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Title:
HYBRID ENERGY STORAGE SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/091697
Kind Code:
A1
Abstract:
A hybrid energy storage system comprises at least one first energy store (10a) and at least a second energy store (10b), each with a nominal energy flow at least in one direction, wherein the energy stores exchange electrical energy with one another and/or with at least one external energy source and/or energy sink (16) by means of electro-physical energy flows, using at least one control circuit (50). The control circuit (50) operates the energy sink (16) using at least one boost converter (24), which has at least one electronic switch (30), and/or a buck converter (22) in the event of a required energy flow of the energy sink (16) which is higher than the nominal energy flow of the second energy store (10b), with an energy flow of the first energy store (10a), while the second energy store (10b) supplies an energy flow from zero up to a constant energy flow which corresponds at maximum to the nominal energy flow of the second energy store (10b). As result of the fact that the control circuit (50) has at least one isolation circuit (20) for suppressing positive feedback phenomena of the electronic switch (30) and/or for locking energy back-flows flowing through the electronic switch (30) from the first energy store (10a) to the second energy store (10b), premature degradation, damage and/or overloading of an energy store owing to high energy flows is avoided or alleviated.

Inventors:
LEHMANN, Ringo (Komarowstrasse 48, Zwckau, 08066, DE)
ZACHARIAS, Lutz (An der Schule 10, Gornau/Erzgebirge, 09405, DE)
BODACH, Mirko (Siedlung am Grund 8, Oberlungwitz, 09353, DE)
SLAWINSKI, Sven (Am Feldschlösschen 11, Auerbach/Vogtland, 08209, DE)
MANGLER, Andreas (Schilling-von-Canstatt-Strasse 20, Karlsruhe, 76228, DE)
KRIEG, Markus (Buchenweg 35, Ispringen, 75228, DE)
Application Number:
EP2017/079696
Publication Date:
May 24, 2018
Filing Date:
November 18, 2017
Export Citation:
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Assignee:
RUTRONIK ELEKTRONISCHE BAUELEMENTE GMBH (Industriestrasse 2, Ispringen, 75228, DE)
International Classes:
B60L3/00; B60L11/18; H02M3/158; H03K17/30
Domestic Patent References:
WO2003088373A22003-10-23
Foreign References:
US20110272205A12011-11-10
US20110032733A12011-02-10
DE102012013413A12014-01-09
US20110084648A12011-04-14
DE102008021875A12009-10-08
US20090317696A12009-12-24
Other References:
KIM JONG-SEOK ET AL: "High-efficiency peak-current-control non-inverting buck-boost converter using mode selection for single Ni-MH cell battery operation", ANALOG INTEGRATED CIRCUITS AND SIGNAL PROCESSING, SPRINGER NEW YORK LLC, US, vol. 89, no. 2, 4 July 2016 (2016-07-04), pages 297 - 306, XP036067634, ISSN: 0925-1030, [retrieved on 20160704], DOI: 10.1007/S10470-016-0787-0
T. NABESHIMA; T. SATO; K. NISHIJIMA; S. YOSHIDA: "A Novel Control Method of Boost and Buck-Boost Converters with a Hysteretic PWM Controller", EPE 2005, 2005, pages 1 - 6
Attorney, Agent or Firm:
RPK PATENTANWÄLTE REINHARDT, POHLMANN UND KAUFMANN PARTNERSCHAFT MBB (Grünstraße 1, Pforzheim, 75172, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1 . Hybrides Energiespeichersystem, umfassend

- wenigstens zwei Energiespeicher, umfassend einen ersten Energiespeicher (10a) und einen zweiten Energiespeicher (10b) mit jeweils einem nominalen Energiestrom, wobei die Energiespeicher (10a, 10b) mit Hilfe wenigstens einer Steuerungsschaltung (50) untereinander und/oder mit wenigstens einer externen Energiequelle und/oder wenigstens einer externen Energiesenke (16) elektrische Energie mittels elektrophysikalischer Energieströme wenigstens in einer Richtung austauschen,

- wobei die Steuerungsschaltung (50) mit Hilfe von wenigstens einem Hochsetzsteller (24), der wenigstens einen elektronischen Schalter (30) aufweist, und/oder wenigstens einem Tiefsetzsteller (22) die Energiesenke (16) im Falle eines benötigten Energiestroms der Energiesenke (16), der höher als der nominale Energiestrom des zweiten Energiespeichers (10b) ist, mit einem Energiestrom des ersten Energiespeichers (10a) bedient, während der zweite Energiespeicher (10b) einen Energiestrom von null oder einen konstanten Energiestrom liefert, der maximal dem nominalen Energiestrom des zweiten Energiespeichers (10b) entspricht,

dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung (50) wenigstens eine Entkopplungsschaltung (20) zur Unterdrückung von Mitkopplungserscheinungen des elektronischen Schalters (30) und/oder zur Verriegelung von durch den elektronischen Schalter (30) vom ersten Energiespeicher (10a) zum zweiten Energiespeicher (10b) fließenden Energierückströmen aufweist.

2. Hybrides Energiespeichersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter (30) wenigstens einen Transistor, vorzugsweise wenigstens einen MOSFET aufweist.

