DE10116463A1 - System zur Speicherung von elektrischer Energie, sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Energiespeichersystems - Google Patents

System zur Speicherung von elektrischer Energie, sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Energiespeichersystems

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DE10116463A1
DE10116463A1 DE10116463A DE10116463A DE10116463A1 DE 10116463 A1 DE10116463 A1 DE 10116463A1 DE 10116463 A DE10116463 A DE 10116463A DE 10116463 A DE10116463 A DE 10116463A DE 10116463 A1 DE10116463 A1 DE 10116463A1
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Manfred Malik
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Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co OHG
ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung von elektrischer Energie, z. B. für ein Kraftfahrzeug, mit einem Speichermodul (1) aus einem oder mehreren Kondensatorspeichern (C¶1¶, ..., C¶N¶), insbesondere aus elektrochemischen Kondensatoren, einer Einrichtung (22, R¶1¶) zur Messung der Temperatur der oder in der Nähe der Kondensatorspeicher (C¶1¶, ..., C¶N¶) und einer oder mehreren Steuereinrichtungen (24, 26), welche die an den Kondensatorspeichern (C¶1¶, ..., C¶N¶) anliegende Spannung derart steuern, daß die maximal an dem Speichermodul (1) und/oder an den einzelnen Kondensatorspeichern (C¶1¶, ..., C¶N¶) anliegende Spannung mit abnehmender Temperatur zunimmt. Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß die Alterung von Kondensatorspeichern (C¶1¶, ..., C¶N¶) und insbesondere von elektrochemischen Kondensatoren neben der Betriebsspannung auch stark von der Temperatur abhängt. Durch eine temperaturabhängige Steuerung der Kondensatorspannung kann daher die Alterung der Kondensatorspeicher möglichst gering gehalten werden. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Speicherung von elektrischer Energie, z. B. in einem Kraftfahrzeug, mit einem Speichermodul aus Kondensatorspeichern, sowie ein Ver­ fahren zum Betreiben eines solchen Systems.
Für die Speicherung von elektrischer Energie z. B. in Elektro­ fahrzeugen, Hybridfahrzeugen etc. kommen heutzutage neben wiederaufladbaren elektrochemischen Speichern auch Kondensa­ torspeicher zum Einsatz. Die Wahl des Speichermediums hängt von den jeweiligen Anforderungen an den Energiespeicher ab: Elektrochemische Speicher, wie zum Beispiel Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid, Blei-Säure-Batterien oder Lithiumbatte­ rien, sind wegen ihrer hohen spezifischen Speicherkapazität (Energiedichte) insbesondere als Langzeitspeicher geeignet. Unter "Langzeitspeicher" wird ein Energiespeicher verstanden, der hohe Energienmengen speichern, im Vergleich dazu aber ei­ ne relativ geringe Leistung abgeben kann. Für solche Anwen­ dungen, bei denen über kurze Zeit hohe Leistungen benötigt werden, werden hingegen bevorzugt Kondensatoren als "Kurzzeitspeicher" verwendet, z. B. Elektrolyt- oder Keramik­ kondensatoren. Da die Ladungsträger bei diesen Kondensatoren rein physikalisch (elektrostatisch) gespeichert sind, kann die gespeicherte Energie innerhalb von 10-3 bis 10-5 s frei­ gesetzt werden. Die Leistungsdichte ist daher mit bis zu 100000 W/kg ca. 100 Mal größer als bei elektrochemischen Speichern. Dafür weisen Kondensatorspeicher eine erheblich geringere spezifische Speicherkapazität auf als elektrochemi­ sche Speicher.
