CN113300053A - 电能存储系统，带有在串联电路中的电化学类型不同的多个电化学能量存储单元 - Google Patents

电能存储系统，带有在串联电路中的电化学类型不同的多个电化学能量存储单元 Download PDF

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Abstract

描述了一种电能存储系统（10）——尤其是电池系统，包括在串联电路中导电地相互连接的多个电化学能量存储单元（11、12），其中，所述多个电化学能量存储单元（11、12）具有电化学类型不同的至少两个电化学能量存储单元（11、12）。此外描述了一种用于获取荷电状态的方法、以及一种对于在所公开的电能存储系统之内的自放电进行获取的方法。

Description

电能存储系统，带有在串联电路中的电化学类型不同的多个 电化学能量存储单元
技术领域
本发明以电能存储系统为出发点，包括根据独立权利要求的前序部分所述的多个电化学能量存储单元，该能量存储单元在串联电路中导电地相互连接。
背景技术
由于尤其在车辆领域或者说汽车领域中越来越电气化，所以移动的电能存储系统越来越多地被使用。尤其在越来越多地被使用的锂离子技术中需要遵循预先规定的边界值、尤其是电压边界值和荷电状态边界值，以便确保所述电能存储系统的安全性和寿命。此外需要准确的荷电状态值，以便确保例如可供使用的电功率的准确的预测。
如今主要通过12V/24V铅酸电池来确保对于在所述车辆中的组件进行电能的供应。为了避免使用铅，在未来就必须用锂离子电池来替代所述电能存储系统。这种新式的电能存储系统必须同样满足给铅酸电池所提出的要求、例如关于在负载下的电压水平。在此，所述电压水平必须处于10V与15V之间。电池的电压水平是各自的单池化学成分的、尤其稳恒电压（也被称为空载电压）的以及在串联电路中单池数量的函数。在负载下，此外，所施加的电流和电池的内阻或者单池的内阻也产生影响。通常，在电池中相同的单池（即相同的电化学类型的电池单池、例如仅磷酸铁锂基的电池单池）被串联和/或并联连接。在此没有一直确保的是：串联连接的相同化学成分的单池的使用满足最佳的电压窗口。例如在设计48V系统时也是如此，因为该48V系统也必须满足严格限定的电压范围。
在文献DE 10 2014 204 211 A1中提供了一种电池系统用于车辆的运行。所述系统能够包含带有第一总能量容量和第一功率/能量比（Leistung/Energie-Verhältnis）的第一锂离子电池组以及第二锂离子电池组，该第二锂离子电池组与该第一锂离子电池组并联连接，并且具有比所述第一总能量容量更高的第二总能量容量，并且具有比所述第一功率/能量比（L/E-Verhältnis）更低的第二功率/能量比。
发明内容
本发明的优点
公开了一种电能存储系统，包括带有独立权利要求的特征部分的特征的多个电化学能量存储单元，该能量存储单元在串联电路中导电地相互连接。
在此，所述电能存储系统具有至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元。这是有利的，因为借此能够提高所述电能存储系统的功率能力功率能力（Leistungsfähigkeit）和可利用的能量。此外改善了荷电状态获取的精度和老化状态获取的精度，这使得与行驶安全性相关的组件的更安全的运行和供应成为可能。通过至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元的组合使得所述电能存储系统的空载电压特征曲线能够被最佳地设计，这也提高了电池的可用性。另外的优点在于，能够提高所述电能存储系统的安全性水平，而该电能存储系统关于功率和能量的可用性不会因此受到损害。这通过被估计为相对更安全的（例如基于磷酸铁锂的）单池化学成分与被估计为不太安全的（例如基于锂镍锰钴氧化物的）单池化学成分的组合来实现。更安全的单池化学成分在此能够用作在故障情况下的附加的传递保护（Propagationsschutz），并且例如能够局部地限制单个的电能存储单元的所谓的热失控（Thermisches Durchgehen）。
电化学能量存储单元可以尤其被理解为电池单池（被称为蓄电池单池）。
本发明的另外的有利的实施方式是从属权利要求的主题。