3. Hybrides Energiespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (10a) wenigstens die gleiche Nominalspannung und/oder wenigstens den gleichen Nominalstrom wie der zweite Energiespeicher (10b) aufweist.

4. Hybrides Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsschaltung (20) wenigstens eine digitale Entkopplungsschaltung und/oder wenigstens eine analoge Entkopplungsschaltung aufweist.

5. Hybrides Energiespeichersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die analoge Entkopplungsschaltung wenigstens eines der folgenden Elemente aufweist, umfassend wenigstens einen Begrenzer (42), wenigstens ein Proportionalglied (44), wenigstens ein Integrierglied (46) und/oder wenigstens einen Komparator (40).

6. Hybrides Energiespeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalglied (44) wenigstens einen Widerstand aufweist, der den Strom in den Komparator (40) begrenzt.

7. Hybrides Energiespeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Integrierglied (46) wenigstens einen Kondensator aufweist, der Mitt- kopplungserscheinungen des Schalters (30) unterdrückt.

8. Hybrides Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsschaltung (20) wenigstens ein UND-Gatter (38) zur Abschaltung des elektronischen Schalters (30) bei ausgeschaltetem Hochsetzsteller (24) aufweist.

9. Hybrides Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung (50) wenigstens eine Messwerterfassung (12) zur Erfassung von Messwerten der Energiespeicher (10a, 10b) und/oder der Energiequelle und/oder Energiesenke (16) aufweist.

10. Verfahren zur Steuerung wenigstens eines elektrophysikalischen Energiestroms wenigstens in einer Richtung zwischen wenigstens zwei Energiespeichern, umfassend einen ersten Energiespeicher (10a) und einen zweiten Energiespeicher (10b) mit jeweils einem nominalen Energiestrom und/oder wenigstens einer externen Energiequelle und/oder wenigsten einer externen Energiesenke (16), mit wenigstens einer Steuerungsschaltung (50) mit wenigstens einem Hochsetzsteller (24), der wenigstens einen elektronischen Schalter (30) aufweist, und/oder wenigstens einem Tiefsetzsteller (22), wobei die Energiesenke (16) im Falle eines benötigten Energiestroms, der höher als der nominale Energiestrom des zweiten Energiespeichers (10b) ist, mit einem Energiestrom des ersten Energiespeichers (10a) bedient wird, während der zweite Energiespeicher (1 Ob) einen Energiestrom von null oder einen konstanten Energiestrom liefert, der maximal dem nominalen Energiestrom des zweiten Energiespeichers (10b) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass Mitkopplungserscheinungen des elektronischen Schalters (30) unterdrückt und/oder durch den elektronischen Schalter (30) vom ersten zum zweiten Energiespeicher (10a, 10b) fließende Energierückströme unterdrückt werden.

1 1 .Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitkopplungserscheinungen wenigstens eines als elektronischer Schalter (30) verwendeten Transistors und/oder durch den Transistor fließende Energierückströme unterdrückt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Transistor ein MOSFET verwendet wird.

Description:
Hybrides Energiespeichersystem

Beschreibung Bezug zu verwandten Anmeldungen

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf und beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 122 383.2, hinterlegt am 21 . November 2016, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich auch in seiner Gesamtheit zum Gegen- stand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein hybrides Energiespeichersystem zum Austausch von Ener- gien mithilfe einer beliebigen Kombination verschiedener Energiespeicher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 .

Stand der Technik Hybride Energiespeicher werden bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, beispielsweise in der automobilen Anwendung, im Bereich der Industrie, bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), in der Medizintechnik (z.B. Defibrillato- ren) und für elektrische Werkzeuge. Diese Anwendungen zeichnen sich dadurch aus, dass unterschiedliche Zustände auftreten, in denen unterschiedliche Energien und/oder Energiemengen benötigt werden. Beispielsweise werden beim Starten einer Bohrmaschine hohe Energien bzw. ein hoher Strom benötigt, wohingegen beim weiteren Betrieb der Bohrmaschine, sobald die Bohrmaschine„einmal angelaufen" ist, bei Nennlast wesentlich geringere Energien bzw. Ströme für den Betrieb benötigt werden. Überdies verursachen dynamische mechanische Belastungen hohe fluktuie- rende Ströme. Gleiches gilt in ähnlicher Weise für Elektroantriebe, welche z.B. in Elektrofahrzeugen oder Fahrzeugen mit einem hybriden Antriebssystem zum Einsatz kommen. Da jedoch jeder Energiespeicher einen sogenannten Komfortbereich aufweist, in welchem der Energiespeicher ohne Beschädigung betrieben werden kann, komnnt es folglich zu Problemen bei wechselnder, unterschiedlicher Energieentnahme. Wird der Energiespeicher außerhalb seines Komfortbereiches betrieben, kann es zur Beschädigung des Energiespeichers bzw. zu einer Degradation und damit langsamen Zerstörung des Energiespeichers kommen, wodurch sich unter anderem die Zyklenfestigkeit des Energiespeichers verschlechtert.

