CN105993106B - 电储能装置和用于运行电储能装置的方法 - Google Patents

电储能装置和用于运行电储能装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种储能装置以及一种用于运行具有多个储能模块的储能装置的方法。在此，为了调整储能装置上的输出电压，将一个或多个储能模块串联。在此，在此被串联的储能模块为了特别有效地充分利用各个储能模块根据充电状态和至少一个另外的运行参数被选择。

Description

电储能装置和用于运行电储能装置的方法
技术领域
本发明涉及一种电储能装置和一种用于运行电储能装置的方法。
背景技术
为了运行诸如混合动力车辆或电动车辆中的电系统，使用电储能器。除此之外，电储能器还应用于不同的静止系统中，例如以便在供电网发生故障或中断的情况下保证不中断的电流供应。在此，作为储能器尤其是公知有被细分成各个模块的电池。这些各个模块可以个别化地选择。通过这种方式，可以实现电池的所选模块的串联，其中通过所选择的并串联的模块的数目可以调整电池端子电压。这样的系统例如从德国专利申请DE 10 2010 027861 A1中公知。在此，根据要提供的电池电压，通常仅仅需要存在于电池中的模块中的一部分。其余模块于是被去激活。
有效的串联的模块的电压之和因此提供总电池电压。因此，电池的充电或放电电流仅仅流经有效的模块。
由于在电池内利用选择性、变化选择的各个模块进行的这样的运行中，电池的各个模块被不同程度地加载荷和放电或充电，因此各个电池模块的诸如充电状态或老化之类的个别化的特性彼此不同。
因此，所存在的需求是一种储能装置和一种用于利用对各个储能模块的有效选择来运行储能装置的方法。另外存在的需求是，将各个储能模块选择为使得各个储能模块在其整个预期寿命期间能够尽可能有效地被充分利用。
发明内容
为此，根据第一方面，本发明提供了一种用于提供预先确定的输出电压的电储能装置，其具有：多个储能模块；以及控制装置，该控制装置被配置为：为所述多个储能模块中的每个确定充电状态以及至少一个另外的运行参数，根据预先确定的输出电压计算所需储能模块的数目，在使用所确定的充电状态和所述至少一个另外的运行参数的情况下从所述多个储能模块中选择所计算的数目个所需储能模块，以及将所选择的储能模块串联。
根据另一方面，本发明提供了一种用于运行用于生成预先确定的输出电压的电储能装置的方法，具有下列步骤：提供多个储能模块；为所述多个储能模块中的每个确定充电状态；为所述多个储能模块中的每个确定至少一个另外的运行参数；根据预先确定的输出电压计算所需储能模块的数目；在使用所计算的数目个所需储能模块、所确定的充电状态和所述至少一个另外的运行参数的情况下从所述多个储能模块中选择储能模块；以及将所选择的储能模块串联。
发明优点
本发明的思想是，不是任意地或仅仅在使用当前充电状态的情况下选择诸如电池之类的储能装置的各个储能模块，而是更确切而言为了选择所需数目的储能模块以用于提供所期望的输出电压，附加于所确定的充电状态还一并考虑各个储能模块的另外的运行参数。通过基于充电状态和另外的运行参数进行储能模块的所述选择，可以保证：恰好选择仍然具有足以提供所需电量的充电状态的储能模块，其中除此之外，各个储能模块的选择还可以在各个储能模块的预期寿命方面进行优化。因此，实现了各个储能模块的经优化的选择。
通过各个储能模块的所述经优化的选择，可以将储能模块的选择实施为使得各个储能模块可以特别节省地运行并且因此提高了各个储能模块的预期寿命。
另外，通过根据本发明选择各个储能模块，还可以实现以下选择：该选择实现了在各个储能模块的整个寿命内的经优化的运行。