有利地，至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元包括至少一个磷酸铁锂基的第一电化学的电池单池以及至少一个其它的电化学基——尤其锂镍锰钴氧化物基的第二电池单池。这是有利的，因为借助于这两种单池化学成分能够特别有利地设计所述空载电压特征曲线。此外与在单独使用磷酸铁锂基的电池单池时相比，借此能够在高的荷电状态时达到高得多的放电功率。在低的荷电状态时也是如此。附加地，与单独使用磷酸铁锂基的电池单池相比较，所述电能存储系统的可利用的电能得以提高。但是例如也可以使用由锂钛氧化物（Lithium-Titanatoxid —— LTO）和锂镍锰氧化物或者磷酸铁锂基的电池单池组成的组合。
有利地，至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元具有相似的容量和/或相似的功率能力。所述功率能力可以例如通过所述功率/能量比来获取。所述至少两种能量存储单元相互之间在例如+/-30%的各自的范围中的偏差能够在此推断为具有相似的特性。在此，另外的重要的特性是充电/放电电流的高低、所述能量存储单元的自放电以及该能量存储单元的温度相关性与该能量存储单元的机械特性。相似的散热特性以及相似的热容量也属于此，并且同样导致在所述电能存储系统中相似的热量比（Wärmeverhältnis）。
有利地，所述电能存储系统包括至少两个磷酸铁锂基的电化学的电池单池以及至少两个锂镍锰氧化物基的电化学的电池单池。这是有利的，因为借此能够特别好地实现上述优点。此外该组合很好地适合于所要求的10V至15V的电压窗口。另外的优点在于，在由四个电池单池所组成的能量存储系统中在每个锂镍锰氧化物电池单池之间能够布置一磷酸铁锂基的电池单池，从而使得在锂镍锰氧化物电池单池发生热失控的情况下，通过相应地在这之间布置的磷酸铁锂电池单池防止继续扩散或者说蔓延到另外的锂镍锰氧化物电池单池上。
有利地，至少两种、尤其三种不同电化学类型的电化学能量存储单元以交替的方式被布置在串联电路中。正如之前所提到的那样，借此能够例如局部地限制热事件（thermisches Ereignis）。
此外本发明的主题是一种方法，用于获取根据前述实施方案的电能存储系统的第一电化学能量存储单元的荷电状态。在此，所述电能存储系统具有至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元，其中，所述第一电化学能量存储单元属于（尤其磷酸铁锂基的）第一电化学类型，并且所述第二电化学能量存储单元属于（尤其锂镍锰氧化物基的）第二电化学类型。
在此获取了所述第二电化学能量存储单元的端电压。这可以例如借助于电压传感器来实现。
此外根据所述第二电化学能量存储单元的端电压来获取该第二电化学能量存储单元的荷电状态。这可以例如借助于所述第二电化学能量存储单元的空载电压特征曲线来实现。
接下来根据所述第二电化学能量存储单元的荷电状态来获取所述第一电化学能量存储单元的荷电状态。
这是有利的，因为与所述第一电化学能量存储单元的荷电状态相比（该第一电化学能量存储单元的直接的荷电状态确定只可以相对不准确地以直接的方式来进行）,所述第二电化学能量存储单元的荷电状态能够基于所述空载电压特征曲线的斜度更容易地并且更准确地被获取。由于两个能量存储单元被串联连接，所以在所述电能存储系统的充电和放电时，相同的电流流过该两个能量存储单元。所述第二电化学能量存储单元因此用作用于所述第一电化学能量存储单元的荷电状态参考，，该第一电化学能量存储单元的荷电状态只能够相对不准确地以直接的方式来获取。
有利地，获取了流入所述第二电化学能量存储单元中的电流和/或从该第二电化学能量存储单元中流出的电流。此外，所述第二电化学能量存储单元的荷电状态的获取附加地根据所获取的电流来实现。这是有利的，因为在高电流流动时，（尤其在负载的情况下）能够借此改善所述荷电状态获取的精度。此后所述电化学能量存储单元的内阻产生强烈的影响，并且使得荷电状态的获取变得困难。使用例如卡尔曼滤波器用于所述第二电化学能量存储单元的荷电状态获取能够在此改善所述精度，并且也能够因此改善所述第一电化学能量存储单元的荷电状态获取的精度。
此外本发明的主题是一种方法，用于获取根据上述实施方案的电能存储系统的第一电化学能量存储单元的自放电。在此，所述电能存储系统具有至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元，其中，所述第一电化学能量存储单元属于（尤其磷酸铁锂基的）第一电化学类型，并且所述第二电化学能量存储单元属于（尤其锂镍锰氧化物基的）第二电化学类型。