Hybride Energiespeichersysteme, bestehend aus mehreren Energiespeichern, erlauben eine Arbeitsteilung: Während ein Energiespeicher in seinem Komfortbereich konstant Energie für eine kontinuierliche Leistung liefert, übernimmt der andere Energiespeicher kurzzeitige Spitzenenergieströme, sodass jeder der Energiespeicher in seinem Komfortbereich betrieben werden kann und es so zu keiner Beschädigung der Energiespeicher kommt. So lässt sich die Lebensdauer der Energiespeicher sowie deren Zyklenfestigkeit verbessern. In der DE 10 2012 013 413 A1 ist eine Anordnung elektrochemischer Energiespeicher offenbart, welche einen ersten elektrochemischen Energiespeicher und einen zweiten elektrochemischen Energiespeicher aufweist. Beide Energiespeicher sind derart zusammengeschaltet, dass die Energiespeicher über Energieströme untereinander und mit wenigstens einer externen Energiequelle und/oder mit wenigstens einer externen Energiesenke Energie austauschen können. Weiterhin ist eine Einrichtung zur Steuerung der Energieströme vorgesehen, sodass eine Schädigung o- der Überlastung des ersten Energiespeichers unter Inkaufnahme einer Schädigung des zweiten Energiespeichers vermieden oder gemindert werden kann. Eine Schädigung des einen Energiespeichers wird dabei zwar gemindert, jedoch nur unter In- kaufnahme der Schädigung des anderen Energiespeichers.

In der US 201 1/0084648 A1 sind ein hybrides Energiespeichersystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines hybriden Energiespeichersystems offenbart. Das hybride Energiespeichersystem weist einen Ultra-Kondensator, welcher mit einer Gleich- stromsammelschiene verbunden ist, sowie eine über einen Schalter mit der Gleich- stromsammelschiene verbundene Energiequelle auf. Ultra-Kondensator und Stromquelle sind beide an einen Gleichspannungswandler angeschlossen. Das hybride Energiespeichersystem arbeitet in vier Modi. In einem Niederenergiemodus stellt der Gleichspannungswandler benötigte Energie zur Verfügung, sodass der Ultra- Kondensator auf einem höheren Spannungsniveau als das der Energiequelle gehalten wird. In einem Hochenergiemodus kann die benötigte Energie nicht mehr durch den Gleichspannungswandler zur Verfügung gestellt werden, das Spannungsniveau des Ultra-Kondensators kann nicht aufrechterhalten werden, und die Energiequelle wird über den Schalter mit der Gleichstromsammelschiene verbunden. In einem Spitzenenergiemodus wird der Ultra-Kondensator verwendet, um die Energie der Energiequelle zu erhöhen. In einem kontrollierten Auflademodus wird von der Anwendung erzeugte Energie dazu verwendet, um den Ultra-Kondensator aufzuladen.

Eine Potentialwandlervorrichtung mit einem ersten Speicherkondensator, einem zweiten Speicherkondensator sowie einer Wandlereinrichtung ist in der DE 10 2008 021 875 A1 offenbart. Der erste Speicherkondensator wird mittels einer Energiequelle mit Energie versorgt. Die Wandlereinrichtung ermöglicht eine Energieübertragung vom ersten zum zweiten Speicherkondensator, falls der Potentialverlauf des ersten Kondensators einen ersten Schwellwert erreicht, solange bis der Potentialverlauf des zweiten Kondensators einen zweiten Schwellwert erreicht, der größer ist als der erste Schwellwert. Ferner wird der erste Kondensator in einer Zeitspanne mit Hilfe der Energiequelle aufgeladen, sodass während dieser Zeitspanne aus dem zweiten Kondensator Energie für einen angeschlossenen Verbraucher entnommen werden kann.

In der Druckschrift "T. Nabeshima; T. Sato; K. Nishijima; S. Yoshida: A Novel Control Method of Boost and Buck-Boost Converters with a Hysteretic PWM Controller. In: EPE 2005, Dresden, 2005, Seiten 1 -6" ist ein Verfahren für einen Tief- Hochsetzsteller mit Hilfe eines Hysterese-Pulsbreitenmodulations-Reglers offenbart. Mit Hilfe einer RC-Schaltung, die mit einer Hilfswicklung des Induktors verbunden ist, wird eine Dreieckspannung erzeugt, welche mit der Ausgangsspannung des Tief- Hochsetzstellers überlagert und einem Hysterese-Komparator als ein Rückkopp- lungssignal zugeführt wird. Es ergibt sich so keine stationäre Fehlerspannung am Ausgang und es werden Schwankungen der Eingangsspannung und des Laststroms ausgeglichen. Aus der US 2009/0317696 A1 ist eine Batterievorrichtung mit einer Lithiumbattene und einer Bleisäurebatterie bekannt. Eine Kontrollschaltung weist eine Spannungs- detektionseinrichtung sowie eine Spannungshochsetzeinrichtung auf. Die Spannung der Bleisäurebatterie wird automatisch detektiert und als Referenzpunkt verwendet. Im Anschluss wird die Spannung der Lithiumbatterie auf den Referenzpunkt bzw. auf die Spannung der Bleisäurebatterie erhöht. In dieser Offenbarung wird zwar eine Beschädigung der Bleisäurebatterie durch die Unterstützung der Lithiumbatterie vermindert, jedoch geschieht dies auf Kosten der Lithiumbatterie. In der WO 03/088373 A2 ist eine hybride Batterieanordnung offenbart mit einem Hochleistungsgerät und einer Hochenergiebatterie, wobei mit Hilfe eines Mikroprozessors, je nach Strombedarf der Last, das Hochleistungsgerät und/oder die Hochenergiebatterie über einen Schalter der Last zugeschaltet wird. Als Schalter wird ein Feldeffekttransistor offenbart. Die Hochenergiebatterie ist mittels eines Gleichspan- nungswandlers während einer Ausschaltzeit in der Lage, das Hochleistungsgerät wiederaufzuladen. Jedoch weist ein Feldeffekttransistor herstellungsbedingt die Eigenschaft einer bidirektionalen Leitfähigkeit auf, sodass ein Hochsetzvorgang nicht stattfinden kann, da nach jedem Schaltvorgang die hochgesetzte Spannung sich durch einen fließenden Rückwärtsstrom vom höheren Potential zum niedrigen Po- tential wieder abbaut.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Auf- gäbe zugrunde, eine Schädigung, vorzeitige Alterung/Degradation und/oder Überlastung eines Energiespeichers infolge hoher Energieströme zu vermeiden bzw. zu vermindern und eine applikationsspezifische Rekuperationsfähigkeit zu ermöglichen.

