CN112776672A - 具有状态确定的能量源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有状态确定的能量源系统(10)，该能量源系统具有构造为电化学转换器的能量源(14)和信号分析器(42)，该能量源包括第一转换器类型(18)，通过该第一转换器类型能够将直流电提供给用电器(26)，该信号分析器与能量源(14)电连接，借助该信号分析器能够通过电流测量或电压测量来测量对能量源(14)的频率感应负载信号的阻抗响应，从而基于能量源(14)的阻抗响应能够确定该能量源的状态。在此，能量源(14)还包括至少一个不同于第一转换器类型(18)的第二转换器类型(22)，该第二转换器类型同样与信号分析器(42)电连接，从而能够通过信号分析器(42)确定第二转换器类型(22)的状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有状态确定的能量源系统和一种用于对能量源系统中的能量源进行状态确定的方法。
背景技术
当今的燃料电池单元系统和电池系统成本高昂，并且其可靠性和耐用性极具挑战性，尤其是对于汽车应用而言。此外，在例如故障统计和与系统相关的老化功能方面，现场经验和数据情况仍然有限。在当今的系统中，这往往导致成本高昂的系统部件尺寸过大。
通过运行策略控制各种系统部件(例如堆叠、压缩机、电池)以准确了解部件状态为前提。在此，在燃料电池单元堆叠方面，例如关于温度、湿度、压力、化学计量、电压和电流的知识非常重要，以便估计诸如功率准备(Leistungsbereitschaft)、废热和老化这类的派生(abgeleitet)参量。
DE 10 2013 103 921 A1公开一种用于电池组中的电池单元的温度测量系统和一种用于执行这种温度测量的方法。在此，在没有温度传感器的情况下执行温度测量。基于所测量的电池单元的温度，可以改善电池单元的性能和使用寿命。为了测量电池单元的温度，将交流电压信号施加到电池单元上。基于所使用的交流电压信号的频率能够确定电池单元的阻抗。接下来，基于所存储的用于电池单元的图可以由阻抗和频率求取温度。
当今的移动的车辆燃料电池单元系统大多具有用于混合动力的电池，以便例如从能量回收和功率支持(Leistungsunterstützung)的可能性中受益。
发明内容
从上述现有技术出发，本发明基于以下任务：说明一种能量源系统，借助该能量源系统能够经济地确定各种电化学转换器的状态。该任务通过本发明的技术方案来解决。优选的实施方式可以从扩展技术方案中得出。
本发明说明一种具有状态确定的能量源系统。在此，该能量源系统具有构造为电化学转换器的能量源和信号分析器，该能量源包括第一转换器类型，通过该第一转换器类型能够将直流电输送给用电器，该信号分析器与该能量源电连接，借助该信号分析器能够通过电流测量或电压测量来测量对能量源的频率感应的负载信号的阻抗响应，从而能够基于该能量源的阻抗响应来确定该能量源的状态。在此，该能量源还包括至少一个不同于第一转换器类型的第二转换器类型，该第二转换器类型同样与信号分析器电连接，从而能够通过信号分析器确定该第二转换器类型的状态。
在本发明的意义中，“状态确定”理解如下：能够确定能量源的诸如温度、湿度、老化状态和充电状态之类的确定的值。根据本发明，电化学转换器是将所存储的化学能转换成电能的能量源。根据本发明，在此，电化学转换器不仅可以是转换器，而且还可以是将电能再次以化学能的形式进行存储的存储器。通过“转换器类型”的术语在以下方面进行区分：电化学转换器的提供电能的运行方式不同于另一转换器类型。
在此，“负载信号”理解为以下信号：通过该信号在电化学转换器中产生化学的、电化学的转换以及部分地还产生物理的转换。与此相应地，可以从转换器中调用确定的电能。在此，负载信号可以是正的也可以是负的，即负载信号可以仅由充电方向信号或放电方向信号生成。尤其以确定的频率或频带施加该负载信号。