在此获取了所述第二电化学能量存储单元的自放电。这可以例如通过至少两次获取所述第二电化学能量存储单元的端电压来实现，其中在相应的获取之间存在预定义的时间间隔。通过电压差能够获取所述荷电状态的减少以及平均的自放电电流。这是有利的，以便例如能够延长所述电能存储系统的所谓的睡眠阶段（即下述阶段：在该阶段中消耗了非常少的电流），而无需经常检查所述电能存储单元的荷电状态。借此改善了所述电能存储系统的可用性，并且提高了其可靠性。
此外，根据所述第二电化学能量存储单元的自放电以及下述参考模型来获取所述第一电化学能量存储单元的自放电：该参考模型包括至少一个在所述第二电化学能量存储单元的自放电与所述第一电化学能量存储单元的自放电之间的相互关系。这是有利的，因为借此也能够获取所述第一电化学能量存储单元的自放电，而这不要求获取所述第一电化学能量存储单元的端电压。因为尤其在磷酸铁锂电池单池中所述空载电压变化曲线非常平坦，所以所述自放电的直接的获取在此变得非常困难。通过经由所述第二电化学能量存储单元进行的间接的获取使得这以有利的方式成为可能。所述参考模型可以包括例如基于数据的特性场。在使用这种的单池化学成分时，借此也能够实现对于所述电能存储系统的前述优点。
有利地，获取了所述第二电能存储单元的温度。在此，附加地根据所述第二电化学能量存储单元的温度，实现了所述第一电化学能量存储单元的自放电的获取。此外，所述参考模型为此附加地具有一在所述第一电化学能量存储单元的自放电与所述第二电化学能量存储单元的温度之间的相互关系。这是有利的，因为在较高的温度时所述自放电通常会更高，并且所述第一电化学能量存储单元的自放电的获取因此变得更加准确。
有利地，获取了所述第一电能存储单元的温度。在此，附加地根据所述第一电化学能量存储单元的温度来获取所述第一电化学能量存储单元的自放电，其中，所述参考模型附加地包括在所述第一电化学能量存储单元的自放电与所述第一电化学能量存储单元的温度之间的相互关系。这是有利的，因为在较高的温度时所述自放电通常会更高，并且所述第一电化学能量存储单元的自放电的获取因此变得更加准确。
此外，本发明的主题是一种设备，用于获取根据上述实施方案的电能存储系统的电化学能量存储单元的荷电状态和/或自放电。所述设备包括至少一个装置、尤其是电子的控制单元，该装置被设置用来：执行用于获取荷电状态的所公开的方法的所有步骤，和/或执行用于获取自放电的所公开的方法的所有步骤。借此能够实现所提及的优点。
所述至少一个装置可以包括例如一种电池管理控制器和/或电流传感器和/或电压传感器和/或温度传感器。尤其以电池管理控制器形式的电子的控制单元也可以是这种装置。电子的控制单元可以尤其地被理解为一种电子的控制器，该控制器包括例如微控制器和/或应用专用的硬件模块（例如ASIC），但是个人计算机或服务器系统或可编程逻辑控制器（speicherprogrammierbare Steuerung）也可以属于此电子的控制单元。
此外本发明的主题是一种计算机程序，该计算机程序被设置用来：执行用于获取荷电状态的所公开的方法的所有步骤，和/或执行用于获取自放电的所公开的方法的所有步骤。借此能够实现所提及的优点。
此外本发明的主题是所公开的电能存储系统，该电能存储系统附加地包括所公开的设备。借此能够实现所提及的优点。
附图说明
本发明的有利的实施方式在附图中被示出，并且在接下来的描述中进一步地被解释。
其中：
图1示出了根据一实施方式的、包括所公开的设备的所公开的电能存储系统的示意性的图示；
图2示出了所公开的电能存储系统的稳恒电压变化曲线的示意性的图示，该稳恒电压变化曲线分别带有电化学类型不同的不同数量的电能存储单元；
图3示出了根据一实施方式的、用于获取所述荷电状态的所公开的方法的流程图；并且
图4示出了根据一实施方式的、用来对于第一电化学能量存储单元的自放电进行获取的所公开的方法的流程图。
具体实施方式
相同的附图标记在所有的附图中表示相同的设备组件或者相同的方法步骤。
图1示出了根据一实施方式的、包括所公开的设备13的所公开的电能存储系统10的示意性的图示。在此，所述电能存储系统10具有多个（在这里是四个）在串联电路中导电地相互连接的电化学能量存储单元11、12。所述多个电化学能量存储单元11、12中的第一部分在此包括第一电化学类型的第一电化学能量存储单元11，并且所述多个电化学能量存储单元11、12中的第二部分在此包括第二电化学类型的第二电化学能量存储单元12。所述第一电化学能量存储单元11以及所述第二电化学能量存储单元12在此以交替的方式被布置在所述串联电路中。其它的布置同样是可设想的。