在一个实施方式中，储能装置的控制装置还包括维护预测装置，该维护预测装置被配置为，提供关于所述多个储能模块中的每个的剩余运行时间的预测，并且其中该控制装置优先地选择具有低剩余运行时间的储能模块。储能装置的各个储能模块优选地一旦达到预先确定的时刻就在预先确定的维护间隔内被更换。在此，为了提高运行安全性，在相应储能模块在预先给定的更换时刻仍然能够运行时也更换相应的储能模块。因此，通过优选选择具有所预测的低剩余运行时间的储能模块，这些总归很快就被更换的储能模块在该更换时刻不久前被更强地加载荷。因此，可以节省其余的储能模块。
在另一实施方式中，该控制装置包括优先级确定装置，该优先级确定装置被配置为在使用所确定的充电状态和所述至少一个另外的运行参数的情况下为多个储能模块确定优先级，并且其中该控制装置基于优先级确定装置的优先级确定来选择所需储能模块。通过各个储能模块的这样的优先级确定，实现了用于选择所需数目个储能模块的特别有效的选择方案。
在一个实施方式中，储能装置还包括电压探测器，该电压探测器被配置为探测储能模块之一中的过压和/或欠压。通过对过压或欠压的这样的探测，可以标识出特别强地充电或特别强地放电的储能模块。因此，例如可以优先对特别强地充电的储能模块进行放电，或者可以优先对特别强地放电的储能模块进行充电。
在一个实施方式中，所述至少一个另外的运行参数包括：储能模块的温度、关于老化状态的数据、最后激活的时间段和/或损耗功率。这些运行参数尤其是特别良好地适于评估各个储能模块的当前状态并且因此适于作为选择相应储能模块的基础。
在一个实施方式中，所述至少一个另外的运行参数还包括：关于储能模块的过压或欠压的至少一个数据。
在根据本发明的方法的另一实施方式中，所述至少一个另外的运行参数还包括关于储能模块的剩余运行时间的预测，其中用于选择储能模块的步骤优先地选择具有低剩余运行时间的储能模块。
在另一实施方式中，该储能装置在充电运行或放电运行中运行。
本发明还包括一种电驱动系统，其具有根据本发明的储能装置、电机和逆变器，该逆变器被配置为将由储能装置提供的输出电压转换成交变电压并提供给电机。
附图说明
本发明的另外的实施方式和优点从下面参考附图的描述中得出。在此：
图1示出了根据第一实施例的电储能装置的示意图；
图2示出了另一实施例所基于的用于储能装置的优先级确定的框图的示意图；
图3示出了根据一个实施例的驱动系统的示意图；以及
图4示出了另一实施例所基于的流程图的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于提供预先确定的输出电压的电储能装置1的电路图的示意图。在此，电储能装置1包括多个储能模块21、22、23。根据开关元件31、32、33的开关位置，各个储能模块21、22、23可以分别被选择或取消选择。在所示实施例中，仅仅储能模块23被选择。另外的储能模块21和22未被选择。在此，开关元件31、32、33由控制装置20来激励。
在此，控制装置10分析各个储能模块21、22、23的充电状态、以及至少一个另外的运行参数。基于该分析，控制装置20确定储能模块21、22、23的应当按其来选择各个储能模块21、22、23的顺序。另外，控制装置10借助于优先级确定装置11根据应当由储能装置1提供的预先确定的输出电压Usoll来确定为了达到预先确定的输出电压所需要的所需储能模块21、22、23的数目n。利用在储能模块21、22、23上可提供的模块电压Umod，作为对所需储能模块21、22、23的数目的要求得出：
接着，控制装置10选择这样确定的数目n个储能模块21、22、23，其中储能模块21、22、23根据所确定的如上所述的顺序被选择。
除此之外，控制装置10还包括维护装置12和电压探测器13，这在更下面予以进一步描述。
图2示出了一个实施方式中的控制装置20所基于的用于为储能模块21、22、23确定优先级的框图的示意图。在此，作为影响储能模块21、22、23的效率或寿命的因素，例如可以使用下列参数：
-t：从储能模块21、22、23的最后激活以来的时间。通过增大两次彼此相继地激活储能模块21、22、23之间的时间间隔，可以提高储能模块的寿命。相应地可以通过为才短时被激活的储能模块21、22、23确定较低优先级来妨碍重新选择。