Für viele Anwendungen ist insbesondere die Kombination von einem elektrochemischen Speicher hoher Energiedichte mit ei­ nem Kondensatorspeicher hoher Leistungsdichte sinnvoll. Die DE 198 40 819 offenbart z. B. die Verwendung von Hochlei­ stungskondensatoren für einen Kurzzeitspeicher eines Kraft­ fahrzeugs, welcher beim Starten des Verbrennungsmotors die gesamte oder einen Teil der Startenergie an den Starter lie­ fert. Die Aufladung des Kurzzeitspeichers erfolgt als Start­ vorbereitung durch Entnahme aus einer elektrochemischen Bat­ terie. Auf diese Weise kann die der Batterie über einen län­ geren Zeitraum entnommene Energie in kürzester Zeit an den Starter abgegeben werden und der Verbrennungsmotor auch dann gestartet werden, wenn die von der Batterie alleine bereitge­ stellte Leistung hierzu nicht ausreichen würde.
Seit einigen Jahren ist eine neue Generation von Kondensato­ ren erhältlich, die sogenannten elektrochemischen Kondensato­ ren, auch als Doppelschichtkondensatoren oder Superkondensa­ toren bezeichnet. Solche Kondensatoren bestehen aus zwei po­ rösen Elektroden, i. d. R. aus Aktivkohle, mit einer sehr hohen internen Oberfläche von bis zu 10000 m2/g. Die Elektroden sind mit einem Elektrolyt getränkt. Beim Anlegen einer Span­ nung lagern sich Ionen des Elektrolyt an die Elektroden an. Es bildet sich eine sog. elektrische Doppel- oder Grenz­ schicht, die aus einer Schicht Elektronenladung im Festkörper und einer angrenzenden Schicht Ionenladung im Elektrolyt be­ steht. Als Dielektrikum fungiert z. B. das an die Ionen ange­ lagerte Wasser, so daß der Abstand der "Kondensatorplatten" im Durchmesserbereich des Wassermoleküls liegt. Aus diesem extrem niedrigen Abstand der Ladungsschichten und der großen Oberfläche der Aktivkohleelektroden ergeben sich extrem hohe Kapazitäten von ca. 200 F/g (siehe L. F. Trueb, P. Rüetschi: "Batterien und Akkumulatoren - Mobile Energiequellen für heu­ te und morgen", Springer-Verlag Berlin 1998). Doppelschicht­ kondensatoren sind im Handel z. B. unter den Namen "UltraCap" von Siemens Matsushita oder "GoldCap" von Panasonic erhält­ lich.
Die Kapazität des Doppelschichtkondensators kann noch weiter erhöht werden, wenn an der Elektrodenoberfläche außerdem eine schnell ablaufende und reversible Redoxreaktion stattfindet. In einem solchen Fall addieren sich die Doppelschichtkapazi­ tät und die chemisch bedingte, sog. Faraday- oder Pseudokapa­ zität. Als Elektrode kann zum Beispiel Ruthenium- oder Iridi­ umoxid verwendet werden, welches beim Laden und Entladen sehr leicht und reversible zwischen den Oxidationszuständen +3 bis +4 hin- und herpendelt. Dank der Redoxreaktion ist die an der Elektrodenoberfläche gespeicherte Ladung eines solchen Metal­ loxidkondensators, auch Faraday'scher Kondensator genannt, außerordentlich hoch. Die Lade- und Entladevorgänge laufen zwar langsamer ab als bei elektrostatischen Kondensatoren, jedoch immer noch sehr viel schneller als bei rein elektro­ chemischen Speichern.
Doppelschicht- und Faraday'sche Kondensatoren weisen eine er­ heblich größere Energiedichte als konventionelle Kondensato­ ren auf und sind daher besonders als Kurzzeitspeicher geeig­ net. Die Lade- bzw. Entladezeit beträgt ca. 0,3 bis 30 Sekun­ den, und die Energie kann über einige Tage bis Wochen gehal­ ten werden (vgl. Thomas Dietrich "Kondensator-Power für inno­ vative Applikationen", Elektronik, Heft 09/99, Seiten 72-77).