根据本发明，两个不同的转换器类型与同一信号分析器连接。不同的转换器类型由此可以将各自的优点引入到能量源系统中，从而两个转换器类型有利地互补，并且因此导致整个能量源系统的更好的特性。附加地，仅需唯一的信号分析器用以确定能量源的状态，从而可以节省附加的信号分析器及其所需的功率。通过状态确定还能够实现能量源的系统优化设计，从而例如避免这些部件尺寸过大。还可以提高部件的使用寿命。由此得出实现经济的状态确定。
在本发明的一种优选的实施方案中，第一转换器类型是电池和/或第二转换器类型是燃料电池单元。不同转换器类型的这种组合具有以下优点：特性正向地互补。例如，电池也可以用作能量存储器，从而能够将通过回收获得的能量再次存储在电池中。因此，由此改善这种能量源系统的效率。
在一种替代的实施方案中，第一转换器类型和第二转换器类型是不同变型实施方案的电池。优选地，第一转换器为锂电池或锂高功率电池，第二转换器类型为超级电容器或锂高能量电池。在此，这些不同的电池类型在能量源系统中以协同(synergetisch)的方式互补，并且导致改善整体性能。
在本发明的另一优选的实施方案中，信号分析器具有频率触发单元，借助该频率触发单元能够施加频率感应的负载信号。因此，将频率触发单元和信号分析器在单个部件中实现。因此，不需要附加的单独的安装空间用于频率触发单元。由此降低部件的数量并增加这种能量源系统的集成度。
优选地，在用电器与能量源之间布置有功率电子部件，该功率电子部件设置用于施加频率感应的负载信号。功率电子部件优选地包括DC/DC转换器和DC/AC转换器。因此，DC/DC转换器或DC/AC转换器具有以下功能：借助该DC/DC转换器或DC/AC转换器将负载信号以预给定的频率施加到转换器上。自然噪声或应用中的负载的噪声也可以用作信号源。例如可以在持续运行期间施加负载信号。因此，不需要附加的频率触发单元来施加频率感应的负载信号。由此降低所需部件的数量，从而能够更经济地制造这种能量源系统。
在一种有利的扩展方案中，信号分析器在功率电子部件与能量源之间并与之电连接。因此，信号分析器直接(即在没有中间部件的情况下)与能量源连接。由此避免这种部件对响应信号的影响。因此能够实现能量源的准确的状态确定。
在另一有利的实施方案中，至少一个转换器类型具有电池单元，其中，，为了求取转换器类型的状态，信号分析器与该至少一个转换器类型的所选择的电池单元连接。因此，信号分析器不分析处理转换器的总体信号。优选地，在此选择对于转换器类型的状态而言特有的单个电池单元或电池单元集合，或者选择通常首先恶化的电池单元。由此能够实现转换器类型的更准确的状态确定。
根据一种符合目的实施方案，第一转换器类型和第二转换器类型彼此以并联连接方式或以串联连接方式布置，并且信号分析器如此电连接，使得能够测量来自第一转换器类型和第二转换器类型的和信号(Summensignal)。因此，信号分析器同时测量转换器类型的信号。在另一构型中，在串联连接的情况下，以及在存在存储器的个体化的电流传感器时在并联连接的情况下，也可以将各个存储器的相应的单个电压信号分析处理为唯一明确分配的阻抗值。
在另一构型中，可以基于各个转换器类型的特性的认识从和信号中求取相应的部分信号。这具有以下优点：信号分析器不必在转换器类型之间进行切换即可测量响应信号或施加频率感应的负载信号。附加地，可以通过并联连接或串联连接来实现更简单的电路。在此，以下基本上适用：通常例如两个转换器类型的敏感频率范围也是不同的，并且因此效应可以直接分配给相应的转换器类型。因此，通过在频域中分离该效应能够实现这一点。
本发明还说明一种用于对能量源系统中的能量源进行状态确定的方法。在此，该方法具有以下步骤：将频率感应的负载信号施加到至少一个转换器类型上；通过电流测量或电压测量来测量阻抗响应；以及求取至少一个转换器类型的状态。通过该方法实现前述优点。
