DE10144282A1 - Energieversorgungssystem mit zwei elektrischen Energiespeichern - Google Patents

Energieversorgungssystem mit zwei elektrischen Energiespeichern

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieversorgungssystem zum Speisen elektrischer Verbraucher mit wenigstens zwei elektrischen Energiespeichern, einer Schaltung zur Verbindung der elektrischen Energiespeicher mit einem elektrischen Gleichstromnetz mit Verbrauchern und mindestens einem Energieerzeuger, bei dem jeder Energiespeicher durch Betätigung von Schaltelementen über Gleichstromwandler mit dem Gleichstromnetz verschaltbar ist. Dazu werden unidirektionale und in ihrer Ausgangsspannung steuerbare Gleichstromwandler eingesetzt. Derartige elektrische Energieversorgungssysteme werden beispielsweise als Bordnetz in Fahrzeugen installiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieversorgungssystem zum Speisen elektrischer Verbraucher mit wenigstens zwei elektrischen Energiespeichern, einer Schaltung zur Verbindung der elektrischen Energiespeicher (Batterien) mit einem elektrischen Gleichstromnetz mit Verbrauchern und mindestens einem Energieerzeuger. Ein solches elektrisches Energieversorgungssystem wird vorzugsweise als Bordnetz in Fahrzeugen installiert.
  • Im Dokument US 4056764 wird ein Energieversorgungssystem mit zwei parallelgeschalteten Batterien mit unterschiedlicher Charakteristik und einem strombegrenzenden Schaltkreis, der einer Batterie vorgeschaltet ist, beschrieben.
  • Das Dokument US 5316868 beschreibt einen Schaltkreis zur elektrischen Verbindung einer Primär- und einer Sekundärbatterie mit einer Last und einer Steuereinheit, die diese Sekundärbatterie im Fall zusätzlich benötigter elektrischer Leistung zuschaltet.
  • Das Dokument EP 0363356 B1 offenbart eine Spannungsversorgung mit einem DC/DC- Wandler für elektronische Geräte, insbesondere für sicherheitsrelevante Geräte in Kraftfahrzeugen, bei der Gruppen von Geräten oder jedem einzelnen Gerät eine separate Versorgungsschaltung mit einer unabhängigen Hilfsspannungsquelle zugeordnet ist, die bei einer Störung der Versorgungsschaltung die Stromversorgung des zugehörigen elektrischen Geräts aufrecht erhält.
  • Aus dem Dokument EP 0398691 B1 ist ein Energieverteilungssystem bekannt, bei dem in Abhängigkeit der Anwesenheit bzw. Abwesenheit von physikalischen Zuständen, z. B. dem Einsteigen eines Fahrers in ein Fahrzeug, während einer Zeitdauer eine elektrische Verbindung zwischen einer ersten und einer zweiten Energiequelle hergestellt wird.
  • Das Dokument US 5844325 beschreibt ein Mehrfachbatteriesystem und dessen Steuerung, bei dem ein Schalter die Verbindung der gleichen Pole zweier Batterien miteinander und ein zweiter Schalter die Unterbrechung der Versorgung von Hilfsverbrauchern ermöglicht.
  • Die Druckschrift DE 198 55 245 A1 beschreibt eine redundante Spannungsversorgung für elektrische Verbraucher in einem Fahrzeugbordnetz, insbesondere für elektrisch betätigbare Bremsen, mit einem Generator, der zwei getrennte, über einen Gleichspannungswandler galvanisch entkoppelte Spannungszweige versorgt, die jeweils mit einem eigenen Spannungsspeicher und mit den elektrischen Verbrauchern verbindbar sind, wobei zwischen jeder Batterie und dem zugehörigen Spannungszweig und zwischen jeder Batterie und dem Verbraucher Schaltelemente liegen, die im Normalfall in leitendem Zustand sind.
  • Das Dokument DE 199 51 128 A1 zeigt ein Verfahren zur Spannungsregelung in einem Fahrzeugbordnetz mit zwei von einem Generator aufladbaren Batterien, die zur Versorgung von Verbrauchern dienen und miteinander über einen Spannungswandler einer Steuereinrichtung verbindbar sind, wobei der Steuereinheit motor- oder bordnetztypische Informationen zuführbar sind, die von einem Mikrocomputer verarbeitet werden und die Ladeleistung für die Starterbatterie zeitlich an schwankende Leistungsaufnahmen elektrischer Verbraucher und an motordrehzahlabhängig schwankende Leistungsabgaben des Generators bzw. an die Generatorauslastung anpassbar ist.
  • In diesen bekannten Energieversorgungssystemen mit zwei Batterien ist es nicht oder nur begrenzt möglich ein gezielte Batteriemanagement zur Vermeidung von Systemausfällen durch Mangelladung und Batterieversagen zu betreiben und die Notlauffähigkeit sicherzustellen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energieversorgungssystem mit wenigstens zwei elektrischen Energiespeichern anzugeben, das durch die Möglichkeit des Batteriemanagements und einer Redundanz im Falle eines Batterieversagens eine verbesserte Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Energieversorgungssystem der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem ermöglicht eine Entkopplung aller Energiespeicher vom Gleichstromnetz durch das Zwischenschalten eines Gleichstromwandlers. Jede Batterie kann vorzugsweise über einen Leistungsschalter direkt mit dem Gleichstromnetz und über einen Lastschalter mit dem Gleichstromwandler verbunden werden. Es