Dies wird mit einem hybriden Energiespeichersystem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , sowie mit einem Verfahren zur Steuerung wenigstens eines elektrophysikalischen Energiestroms mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch Erläutern der Sachverhalte aus der Beschreibung durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. In dieser Anmeldung wird von Energien, Energieströmen und Energiespeichern gesprochen. Hiermit sind elektrophysikalische Energien gemeint, welche beispielsweise durch Spannungen und Ströme hervorgerufen werden. Möglich sind aber auch kapazitive und/oder induktive Energien. Weiterhin sind die Energiespeicher elektro- physikalisch und/oder elektrochemisch arbeitende Energiespeicher.

Unter„Mitkopplungserscheinungen" werden hier hochfrequente Schaltvorgänge verstanden, die bis zur Zerstörung der Entkopplungsschaltung 20 wie z.B. zur Zerstörung des hierzu verwendeten OR-MOSFET führen können. Das hybride Energiespeichersystem weist wenigstens zwei Energiespeicher, einen ersten elektrophysikalisch arbeitenden Energiespeicher und einen zweiten elektro- physikalisch arbeitenden Energiespeicher mit jeweils einem nominalen Energiestrom auf. Die Energiespeicher tauschen mit Hilfe wenigstens einer Steuerungsschaltung untereinander und/oder mit wenigstens einer externen Energiequelle und/oder exter- nen Energiesenke elektrische Energie mittels elektrophysikalischer Energieströme wenigstens in einer Richtung aus. Die Steuerungsschaltung weist wenigstens einen Hochsetzsteller, der wenigstens einen elektronischen Schalter aufweist, und/oder wenigstens einen Tiefsetzsteller auf, der die Energiesenke im Falle eines benötigten Energiestroms der Energiesenke, welcher höher ist als der nominale Energiestrom des zweiten Energiespeichers, mit einem Energiestrom des ersten Energiespeichers bedient. Der zweite Energiespeicher liefert einen Energiestrom von Null oder einen konstanten Energiestrom, der maximal dem nominalen Energiestrom des zweiten Energiespeichers entspricht. Vorteilhaft für eine Vermeidung bzw. Verminderung einer Schädigung und/oder Überlastung eines Energiespeichers infolge hoher Ener- gieströme weist die Steuerungsschaltung wenigstens eine Entkopplungsschaltung zur Unterdrückung von Mitkopplungserscheinungen des elektronischen Schalters und/oder zur Verriegelung von durch den elektronischen Schalter vom ersten zum zweiten Energiespeicher fließenden Energierückströmen auf. Die Bezeichnungen erster Energiespeicher und zweiter Energiespeicher sind willkürlich gewählt und stellen keine Einschränkung dar. In der Regel wird als erster Energiespeicher beispielsweise eine Batterie benannt, der dann ein zweiter Energiespei- eher, beispielsweise ein Kondensator, z.B. ein Doppelschichtkondensator hinzugeschaltet wird. Andere Gestaltungsformen und Abläufe sind aber ebenso möglich.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades und zum Schutz vor thermischer Überlastung weist der Schalter wenigstens einen Transistor, beispielsweise einen MOSFET, ei- nen andersartigen Feldeffekttransistor (GaN, SiC) z.B. als OR-MOS-lmplementation auf.

Vorteilhaft zur Bedienung von Spannungen und/oder Strömen von großen Energiesenken, die größer als die des zweiten Energiespeichers sind, weist der erste Ener- giespeicher wenigstens die gleiche Nominalspannung und/oder wenigstens den gleichen Nominalstrom wie der zweite Energiespeicher auf, z.B. die doppelte Nominalspannung und/oder den doppelten Nominalstrom.

Für eine vorzugsweise schnelle Verriegelung der Energierückströme weist die Ent- kopplungsschaltung wenigstens eine digitale und/oder eine analoge Entkopplungsschaltung auf.