所述设备13在此正如所示出的那样如此与所述电化学能量存储单元11、12相连接，从而使得该设备能够获取电化学能量存储单元的端电压。所述电能存储系统10具有极接头（Polanschluss）14，在该极接头处例如能够获取所述电能存储系统10的稳恒电压。
图2示出了所公开的电能存储系统的稳恒电压变化曲线21、22、23、24的示意性的图示，该稳恒电压变化曲线分别带有电化学类型不同的不同数量的电能存储单元。在此在横坐标轴上绘制了所述电能存储系统的荷电状态、也被称为State of Charge。在纵坐标轴上绘制了所述电能存储系统的端电压。所述稳恒电压变化曲线21在此通过一个磷酸铁锂基的电池单池与三个镍钴锰氧化物基的电池单池的组合来得出。所述稳恒电压变化曲线22在此通过两个磷酸铁锂基的电池单池与两个镍钴锰氧化物基的电池单池的组合来得出。所述稳恒电压变化曲线23在此通过三个磷酸铁锂基的电池单池与一个镍钴锰氧化物基的电池单池的组合来得出。所述稳恒电压变化曲线24在此通过四个磷酸铁锂基的电池单池的组合来得出。
在图2上可以看出，与仅带有磷酸铁锂电池单池的能量存储系统相比，带有例如两个磷酸铁锂电池单池和两个镍锰钴氧化物电池单池的能量存储系统具有更多可利用的能量，该能量通过更高的电压水平（Spannungslage）来得出。该系统借此能够更久地放电，直到达到放电终了电压。此外通过更高的电压水平得出了更高的放电功率。在比较相应的稳恒电压特征曲线22、24时，更好的荷电状态获取方案的上面所提及的优点变得明显。与所述稳恒电压特征曲线24相比，所述稳恒电压特征曲线22尤其在大约10%荷电状态至90%荷电状态的重要的范围中具有明显高的斜度。与平坦的特性区线24相比，借此可以明显改善从稳恒电压到荷电状态的对应关系。可以看出的是，与磷酸铁锂单池化学成分相比，镍锰钴单池化学成分在重要的荷电状态范围中具有更陡峭的稳恒电压特征曲线。这使得获取荷电状态变得容易。
图3示出了根据一实施方式的、用来对于第一电化学能量存储单元的荷电状态进行获取的所公开的方法的流程图。在此，所述第一电化学能量存储单元是一电能存储系统的部分，该电能存储系统具有至少两种电化学能量存储单元。所述第一电化学能量存储单元在此属于第一电化学类型、尤其磷酸铁锂基；并且第二电化学能量存储单元属于第二电化学类型、尤其镍钴锰氧化物基。
在第一步骤S31中，例如借助于电压传感器来获取所述第二电化学能量存储单元的端电压。
在第二步骤S32中，根据所述第二电化学能量存储单元的端电压来获取该第二电化学能量存储单元的荷电状态。这是简单可行的，因为与所述第一电化学能量存储单元相比，所述第二电化学能量存储单元通常在预定义的范围具有更陡峭的稳恒电压特征曲线。所述预定义的范围包括例如10%至90%、尤其20%至80%荷电状态的荷电状态范围。
在第三步骤S33中，根据所述第二电化学能量存储单元的荷电状态来获取所述第一电化学能量存储单元的荷电状态。由于两个能量存储单元在串联电路中电地相互连接，所以相同的电流流动通过该两个能量存储单元，并且该两个能量存储单元得到相同的电荷提升（Ladungshübe）。因此即使在平坦的稳恒电压特征曲线中也能够简单地获取所述第一能量存储单元的荷电状态。
图4示出了根据一实施方式的、用来对于第一电化学能量存储单元的自放电进行获取的所公开的方法的流程图。在此，所述第一电化学能量存储单元是一电能存储系统的部分，该电能存储系统具有至少两种电化学能量存储单元。所述第一电化学能量存储单元在此属于第一电化学类型、尤其磷酸铁锂基；并且第二电化学能量存储单元属于第二电化学类型、尤其镍钴锰氧化物基。
在第一步骤S41中来获取所述第二电化学能量存储单元的自放电。
在第二步骤S42中，根据所述第二电化学能量存储单元的自放电以及下述参考模型来获取所述第一电化学能量存储单元的自放电：该参考模型包括至少一个在所述第二电化学能量存储单元的自放电与所述第一电化学能量存储单元的自放电之间的相互关系。因此能够间接地获取所述第一电化学能量存储单元的自放电。

Claims (13)

1.电能存储系统（10），尤其是电池系统，包括在串联电路中导电地相互连接的多个电化学能量存储单元（11、12），其特征在于，所述多个电化学能量存储单元（11、12）具有至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元（11、12）。