在一种优选的实施方案中，信号分析器同时测量第一和第二转换器类型或在第一和第二转换器类型之间切换以进行测量。在切换时，在转换器类型之间进行切换，从而仅测量一个转换器类型。由此避免另一转换器类型的影响。相反，在同时测量时可以省去切换。
附图说明
在附图中示出本发明的实施例，并且在以下描述中对其进行进一步阐述。附图示出：
图1示出具有状态确定的能量源系统的第一实施例的结构；
图2示出具有状态确定的能量源系统的第二实施例的结构；
图3示出具有状态确定的能量源系统的第三实施例的结构；
图4示出具有状态确定的能量源系统的第四实施例的结构。
具体实施方式
在图1中示出具有状态确定的能量源系统10的第一实施例的结构。在此，能量源系统10具有构造为电化学转换器的能量源14。在此，能量源14包括两个不同的转换器类型18、22。在此，第一转换器类型18是电池，与此同时第二转换器类型22构造为燃料电池单元。两个转换器类型18、22均与用电器26连接，以便给该用电器供应能量。在该实施例中，用电器26构造为例如机动车的发动机。
在发动机26与转换器类型18、22之间布置有功率电子部件30。在该实施例中，功率电子部件30由两个DC/DC转换器34和一个DC/AC转换器38构造。在此，每个转换器类型18、22分配有一个单独的DC/DC转换器34，该DC/DC转换器将相应的转换器类型18、22的直流电压转换为所期望的直流电压。与燃料电池单元22的DC/DC转换器34相反，电池18的DC/DC转换器34构造为双向转换器，从而例如通过回收获得的能量可以再次反馈到电池18中并在那里存储。两个DC/DC转换器34的输出端彼此连接并与DC/AC转换器38连接。DC/AC转换器38将从DC/DC转换器34获得的直流电压转换为用于发动机26的交流电压。因此，DC/AC转换器34布置在发动机26与DC/DC转换器34之间。
能量源系统10还具有信号分析器42用于转换器类型18、22的状态确定，该信号分析器42在相应的DC/DC转换器34与转换器类型18、22之间并与之电连接。在该实施例中，信号分析器42具有频率触发单元46，借助该频率触发单元能够将频率感应的负载信号施加到相应的转换器类型18、22上。在此，在该实施例中，以具有确定的频率和幅度的电流信号的形式施加负载信号。同样地，也可以施加电压信号作为负载信号。
在此，呈用于燃料电池单元22的电流信号I1和用于电池18的电流信号I2形式的负载信号可以交替地施加到燃料电池单元22和电池18上。将由于相应的转换器类型18、22的阻抗响应而得出的电压信号U1、U2通过信号分析器42进行测量，并且由此确定相应的转换器类型18、22的状态。然而，电流信号I1、I2也可以同时施加到电池单元18和燃料电池单元22上。然而，在电流信号I1、I2同时耦合输入的情况下，有必要对燃料电池单元22和电池18前面的个体化的电流分量进行累加确定。
图2示出具有状态确定的能量源系统10的第二实施例的结构。该实施例与在图1中所示的第一实施例的不同之处在于，未在燃料电池单元22或电池18后面测量电压信号U1、U2，从而求取整个电压。相反，信号分析器42与所选择的电池单元50、54连接，以便测量电压信号U1、U2。在此，例如也可以跨过两个电池单元50、54进行测量。在此，这些所选择的电池单元50、54尤其是以下电池单元50、54：所述电池单元对于整个转换器类型18、22的状态是具有代表性的，或者还特别经常地作为第一电池单元50、54具有缺陷。基于所选择的电池单元50、54的阻抗和状态，可以推断出转换器类型18、22的总阻抗和状态。
具有状态确定的能量源系统10的第三实施例的结构在图3中示出。该实施例与上述两个实施例的不同之处在于如下：电池18和燃料电池单元22直接彼此连接。在此，可以将电池18和燃料电池单元22以并联连接方式或以串联连接方式彼此连接。因此，两个转换器类型18、22仅与唯一的DC/DC转换器34连接，从而可以省去第二DC/DC转换器34。