Vorteilhaft für eine Unterdrückung von Mitkopplungserscheinungen des Schalters und einer Verriegelung der Energierückströme weist die Entkopplungsschaltung we- nigstens eines der folgenden Elemente auf, nämlich wenigstens einen Begrenzer, wenigstens ein Proportionalglied, wenigstens ein Integrierglied und/oder wenigstens einen Komparator.

Das Proportionalglied weist vorzugsweise wenigstens einen Widerstand auf, der den Strom in den Komparator begrenzt, um die Funktion des Komparators zu gewährleisten. Um vorteilhaft Mitkopplungserscheinungen des Schalters zu unterdrücken, weist das Integrierglied wenigstens einen Kondensator auf.

Zur Erhöhung der Betriebssicherheit der Leistungselektronik, weist die Entkopp- lungsschaltung vorzugsweise wenigstens ein UND-Gatter zur Abschaltung des Schalters bei ausgeschaltetem Hochsetzsteller auf.

Die Steuerungsschaltung weist wenigstens eine Messwerterfassung zur Erfassung von Messwerten der Energiespeicher, der Energiequelle und/oder der Energiesenke auf, wodurch vorteilhaft eine Regelung von Strömen und Spannungen ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Steuerung wenigstens eines elekt- rophysikalischen Energiestroms mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Um eine Schädigung der Schaltung und/oder Überlastung eines Energiespeichers infolge hoher Energieströme zu vermeiden bzw. zu vermindern, werden Mitkopplungserscheinungen des Schalters unterdrückt und/oder durch den Schalter vom ersten zum zweiten Energiespeicher fließende Energieströme unterdrückt. Vorteilhaft wird als Entkopplungsschaltung ein Transistor, beispielsweise ein

MOSFET, ein andersartiger Feldeffekttransistor (GaN, SiC) z.B. als OR-MOS- Implementation verwendet. Der MOSFET wird vorzugsweise zur Erhöhung des Wirkungsgrades und zum Schutz vor thermischer Überlastung verwendet. Dabei wird die immer vorhandene interne parasitäre Diode, bei vorwärts fließendem Strom, durch den MOSFET unterstützend überbrückt und im Sperrfall wirkt nur dessen parasitäre Diode.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch Erläutern der Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. Kurzbeschreibung der Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den beigefügten Figuren darge- stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines hybriden Energiespeichersystems mit zwei Energiespeichern, einer Energiesenke und einer Steuerungsschaltung mit der erfindungsgemäßen Entkopplungsschaltung,

Fig. 2 einen Ausschnitt des elektrischen Schaltplans der Steuerungsschaltung gemäß Figur 1 ,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des hybriden Energiespeichersystems,

Fig. 4 eine Ersatzschaltung eines MOSFETs als Schalter.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird jetzt beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Allerdings handelt es sich bei den Ausführungsbeispielen nur um Beispiele, die nicht das erfinderische Konzept auf eine bestimmte Anordnung beschränken sollen.

Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrens- schritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.

In dieser Anmeldung wird von Energien, Energieströmen und Energiespeichern gesprochen. Hiermit sind elektrophysikalische Energien gemeint, welche beispielswei- se durch Spannungen und Ströme hervorgerufen werden. Möglich sind aber auch kapazitive und/oder induktive Energien. Weiterhin sind die Energiespeicher elektro- physikalisch und/oder elektrochemisch arbeitende Energiespeicher. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines hybriden Energiespeichersystems 100 mit zwei Energiespeichern 10a, 10b, nämlich einem ersten Energiespeicher 10a und einem zweiten Energiespeicher 10b mit jeweils einem nominalen Energiestrom, sowie mit einer Energiesenke 16 und einer Steuerungsschaltung 50. Grundsätzlich können auch mehr als zwei Energiespeicher vorgesehen sein. Die Energiespeicher können mit Hilfe der Steuerungsschaltung 50 elektrische Energie über elektrophysikali- sche/elektrochemische Energieströme wenigstens in einer Richtung untereinander sowie elektrische Energie mit einer externen, von den Energiespeichern bedienbaren Energiesenke 16 austauschen. Wird von der Energiesenke 16 ein höherer Energiestrom als der nominale Energiestrom des zweiten Energiespeichers 10b benötigt, welcher beispielsweise als eine Batterie ausgeführt ist, wird die benötigte Energie mit Hilfe wenigstens eines Hochsetzstellers 24, der wenigstens einen elektronischen Schalter 30 aufweist, und/oder wenigstens eines Tiefsetzstellers 22 von z.B. dem ersten Energiespeicher 10a, welcher beispielsweise als ein Kondensator, z.B. als ein Doppelschichtkondensator ausgeführt ist, zur Verfügung gestellt. Damit sich der ers- te Energiespeicher 10a nicht noch weiter entladen kann, stellt ein Brückenschalter 14, welcher beispielsweise Halbleiterelemente aufweist, eine direkte energetische Verbindung zwischen dem ersten Energiespeicher 10a und dem zweiten Energiespeicher 10b her. Denkbar ist neben Batterie und Kondensator auch jede andere Ausführung eines elektrophysikalisch und/oder elektrochemisch arbeitenden Ener- giespeichers.