ist aber auch sinnvoll Halbleiterschaltelemente an Stelle von Schaltern zu verwenden. Die Ansteuerung der Schaltelemente erfolgt durch ein Steuergerät, in dem durch Sensoren ermittelte Messwerte physikalischer Größen, wie beispielsweise Temperaturen, Druck, Stromstärke oder Spannungshöhe, verarbeitet werden und daraus ein Wert des Ladezustands (SOC, state of charge), ein Wert der Gebrauchstüchtigkeit (SOH, state of health) oder andere abgeleitete Größen für einen Energiespeicher ermittelt wird. Es sind aber auch das gezielte Abschalten einzelner Verbraucher und bedarfsgerechte Eingriffe in ein Motormanagement vorgesehen. Ein besonderer Vorteil des neuen Energieversorgungssystems besteht darin, dass erstmals jede einzelne Batterie unabhängig vom aktuellen Spannungsniveau des Netzes bedarfsgerecht zu laden ist. Dadurch kann eine Mangelladung der wenigstens zwei redundant verschalteten Batterien weitgehend vermieden werden.
  • Bei dem neuen Energieversorgungssystem besteht unter anderem die Möglichkeit, mittels der Steuereinheit den Ladezustand der Batterien zu überwachen. Wird bei den Batterien das Unterschreiten eines kritischen Ladungszustands festgestellt, wird mit einer mehrstufige Ladestrategie begonnen. Wenn beispielsweise durch niedrige Temperaturen die Stromaufnahme zu gering ist, kann jede Batterie über den Gleichstromwandler mit dem Gleichstromnetz verbunden werden. Durch die Steuerung der variablen Ausgangsspannung ist eine temperaturangepasste Ladung möglich.
  • Während der Einzelladung wird durch Überprüfung der Höhe und Dauer der Stromaufnahme die Funktionsfähigkeit der Batterien überprüft. Im Falle eines Defektes wird die schadhafte Batterie komplett freigeschaltet und durch eine Meldung der kurzfristige Austausch veranlasst. Die Notlauffähigkeit wird durch die zweite Batterie sichergestellt.
  • Für den besonders gefährlichen Fall eines spontanen Kurzschlusses einer der wenigstens zwei Batterien wird eine Detektion der Stromrichtung durchgeführt, die außer durch eine Spannungsmessung an mit zu den Batterien in Reihe geschalteten Shunts oder durch Hall- Sonden auch durch Messung des Kontaktspannung der Leistungsschalter erfolgen kann, da nur die Richtungsinformation für die Ansteuerung der Leistungsschalter durch das Steuergerät wichtig ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel für das neue elektrische Energieversorgungssystem ist in Fig. 1 dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Schaltung zur Überwachung der Stromrichtung in den Batterien.
  • Im Einzelnen zeigt Fig. 1 wie die Batterie 1 über einen Leistungsschalter 4 direkt oder indirekt über einen Lastschalter 6 und den Gleichstromwandler 3 mit dem Gleichstromnetz zu verschalten ist. Die Batterie 2 wird über einen Leistungsschalter 5 direkt oder indirekt über einen Lastschalter 7 und den Gleichstromwandler 3 mit dem Gleichstromnetz verschaltet. Die Energieerzeugung wird vorzugsweise mit einem Generator 8 durchgeführt. Für den Anlassvorgang eines Motors ist ein Starter 10 vorgesehen, der über einen Schalter 11 mit dem Gleichstromnetz verbunden wird. Weitere Verbraucher 9 sind angedeutet. Die Steuerung des Gleichstromnetzes und das Batteriemanagement erfolgt durch ein Steuergerät 12. Die vom Steuergerät 12 ausgehenden Wirkungslinien zeigen, dass durch gezielte Beeinflussung von Verbrauchern 9, Generator 8 Einfluss auf die das Gleichstromnetzes zur Sicherung der Spannungsstabilität und von Notlaufeigenschaften genommen wird.
  • Fig. 2 stellt die logische Verknüpfung einer Schaltung zur Überwachung der Stromrichtung in den Batterien 1 und 2 durch Messung der Ströme 14 und 15 in den geschlossenen Leistungsschaltern 4 und 5 dar. Für die Umsetzung in eine Schaltungslogik ist die Auswertung der Stromrichtung in den Batteriepfaden ausreichend. Die Stromrichtungen werden mit den Signalpegel-Umsetzern 13 und 14 gewandelt, so dass eine positiver Strom (Entladung) zu logisch "1" und eine negativer Strom (Ladung) zu logisch "0" wird. Das Ausgangssignale der Umsetzer werden auf je ein zugehöriges UND-Element 16 und 17 und ein Exklusiv- ODER-Element 15 gegeben. Das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Elements 15 wird auf den zweiten Eingang der beiden UND-Elemente 16 und 17 gegeben. Der Ausgang der UND- Elemente 16 und 17 ist mit je einem Auslöser 18 und 19 eines Leistungsschalters 4 und 5 verbunden, der im Fehlerfall die zugehörige Batterie 1 oder 2 durch Öffnen des geschlossenen Leistungsschalters 4 oder 5 vom Gleichstromnetz trennt.
  • In der folgenden Tabelle ist beispielhaft der einfachste Fall der Überwachung eines Bordnetzes mit zwei parallelgeschalteten Batterien beschrieben. In den Spalten I1 und I2 steht für einen Entladestrom einer Batterie ein (+) und für einen Ladestrom ein (-). In den Spalten für die Leistungsschalter 4 und 5 bedeutet eine 1, dass der entsprechende Schalter eingeschaltet, eine 0 dass er ausgeschaltet ist.
  • Ansteuerung der Lastschalter in Abhängigkeit von der Stromrichtung