在此，在第三实施例中，在DC/DC转换器34与电池18或燃料电池单元22之间将负载信号一起施加到两者上。由此，以来自电池18和燃料电池单元22的和信号的形式形成电压信号U1、U2。为了获得关于相应的单个转换器类型18、22的状态的结论，首先在频率范围内解析所获得的和信号。基于原有知识和/或模型可以求取状态。
在图4中示出具有状态确定的能量源系统10的第四实施例的结构。该实施例与第三实施例的本质不同之处在于：信号分析器42不具有频率触发单元46。与上述实施例相反，在此，负载信号由功率电子部件30产生。在此，可以相应地设置DC/DC转换器34或DC/AC转换器38。为此，通过例如DC/DC转换器34确定所需频率的负载变化，从而能够通过信号分析器42测量阻抗响应。由此可以省去信号分析器42中的频率触发单元46。
Claims (9)
1.一种具有状态确定的能量源系统(10)，所述能量源系统具有构造为电化学转换器的能量源(14)和信号分析器(42)，所述能量源包括第一转换器类型(18)，通过所述第一转换器类型能够将直流电输送给用电器(26)，所述信号分析器与所述能量源(14)电连接，借助所述信号分析器能够通过电流测量或电压测量来测量对所述能量源(14)的频率感应的负载信号的阻抗响应，从而能够基于所述能量源(14)的阻抗响应来确定所述能量源的状态，
其特征在于，所述能量源(14)还包括不同于所述第一转换器类型(18)的至少一个第二转换器类型(22)，所述第二转换器类型同样与所述信号分析器(42)电连接，从而能够通过所述信号分析器(42)确定所述第二转换器类型(22)的状态。
2.根据权利要求1所述的能量源系统(10)，其特征在于，所述第一转换器类型(18)是电池和/或所述第二转换器类型(22)是燃料电池单元。
3.根据权利要求1或2所述的能量源系统(10)，其特征在于，所述信号分析器(42)具有频率触发单元(46)，借助所述频率触发单元能够施加所述频率感应的负载信号。
4.根据权利要求1或2所述的能量源系统(10)，其特征在于，在所述用电器(26)与所述能量源(14)之间布置有功率电子部件(30)，所述功率电子部件设置用于施加所述频率感应的负载信号。
5.根据以上权利要求中任一项所述的能量源系统(10)，其特征在于，所述信号分析器(42)在所述功率电子部件(30)与所述能量源(14)之间与所述能量源电连接。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的能量源系统(10)，其特征在于，至少一个转换器类型(18，22)具有电池单元(50，54)，其中，为了求取所述转换器类型(18，22)的状态，所述信号分析器(42)与所述转换器类型的所选择的电池单元(50，54)连接。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的能量源系统(10)，其特征在于，所述第一转换器类型(18)和所述第二转换器类型(22)彼此以并联连接方式或以串联连接方式布置，并且所述信号分析器(42)如此电连接，使得能够测量来自所述第一转换器类型(18)和所述第二转换器类型(22)的和信号。
8.一种用于对根据以上权利要求中任一项所述的能量源系统(10)中的能量源(14)进行状态确定的方法，其中，所述方法具有以下步骤：
将频率感应的负载信号施加到至少一个转换器类型(18，22)上；
通过电流测量或电压测量来测量阻抗响应；
求取所述至少一个转换器类型(18，22)的状态。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述信号分析器(42)同时测量所述第一转换器类型和所述第二转换器类型(18，22)或在所述第一转换器类型与所述第二转换器类型之间切换以进行测量。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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