Der zweite Energiespeicher 10b liefert dadurch einen Energiestrom von null oder einen konstanten Energiestrom, der maximal dem nominalen Energiestrom des zweiten Energiespeichers 10b entspricht. Beispielsweise ist es möglich, mit dem konstanten Energiestrom des zweiten Energiespeichers 10b den ersten Energiespeicher 10a wieder aufzuladen. Zur Regelung des Energiemanagements zwischen den beiden Energiespeichern 10a, 10b weist die Steuerungsschaltung 50 wenigstens einen Mikrokontroller 26, wenigstens einen Digital/Analog Wandler 28, der ei- nen Kontrollschalter 36 der externen Energiesenke 16 schaltet, und jeweils einen Pulsweitenmodulator 32, 34 für den Tiefsetz- 22 und Hochsetzsteller 24 auf. Im Fall einer hohen Dauerbelastung entlädt sich der erste Energiespeicher 10a mit sinkendem Energiepegel bis auf den momentanen Energiepegel des zweiten Energiespei- chers 10b. Um eine Unterdrückung von Mitkopplungserscheinungen des elektronischen Schalters 30 und/oder eine Verriegelung von durch den elektronischen Schalter 30, vom ersten Energiespeicher 10a zum zweiten Energiespeicher 10b fließenden Energierückströmen zu erreichen, weist die Steuerungsschaltung 50 wenigstens eine Entkopplungsschaltung 20 auf.

Ein konventioneller Hochsetzsteller besitzt eine Diode in Sperrrichtung zum Ausgang. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades und zum Schutz vor thermischer Überlastung, wird statt der Diode ein Transistor als Schalter 30 verwendet, der als MOSFET oder als ein andersartiger Feldeffekttransistor (GaN, SiC) z.B. als OR-MOS- Implementation ausgebildet ist. Dessen herstellungsbedingt immer vorhandene interne parasitäre Diode soll, bei vorwärts fließendem Strom, durch den Schalter 30 unterstützend überbrückt werden. Im Sperrfall soll aber nur dessen parasitäre Diode wirken. Der Einsatz des Schalters 30, also des Transistors wie eines MOSFETs, hat jedoch den Nachteil, dass dieser - im Gegensatz zu einer Diode - bidirektional leitfähig ist. D.h. für den Hochsetzvorgang ist eine entsprechende Entkopplungsschaltung 20 erforderlich, da nach jedem Schaltvorgang die hochgesetzte Spannung sich durch den fließenden Rückwärtsstrom vom höheren Potential des ersten Energiespeichers 10a zum niedrigeren Potential des zweiten Energiespeichers 10b sofort wieder abbaut. Dabei muss ggf. auch den Mitkopplungserscheinungen des elektronischen Schalters 30 Rechnung getragen werden, worauf unten in Zusammenhang mit Fig. 4 noch näher eingegangen wird. Im Hinblick auf die Energiespeicher gibt es keine Einschränkungen. Es ist möglich, die Eigenschaften wenigstens zweier beliebiger Energiespeicher 10a, 10b miteinander zu kombinieren. Zum Beispiel ist ein Energiespeicher mit niedriger Impedanz kombinierbar mit einem Energiespeicher höherer Impedanz. Beispielsweise wäre es denkbar, als ersten Energiespeicher 10a und zweiten Energiespeicher 10b jeweils Batterien mit unterschiedlichen Impedanzen zu verwenden. Ebenfalls denkbar ist aber auch eine Verwendung wenigstens eines Kondensators, z.B. eines Doppelschichtkondensators als Energiespeicher, beispielsweise als ersten Energiespeicher 10a.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der elektronische Schalter 30 als ein Transistor ausgeführt, beispielsweise als ein MOS - oder andersartiger Feldeffekttransistor, (GaN, SiC) z.B. in einer OR-MOS-lmplementation.

Vorzugsweise weist der erste Energiespeicher 10a wenigstens den gleichen nominalen Energiepegel, beispielsweise die gleiche Nominalspannung und/oder den gleichen Nominalstrom wie der zweite Energiespeicher 10b auf. Die Entkopplungsschaltung 20 weist bevorzugt wenigstens eine digitale Entkopplungsschaltung und/oder analoge Entkopplungsschaltung gemäß Fig. 2 auf.

In Figur 2 ist ein Ausschnitt des hybriden Energiespeichersystems 100 als ein elektronischer Schaltplan dargestellt. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die analoge Entkopplungsschaltung 20 wenigstens eines der folgenden Ele- mente auf: wenigstens einen Begrenzer 42, wenigstens ein Proportionalglied 44, wenigstens ein Integrierglied 46 und/oder wenigstens einen Komparator 40.

Das Proportionalglied 44 ist bevorzugt als wenigstens ein Widerstand ausgeführt, der den Strom in den Komparator 40 begrenzt. Prinzipiell denkbar sind auch andere Strombegrenzer. Bevorzugt weist das Integrierglied 46 wenigstens einen Kondensator auf, der Mittkopplungserscheinungen des Schalters 30 unterdrückt.

Für eine Abschaltung des Schalters 30 bei ausgeschaltetem Hochsetzsteller 24 weist die Entkopplungsschaltung 20 bevorzugt wenigstens ein UND-Gatter 38 auf, beispielsweise durch eine logische„0" am UND-Gatter 38.

