektrischen Energiespeichers B4 aufgeladen werden. Anschließend können alle vier elektrischen Energiespeicher B1 bis B4 gemeinsam aufgeladen werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ladestrategie für das Aufladen mehrerer elektrischer Energiespeicher gemäß einer Ausführungsform. Beispielsweise kann die maximale Ladeleistung eines elektrischen Energiespeichers B1 bis B4 aufgrund beliebiger Vorgaben begrenzt sein. Zum Beispiel kann aufgrund einer niedrigen Temperatur des jeweiligen Energiespeichers B1 bis B4, oder beliebiger anderer physikalischer oder chemischer Eigenschaften der jeweilige Energiespeicher B1 bis B4 nur mit einer Ladeleistung aufgeladen werden, die geringer ist als die am Ladeanschluss 11 bereitgestellte maximale Ladeleistung. Im nachfolgenden Beispiel soll angenommen werden, dass zumindest die maximale Ladeleistung des ersten elektrischen Energiespeichers B1 auf eine solche Weise limitiert ist. Daher wird der erste elektrische Energiespeicher B1 mit der maximal möglichen Ladeleistung aufgeladen. Parallel hierzu kann beispielsweise der zweite elektrische Energiespeicher B2 mit einer elektrischen Leistung aufgeladen werden, welche sich aus der Differenz der maximalen Ladeleistung am Ladeanschluss 11 und der maximalen Ladeleistung für den ersten elektrischen Energiespeicher B1 ergibt. Nachdem der zweite elektrische Energiespeicher B2 die elektrische Spannung des dritten elektrischen Energiespeichers B3 erreicht hat, können der zweite und der dritte Energiespeicher B2 und B3 gemeinsam bis zur elektrischen Spannung des vierten elektrischen Energiespeichers B4 aufgeladen werden. Hat zu diesem Zeitpunkt auch der erste elektrische Energiespeicher B1 die elektrische Spannung des vierten Energiespeichers B4 erreicht, so können daraufhin alle vier Energiespeicher B1 bis B4 parallel aufgeladen werden. Andernfalls kann der erste Energiespeicher B1 weiterhin mit der maximal möglichen Ladeleistung aufgeladen werden, und der Rest der zur Verfügung stehenden Ladeleistung kann dazu verwendet werden, die Kombination aus zweitem, dritten und vierten Energiespeicher B2 bis B4 aufzuladen.
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Durch die zuvor beschriebenen Ladestrategien ist es möglich, einerseits eine Energiespeicheranordnung mit mehreren elektrischen Energiespeichern B1 bis B4 rasch und effizient aufzuladen. Insbesondere können durch die beschriebenen Strategien Ladungs- bzw. Spannungsunterschiede zwischen den einzelnen Energiespeichern B1 bis B4 während des Ladevorgangs ausgeglichen werden, ohne dass hierzu ein zusätzlicher Vorgang, wie beispielsweise ein sogenanntes Balancing oder ähnliches erforderlich wäre. Insbesondere kann beispielsweise ein zusätzliches Umladen von Energiespeichern mit einem hohen Ladezustand auf Energiespeicher mit einem niederen Ladezustand vermieden werden. Darüber hinaus ermöglichen die vorgeschlagenen Ladestrategien ein besonders rasches Aufladen der Energiespeicheranordnung mit den mehreren Energiespeichern B1 bis B4, da die am Ladeanschluss 1 zur Verfügung stehende Ladeleistung stets effizient auf die aufzuladenden Energiespeicher B1 bis B4 verteilt werden kann.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Aufladen einer Energiespeicheranordnung mit mehreren elektrischen Energiespeichern B1 bis B4 zugrunde liegt. In einem Schritt S1 wird ein erster elektrischer Energiespeicher oder eine Gruppe von elektrischen Energiespeichern unter Verwendung der von den jeweiligen Energiespeichern bis B4 bereitgestellten Spannungen ausgewählt. Daraufhin erfolgt in Schritt S2 ein Aufladen des ersten Energiespeichers oder der ersten Gruppe von Energiespeichern. Das Aufladen erfolgt insbesondere unter Verwendung der an einem Ladeanschluss 11 bereitgestellten elektrischen Energie. Das Aufladen wird solange durchgeführt, bis die elektrische Spannung an dem ersten Energiespeicher oder der ersten Gruppe von Energiespeichern einen vorbestimmten Schwellwert, insbesondere eine elektrische Spannung des Energiespeichers mit dem zweitniedrigsten Spannungswert erreicht hat.
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Nachdem der erste Energiespeicher bzw. die erste Gruppe von Energiespeichern den vorbestimmten Zielwert für die elektrische Spannung erreicht haben, wird in Schritt S3 mindestens ein weiterer Energiespeicher ausgewählt. Beispielsweise kann der Energiespeicher ausgewählt werden, dessen bereitgestellte Spannung der Spannung entspricht, auf die der erste Energiespeicher bzw. die erste Gruppe von Energiespeichern zuvor aufgeladen wurde. Anschließend kann in Schritt S4 der erste Energiespeicher bzw. die erste Gruppe von Energiespeichern gemeinsam mit dem weiteren ausgewählten Energiespeicher aufgeladen werden.
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Insbesondere kann das Aufladen des ersten Energiespeichers bzw. der ersten Gruppe von Energiespeichern mit dem weiteren Energiespeicher solange durchgeführt werden, bis ein weiterer Ziel-Spannungswert erreicht worden ist. Daraufhin kann noch ein weiterer elektrischer Energiespeicher zu der Gruppe hinzugefügt werden. Dieser Vorgang kann mehrmals solange ausgeführt werden, bis alle elektrischen Energiespeicher gemeinsam aufgeladen werden.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein schnelles und effizientes Aufladen einer Energiespeicheranordnung mit mehreren elektrischen Energiespeichern. Insbesondere kann eine zur Verfügung stehende Ladeleistung gezielt auf einen oder mehrere aufzuladende Energiespeicher verteilt werden. Hierzu können beispielsweise zunächst Energiespeicher mit einer geringen Klemmenspannung bzw. einem geringen Ladezustand aufgeladen werden. Mit steigendem Ladezustand bzw. steigender Klemmenspannung können schrittweise weitere Energiespeicher zu der Gruppe der aufzuladenden Energiespeicher hinzugefügt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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