-SOH（健康状态）：储能模块21、22、23的老化状态。通过考虑该老化状态，可以为模块确定相应更高或更低的优先级。通过相应的优先级确定，例如可以实现所有储能模块21、22、23的尽可能均匀的老化。替代地，也可以为具有相对小的剩余运行时间的储能模块21、22、23确定较高优先级，以便在维护期间的例行更换以前仍然尽可能有效地充分利用这些模块并且在此节省剩余储能模块21、22、23。
-P：在模块中在预期电流流动期间可能产生的损耗功率。通过考虑在模块的寿命的过程中升高的内阻以及与之相联系的损耗功率，可以为具有提高的损耗功率的模块确定较低优先级并且因此更少地被使用。通过这种方式，储能装置1的总效率升高。
-T：电池的运行温度。储能电池单元21、22、23的提高的运行温度导致提高的老化。通过为具有高运行温度的储能模块21、22、23确定较低优先级，可以对抗各个储能模块21、22、23的高于平均水平的升温。因此，可以提高储能模块21、22、23的寿命。
-Kal：为了确定储能电池单元21、22、23的诸如充电状态、内阻、老化状态之类的特征参数，可能需要将相应储能模块21、22、23接通到旁路中，以便中断流经储能模块的电流流动，因为这可能干扰测量。因此，校准（Kal）的要求可能相应地降低优先级，以便禁止对模块的使用，使得为校准提供足够时间。
除此之外，可用来表征相应储能模块21、22、23的另外的运行参数同样是可以的。
诸如t, SOH, P, T, Kal之类的输入参数被提供给相应的优先级确定模块310、320、330、340和350。在此，可以在相应优先级确定模块310-350中计算相应的优先级值。在此，根据应用情况，可以对各个运行参数进行不同程度的加权。接着，所计算出的优先级值在求和模块300中被求和并且因此为每个储能模块21、22、23计算优先级值。
为了避免过度放电，应当在放电期间对具有低充电状态的储能模块21、22、23尽量少地加载荷。同样合适的是，在充电过程期间已经不选择具有高充电状态的储能模块21、22、23。为了防止在放电时具有非常低充电状态或在充电时具有非常高充电状态的储能模块21、22、23的优先级因子之和变得过高，可以在非常低或非常高的充电状态下相应地调整、尤其是降低优先级因子的该和。通过这种方式，在非常低或非常高充电状态下，储能模块21、22、23的优先级确定完全、或至少很大程度上仅由充电状态来确定。为此，相应储能模块21、22、23的充电状态被提供给用于充电状态SOC的相应优先级确定模块200。
电压探测器13监视各个储能模块21、22、23的电压，并且在此在超过预先确定的电压阈值时用信号通知过压（+U）。另外，在低于另一电压阈值时可以探测到储能模块21、22、23之一中的欠压（-U）。如果在储能模块21、22、23中探测到过压，则应当避免这些储能模块21、22、23的进一步充电。因此，这样的储能模块21、22、23在充电过程之间获得特别低的优先级。
在放电期间，具有过压的储能模块21、22、23获得非常高的优先级。同样，在探测到储能模块21、22、23的欠压时为放电确定特别低的优先级，而为充电确定非常高的优先级。
此外，为每个储能模块21、22、23向优先级确定模块100提供关于充电状态SOC的信息、关于诸如充电或放电之类的运行模式的信息、（L/E）、关于每个储能模块21、22、23的过压和/或欠压的信息、以及必要时诊断要求（Diag）。如果例如储能装置1处于放电模式，则优选具有高充电状态的储能模块21、22、23获得高优先级值，而在电储能装置1充电期间，优选具有低充电状态的储能模块21、22、23获得高优先级值。这样的分配例如可以通过预先确定的特征曲线来进行。替代于参数充电状态（SOH），必要时也可以将各个储能模块21、22、23的模块电压用于优先级确定。这是可以的，因为在模块电压与充电状态之间存在明确的相关性。