Für eine Regelung von Energieströmen, beispielsweise von Strömen und/oder Spannungen, müssen Messwerte von den Energiespeichern 10a, 10b und/oder der Energiequelle und/oder Energiesenke 16 bekannt sein. Daher weist die Steuerungsschaltung 50 in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wenigstens eine entsprechende Messwerterfassung 12 (Fig. 3) auf, die der Übersichtlichkeit halber in Fig. 2 weggelassen wurde.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel in Figur 3 ist ein Ausschnitt des hybriden Energiespeichersystems 100 mit einer Regeleinrichtung 56, welche wenigstens einen Hochsetzsteller 24 und wenigstens einen Tiefsetzsteller 22 aufweist, schematisch dargestellt. Die Messwerterfassung 12 erfasst Messwerte, beispielswei- se Spannung und/oder Strom, der Energiesenke 16 und der Energiespeicher 10a, 10b. Die Messwerte bestimmen den jeweiligen Betriebsmodus des hybriden Energiespeichersystems 100, z.B. einen Tiefsetzsteller- oder einen Hochsetzstellerbe- trieb, sowie Führungsgrößen für ein Lademanagement 54, welches wenigstens einen Mikrokontroller 26 aufweist. Die Führungsgrößen sind beispielsweise Strom und Spannung der externen Energiesenke 16 und sind beliebig mit Hilfe des Lademanagements 54 parametrisierbar und dienen dazu, die wenigstens zwei Energiespeicher 10a, 10b in ihrem Komfortbereich zu betreiben. Wird beispielsweise ein vorher definierter Strom überschritten, so dient der Energiespeicher 10a, welcher beispielsweise als ein niederimpedanter Doppelschichtkondensator ausgeführt ist, als Strom- und Spannungsquelle. Hat die Spannung des niederimpedanten Energiespeichers 10a beim Entladen den Spannungswert des anderen Energiespeichers 10b, beispielsweise einer Batterie, erreicht, ergeben sich zwei Betriebszustände. Soll weiterhin Strom fließen, wird durch ein Stellglied 62, welches wenigstens einen Schalter 30 aufweist, der Energiespeicher 10b mit der Energiesenke 16 z.B. einem Verbraucher verbunden. Soll kein Strom mehr fließen, wird die Betriebspause zum Wiederaufladen des Energiespeichers 10a verwendet.

Das Stellglied 62 arbeitet mit Hilfe unterschiedlicher Eingangssignale. Mit dem Ausgangssignal der Regeleinrichtung 56; mit einem Signal, beispielsweise der Span- nung des Energiespeichers 10b, die das Stellglied 62 vom Tiefsetzsteller- in den Hochsetzstellerbetrieb und umgekehrt steuert; mit einem Verriegelungssignal eines Verriegelungssignalgebers 52 eines Stromrichtungsdiskriminators 60 zur Verhinderung des Energierückwärtsstroms, wobei die Entkopplungsschaltung 20 wenigstens den Verriegelungssignalgeber 52 und den Stromrichtungsdiskriminator 60 umfasst. Der Stromrichtungsdiskriminator 60 umfasst wenigstens einen Schwellwertschalter mit wenigstens einer Hysteresefunktion und/oder wenigstens einer Übertragungsfunktion wenigstens erster Ordnung, z.B. f(s) = K/(Ts+1 ), wobei s den Laplace- Operator, K einen statischen Übertragungsfaktor und T eine Zeitkonstante beschreibt.

Der Energiespeicher 10b ist in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise als eine Batterie ausgeführt und hat typischerweise eine höhere Impedanz wie der Energie- Speicher 10a, welcher beispielsweise als ein Kondensator, z.B. als ein Doppelschichtkondensator ausgeführt ist. Denkbar sind aber auch zwei Energiespeicher 10a, 10b, z.B. zwei Batterien, eine Batterie mit hoher Impedanz und eine Batterie mit niedrigerer Impedanz. Anstatt einer Batterie mit niedrigerer Impedanz ist auch ein Kondensator, z.B. ein Doppelschichtkondensator denkbar.

Prinzipiell kann der Stromrichtungsdiskriminator 60 auch digital ausgeführt werden, beispielsweise in der Regeleinrichtung 56. Eine Verriegelung des Rückwärtsstroms wäre z.B. über eine Messung denkbar, die die Stromanstiegsgeschwindigkeit einem definierten Stromschwellwert bzw. einem Spannungsschwellwert zwischen Hoch- setz- 24 und Tiefsetzsteller 22 mit extrem schnellen Analog/Digital Wandlern misst und entweder im MikroController 26 integriert ist oder extern als integrierter Schaltkreis verbunden ist. Die Analog/Digital Wandler verarbeiten die Signale der Messwerterfassung 12, die ebenfalls eine Dynamik und Messgeschwindigkeit von wenigen Nanosekunden aufweisen.