2.根据前述权利要求所述的电能存储系统（10），其中，至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元（11、12）包括至少一个磷酸铁锂基的第一电化学的电池单池以及至少一个其它的电化学基的第二电池单池，尤其锂镍锰钴氧化物基的第二电池单池。
3.根据前述权利要求所述的电能存储系统（10），其中，至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元（11、12）具有相似的容量和/或相似的功率能力。
4.根据前述权利要求所述的电能存储系统（10），其中，所述电能存储系统（10）包括至少两个磷酸铁锂基的电化学的电池单池以及至少两个锂镍锰氧化物基的电化学的电池单池。
5.根据前述权利要求所述的电能存储系统（10），其中，至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元，尤其至少三种电化学类型不同的电化学能量存储单元（11、12）以交替的方式被布置在所述串联电路中。
6.一种方法，用于获取根据权利要求1至5中任一项所述电能存储系统（10）的第一电化学能量存储单元（11）的荷电状态，其中，所述电能存储系统（10）在串联电路中具有至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元（11、12），其中，所述第一电化学能量存储单元（11）属于第一电化学类型，并且所述第二电化学能量存储单元（12）属于第二电化学类型，包括下述步骤：
a)获取所述第二电化学能量存储单元（12）的端电压；
b)根据所述第二电化学能量存储单元（12）的端电压来获取该第二电化学能量存储单元（12）的荷电状态；
c)根据所述第二电化学能量存储单元（12）的荷电状态来获取所述第一电化学能量存储单元（11）的荷电状态。
7.根据前述权利要求所述的方法，此外包括：
d)获取流入所述第二电能存储单元（12）中的电流和/或从该第二电能存储单元（12）中流出的电流，其中，所述第二电化学能量存储单元（12）的荷电状态的获取附加地根据所获取的所述电流来实现。
8.一种用于获取根据权利要求1至5中任一项所述电能存储系统（10）的第一电化学能量存储单元（11）的自放电的方法，其中，所述电能存储系统（10）具有至少两种电化学类型不同的电化学能量存储单元（11、12），其中，所述第一电化学能量存储单元（11）属于第一电化学类型，并且所述第二电化学能量存储单元（12）属于第二电化学类型，包括下述步骤：
e)获取所述第二电化学能量存储单元（12）的自放电；
f)根据所述第二电化学能量存储单元（12）的自放电以及下述参考模型来获取所述第一电化学能量存储单元（11）的自放电：该参考模型包括至少一个在所述第二电化学能量存储单元（12）的自放电与所述第一电化学能量存储单元（11）的自放电之间的相互关系。
9.根据前述权利要求所述的方法，此外包括：
g)获取所述第二电能存储单元（12）的温度，其中，所述第一电化学能量存储单元（11）的自放电的获取附加地根据所述第二电化学能量存储单元（12）的温度来实现，其中，所述参考模型附加地包括在所述第一电化学能量存储单元（11）的自放电与所述第二电化学能量存储单元（12）的温度之间的相互关系。
10.根据前述两个权利要求所述的方法，此外包括：
h)获取所述第一电能存储单元（11）的温度，其中，所述第一电化学能量存储单元（11）的自放电的获取附加地根据所述第一电化学能量存储单元（11）的温度来实现，其中，所述参考模型附加地包括在所述第一电化学能量存储单元（11）的自放电与所述第一电化学能量存储单元（11）的温度之间的相互关系。
11.一种设备（13），用于获取电化学能量存储单元（11、12）的荷电状态和/或自放电，该设备包括至少一个装置、尤其是电子的控制单元，该装置被设置用来执行根据权利要求6至7中任一项所述的和/或根据权利要求8至10中任一项所述的方法的所有步骤。
12.一种计算机程序，其被设置用来执行根据权利要求6至7中任一项所述的和/或根据权利要求8至10中任一项所述的方法的所有步骤。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的电能存储系统（10），此外包括根据权利要求11所述的设备（14）。
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