为了诊断（Diag），同样可以给相应储能模块21、22、23配备非常高或非常低的优先级确定，以便执行相应的模块测试。
在为所有储能模块21、22、23确定相应优先级值以后，计算出一表格，该表格具有所有储能模块21、22、23根据优先级排序的顺序。此外，根据储能装置1的输出端子处的所要求的额定电压，计算出在串联时实现所要求输出电压的所需储能模块21、22、23的数目。在此，必要时也可以考虑所需输出电压的时间走向曲线。如果例如可以预期：在预先确定的时长内，储能装置1的所要求的输出电压将进一步升高，则已经可以在确定储能模块21、22、23的所需数目时就已经确定储能模块21、22、23的相应更大数目。因此，可以降低储能装置1之内的开关过程的所需次数，这正面地影响储能模块21、22、23的加载荷和相应开关元件31、32、33。
在储能模块21、22、23的优先级确定以及储能模块21、22、23的所需数目的确定结束以后，例如根据在表中陈列的优先级确定来选择所需数目个储能模块21、22、23。
在储能装置1具有多个储能模块21、22、23的情况下，仅还具有低寿命预期的各个储能模块21、22、23在预先确定的时刻被更换。通常进行这样的更换的所述时刻是按照日历或者通过运行小时数预先给定的。但是在此，要更换的储能模块在更换时刻大多还未达到其寿命的绝对终点。为了对各个储能模块21、22、23在其更换前尽可能有效地充分利用，可以在各个储能模块21、22、23的之前描述的优先级确定的情况下将关于剩下的剩余运行时间的预测一并包括到优先级确定过程中。如果在此之前进行过储能模块21、22、23的更换，则可以为这样的储能模块21、22、23确定较高优先级并因此优先地选择所述储能模块21、22、23。例如，可以给被设置为在预先确定的时间段内进行更换的储能模块21、22、23配备较高优先级。通过这种方式，优先选择这样的储能模块21、22、23。在更换储能模块21、22、23的时刻，由此可以尽可能完全地充分利用储能模块21、22、23的所预测的最大运行时长。在以后时刻才必须被更换的具有较大的所预测剩余运行时间的储能模块21、22、23因此被更少地选择。这总体上导致所有所使用的储能模块21、22、23的更有效的充分利用。
图3示出了具有根据一个实施例的储能装置1的电驱动系统的示意图。该驱动系统包括电机2，该电机2由逆变器3来馈电。在此，逆变器3把由储能装置1提供的输出电压转换成交变电压并且将该交变电压提供给电机2。
图4示出了用于运行用于生成预先确定的输出电压的电储能装置1的方法的实施例所基于的流程图的示意图。在步骤S1中，提供多个储能模块21、22、23。在步骤S2中，为所述多个储能模块21、22、23中的每个确定充电状态SOC。此外，在步骤S3中，为所述多个储能模块21、22、23中的每个确定至少一个另外的运行参数。所述另外的运行参数例如可以包括：储能模块21、22、23的温度、关于储能模块21、22、23的老化状态的数据、自从最后激活储能模块21、22、23以来的时间段和/或储能模块21、22、23的损耗功率。另外，运行参数可以包括关于储能模块21、22、23的过压和/或欠压的数据。此外，运行参数也可以包括关于储能模块21、22、23的剩余运行时间的预测。
在步骤S4中，计算为了在储能装置1处提供预先确定的输出电压所需要的所需储能模块的数目。然后在步骤S5中，在使用所需储能模块21、22、23的所计算出的数目、所确定的充电状态和所述至少一个另外的运行参数的情况下从所述多个储能模块21、22、23中选择一个或多个储能模块21、22、23。这些所选择的储能模块21、22、23然后在步骤S6中被串联。如果运行参数包括关于储能模块21、22、23的剩余运行时间的预测，则在选择储能模块21、22、23的步骤中优先选择具有低剩余运行时间的储能模块21、22、23。
用于运行储能装置的方法既可以应用于充电运行，又可以应用于放电运行。