Zur Steuerung wenigstens eines elektrophysikalischen Energiestroms zwischen den wenigstens zwei Energiespeichern, die einen ersten Energiespeicher 10a und einem zweiten Energiespeicher 10b mit jeweils einem nominalen Energiestrom und/oder wenigstens einer externen Energiequelle und/oder wenigstens einer externen Ener- giesenke 16 umfassen, ist wenigstens einer Steuerungsschaltung 50 mit wenigstens einem Hochsetzsteller 24, der wenigstens einen elektronischen Schalter 30 aufweist, und/oder Tiefsetzsteller 22 vorgesehen. Die Energiesenke 16 wird im Falle eines benötigten Energiestroms, der höher als der nominale Energiestrom des zweiten Energiespeichers 10b ist, mit einem Energiestrom des ersten Energiespeichers 10a bedient, während der zweite Energiespeicher 10b einen Energiestrom von null oder einen konstanten Energiestrom liefert, der maximal dem nominalen Energiestrom des zweiten Energiespeichers 10b entspricht. Mitkopplungserscheinungen des elekt- ronischen Schalters 30 und/oder durch den elektronischen Schalter 30, vom ersten Energiespeicher 10a zum zweiten Energiespeicher 10b fließende Energierückströme werden unterdrückt.

Mitkopplungserscheinungen sind vor allem hochfrequente Schaltvorgänge, die bis zur Zerstörung der Entkopplungsschaltung 20 wie z.B. zur Zerstörung des hierzu beispielhaft verwendeten Transistors wie z.B. eines OR-MOSFET führen können. Ein Transistor wie z.B. ein MOSFET oder„OR-MOS" als Schalter 30 ist kein ideales Bauelement und hat, wie jedes andere Bauelement auch, parasitäre Eigenschaften. Mit Hilfe einer Modellbeschreibung eines MOSFET als Schalter 30 gemäß Fig. 4 ergibt sich als Hauptursache dafür die je nach Schaltvorgang bestehende Sperrschichtkapazität der parasitären Diode (DSDideal) oder die differentielle Drain- Source-Kapazität (CDSdiff) des Transistors. Diese Kapazität bildet im Zusammenhang des Freilaufstromes der Hochsetzsteller-Induktivität eine Resonanz. Die Sperrschicht baut sich bei Beginn der Durchlassphase langsam ab und in der Sperrphase auf. Dieser Vorgang geschieht, besonders bei geringen Durchlassströmen, nicht abrupt. Der in Durchlassrichtung zur parasitären Kapazität befindliche parasitäre Parallelwiderstand RDSon des Schalters 30 verursacht einen Spannungsabfall, welcher wiederum Einfluss auf die Entkopplungsschaltung 20 hat. D.h. zusätzlich zum

Gleichstrom durch den Schalter 30 kommt ein überlagerter Wechselstromanteil der oben genannten Resonanzursache hinzu. Da die überlagerten negativen Halbwellen der Resonanzamplitude, bei niedrigem Gleichstromanteil, der Entkopplungsschaltung 20 und damit der Steuerschaltung 50 einen scheinbar rückwärts fließenden Strom vorgeben und die positiven Halbwellen der Resonanzamplitude einen zusätzlich vorwärts fließenden Strom vorgeben, beginnt die Ansteuerlogik den Schalter 30 mit der Resonanzfrequenz (meist im MHz Bereich) zu schalten. Diese hochfrequenten Schaltvorgänge, hier Mitkopplungserscheinungen genannt, führen zur Zerstörung des OR-MOS und werden daher mit dem Integrierglied 46 verhindert bzw. ausge- koppelt. In der Kombination ergibt sich eine sehr schnelle Umschaltmöglichkeit zwischen den Energiespeichern 10a, 10b ohne Mitkopplungserscheinungen.

Bei sinkenden Ladeströmen des Energiespeichers 10a verkleinert sich die Einschalt- zeit der PWM des Schalters 30 bis zur Unterschreitung der Frequenz der Entkopplungsschaltung 20. Ab diesem Zeitpunkt lässt die Entkopplungsschaltung keine Ströme durch den Schalter 30 mehr in den Energiespeicher 10a zu und es wirkt dann nur noch die interne parasitäre Diode des Schalters 30. Um dennoch eventuell auftretende unnötige Schaltvorgänge der Entkopplungsschaltung zu vermeiden und den Wirkungsgrad in dem Fall zu verbessern, ist es möglich, mit dem Mikrocontroller 26 über den isolierten Datenkoppler 58 die Entkopplungsschaltung außer Betrieb zu nehmen.

Es versteht sich von selbst, dass diese Beschreibung verschiedensten Modifikationen, Änderungen und Anpassungen unterworfen werden kann, die sich im Bereich von Äquivalenten zu den anhängenden Ansprüchen bewegen.

Bezugszeichenliste

10a erster Energiespeicher

10b zweiter Energiespeicher

12 Messwerterfassung

14 Brückenschalter

16 Energiesenke

20 Entkopplungsschaltung

22 Tiefsetzsteller

24 Hochsetzsteller

26 MikroController

28 Digital/Analog Wandler

30 Schalter

32 Pulsweitenmodulator Tiefsetzsteller

34 Pulsweitenmodulator Hochsetzsteller

36 Kontrollschalter

38 UND-Gatter

40 Komparator

42 Begrenzer

44 Proportionalglied

46 Integrierglied

48 Gate-Treiber

50 Steuerungsschaltung

52 Verriegelungssignalgeber

54 Lademanagement

56 Regeleinrichtung

58 isolierter Datenkoppler

60 Stromrichtungsdiskriminator

62 Stellglied

100 Hybrides Energiespeichersystem