  • Im Fall 1 werden beide Batterien entladen: die Leistungsschalter 4 und 5 sind geschlossen. Im Fall 2 gibt Batterie 1 Strom ab, Batterie 2 nimmt Strom auf. Schalter 5 wird geöffnet, Batterie 2 ist abgetrennt. Fall 3 zeigt den anderen Fall, bei dem Batterie 1 Strom aufnimmt und Batterie 2 Strom abgibt: Schalter 4 wird geöffnet, Batterie 1 ist abgetrennt. Im Fall 4 werden beide Batterien direkt aus dem Gleichstromnetz geladen und die Schalter bleiben geschlossen.

Claims (14)

1. Elektrisches Energieversorgungssystem zum Speisen elektrischer Verbraucher mit wenigstens zwei elektrischen Energiespeichern, einer Schaltung zur Verbindung der elektrischen Energiespeicher mit einem elektrischen Gleichstromnetz mit Verbrauchern und mindestens einem Energieerzeuger, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Energiespeicher (1, 2) durch Betätigung von Schaltelementen (4, 5, 6, 7) über Gleichstromwandler (3) mit dem Gleichstromnetz verschaltbar ist.
2. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es als Bordnetz in einem Fahrzeug installiert ist.
3. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromwandler (3) unidirektional und in ihrer Ausgangsspannung steuerbar sind.
4. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Gleichstromwandler (3) eingesetzt ist.
5. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromwandler (3) direkt mit dem Gleichstromnetz verbunden ist.
6. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen einem Energiespeicher (1, 2) und dem Gleichstromwandler (3) durch einen Lastschalter (6, 7) hergestellt ist.
7. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die direkte Verbindung zwischen einem Energiespeicher und dem Gleichstromnetz durch einen Leistungsschalter (4, 5) hergestellt ist.
8. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen eines Energiespeichers (1, 2) zum Gleichstromnetz und zum Gleichstromwandler (3) durch Halbleiterschaltelemente hergestellt sind.
9. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigen der Schaltelemente (4, 5, 6, 7) durch ein Steuergerät (12) erfolgt.
10. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (4, 5, 6, 7) oder Gleichstromwandler (3) von einem Steuergerät (12), welches über Sensoren, insbesondere Temperatursensoren, Drucksensoren, Stromsensoren oder Spannungssensoren, physikalische Größen ermittelt und auswertet, ansteuerbar sind.
11. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (4, 5, 6, 7) oder Gleichstromwandler (3) von einem Steuergerät (12), welches aus gemessenen physikalischen Größen, insbesondere einen Wert des Ladezustands (SOC, state of charge), einen Wert der Gebrauchstüchtigkeit (SOH, state of health) oder andere abgeleitete Größen für einen Energiespeicher ermittelt, ansteuerbar sind.
12. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ansteuern von Schaltelementen (4, 5, 6, 7) und Gleichstromwandlern (3) durch ein Steuergerät (12), abhängig von ermittelten physikalischen und abgeleiteten Größen, Energiespeicher bedarfsgerecht zu belasten sind.
13. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ansteuern von Schaltelementen (4, 5, 6, 7) und Gleichstromwandlern (3) durch ein Steuergerät (12), abhängig von ermittelten physikalischen und abgeleiteten Größen, Energiespeicher bedarfsgerecht zu laden sind.
14. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ansteuern von Schaltelementen (4, 5, 6, 7) durch einem Steuergerät (12), abhängig von ermittelten physikalischen und abgeleiteten Größen, fehlerhafte Energiespeicher abschaltbar sind.
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