总言之，本发明涉及一种储能装置以及一种用于运行具有多个储能模块的储能装置的方法。在此，为了调整储能装置上的输出电压，将一个或多个储能模块串联。在此，在此被串联的储能模块为了特别有效地充分利用各个储能模块根据充电状态和至少一个另外的运行参数被选择。

Claims (10)

1.用于提供预先确定的输出电压的电储能装置（1），具有：
多个储能模块（21，22，23）；以及
控制装置（10），其被配置为：为所述多个储能模块（21，22，23）中的每个确定充电状态以及至少一个另外的运行参数，根据预先确定的输出电压计算所需储能模块（21，22，23）的数目，在使用所确定的充电状态和所述至少一个另外的运行参数的情况下从所述多个储能模块（21，22，23）中选择所计算的数目个所需储能模块（21，22，23），以及将所选择的储能模块（21，22，23）串联。
2.根据权利要求1所述的电储能装置（1），其中控制装置（10）包括优先级确定装置（11），所述优先级确定装置（11）被配置为在使用所确定的充电状态和所述至少一个另外的运行参数的情况下为多个储能模块（21，22，23）确定优先级，并且其中控制装置(10)基于优先级确定装置(11)的优先级确定来选择所需储能模块（21，22，23）。
3.根据权利要求1或2所述的电储能装置（1），其中控制装置（10）包括维护预测装置（12），所述维护预测装置（12）被配置为提供关于储能模块（21，22，23）的剩余运行时间的预测，并且其中控制装置（10）优先地选择具有低剩余运行时间的储能模块（21，22，23）。
4.根据权利要求1或2所述的电储能装置（1），还包括电压探测器（13），所述电压探测器（13）被配置为探测储能模块（21，22，23）之一中的过压和/或欠压。
5.电驱动系统，具有：
根据权利要求1至4之一所述的电储能装置（1）；
电机（2）；以及
逆变器（3），其被配置为将由电储能装置（1）提供的输出电压转换成交变电压并提供给电机（2）。
6.用于运行用于生成预先确定的输出电压的电储能装置（1）的方法，具有下列步骤：
提供（S1）多个储能模块（21，22，23）；
为所述多个储能模块（21，22，23）中的每个确定（S2）充电状态；
为所述多个储能模块（21，22，23）中的每个确定（S3）至少一个另外的运行参数；
根据预先确定的输出电压计算（S4）所需储能模块（21，22，23）的数目；
在使用所计算的数目个所需储能模块（21，22，23）、储能模块（21，22，23）的所确定的充电状态和储能模块（21，22，23）的所述至少一个另外的运行参数的情况下从所述多个储能模块（21，22，23）中选择（S5）储能模块（21，22，23）；以及
将所选择的储能模块（21，22，23）串联（S6）。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一个另外的运行参数包括：储能模块（21，22，23）的温度、关于老化状态的数据、自从最后激活以来的时间段和/或功率损耗。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述至少一个另外的运行参数还包括关于储能模块（21，22，23）的过压或欠压的至少一个数据。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述至少一个另外的运行参数还包括关于储能模块（21，22，23）的剩余运行时间的预测，并且用于选择储能模块（21，22，23）的步骤优先地选择具有低剩余运行时间的储能模块（21，22，23）。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其中电储能装置（1）在充电运行中或者在放电运行中运行。
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