Die Brauchbarkeitsdauer von elektrochemischen Kondensatoren wird i. d. R. mit ca. 10 Jahren angegeben. In der Praxis ist diese Lebensdauer jedoch kaum erreichbar. Elektrochemische Kondensatoren dürfen nämlich nur bei relativ niedrigen Span­ nungen betrieben werden. Bei höheren Spannungen setzt die elektrochemische Zersetzung (Elektrolyse) des Elektrolyts ein, was zur irreversiblen Zerstörung des Kondensators führt. Bei Kondensatoren mit wäßrigem Elektrolyt entsteht hierbei H2 und O2, während bei der Elektrolyse von organischem Elektro­ lyt z. B. Kohlendioxid entsteht. Der hierdurch verursachte Gasdruck weitet das Gehäuse und läßt den Innenwiderstand des Kondensators ansteigen. Bei Anwendungen im Kraftfahrzeug ist die Lebensdauer eines Doppelschicht- oder Faraday'schen Kon­ densators daher auf ca. ein Jahr beschränkt.
Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, ein System zur Spei­ cherung von elektrischer Energie mit Kondensatorspeichern bereitzustellen, bei welchem die Kondensatorspeicher bei mög­ lichst hohen Spannungen betrieben werden können und gleich­ zeitig die gewünschte Lebensdauer erreichen.
Die Erfindung stellt hierzu ein System zur Speicherung von elektrischer Energie, z. B. in einem Kraftfahrzeug, mit einem Speichermodul aus einem oder mehreren Kondensatorspeichern zur Verfügung. Das System weist weiterhin eine Einrichtung zur Messung der Temperatur der oder in der Nähe der Kondensa­ torspeicher auf, sowie eine oder mehrere Steuereinrichtungen, welche die an den Kondensatorspeichern anliegende Spannung derart steuern, daß die maximal an dem Speichermodul und/oder an den einzelnen Kondensatorspeichern anliegende Spannung mit abnehmender Temperatur zunimmt.
Die Erfindung stellt auch ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems mit einem Speichermo­ dul aus einem oder mehreren Kondensatorspeichern bereit, bei welchem die an den Kondensatorspeichern anliegende Spannung derart gesteuert wird, daß die maximal an dem Speichermodul und/oder an den einzelnen Kondensatorspeichern anliegende Spannung mit abnehmenden Temperaturen auf einen höheren Wert eingestellt wird.
Unter Kondensatorspeichern werden hier alle Arten von Konden­ satoren verstanden, also auch Elektrolyt- und Keramikkonden­ satoren, insbesondere jedoch elektrochemische Kondensatoren wie z. B. Doppelschicht- oder Faraday'sche Kondensatoren.
Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß die Alterung von Kon­ densatorspeichern und insbesondere elektrochemischen Konden­ satoren neben der Betriebsspannung auch stark von der Tempe­ ratur beeinflußt wird. Die vorstehend erwähnte Zersetzung des Elektrolyts bei hohen Spannungen findet nämlich bei hohen Temperaturen beschleunigt statt. Aus diesem Grund stellt der von den Herstellern genannte Arbeitsbereich der Betriebsspan­ nung, z. B. 0 bis 2,3 V bei einem UltraCap, nur einen Anhalts­ punkt für den tatsächlichen Spannungsbereich dar, in dem der Kondensatorspeicher betrieben werden kann, ohne einer nen­ nenswerten Alterung ausgesetzt zu sein. Während bei hohen Temperaturen die Zersetzung des Elektrolyts schon bei Spannungen innerhalb des angegebenen Arbeitsbereichs, z. B. bei 2,1 V einsetzt, kann der Kondensator bei niedrigen Temperatu­ ren u. U. sogar auf höhere Spannungen, z. B. bis auf 3 V, auf­ geladen werden. Die Erfindung schafft eine entsprechende tem­ peraturabhängige Steuerung der Kondensatorspannung durch eine oder mehrere Steuereinrichtungen, welche die maximal an dem Speichermodul oder an den einzelnen Kondensatorspeichern an­ liegende Spannung derart vorteilhaft reguliert, daß die Alte­ rung der Kondensatorspeicher möglichst gering gehalten wird.
Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gegenstand.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem oder den Kondensator­ speichern um elektrochemische Kondensatoren, insbesondere Doppelschicht-Kondensatoren oder Mischformen aus Doppel­ schicht-Kondensatoren und chemischen Speichern, wie z. B. Fa­ raday'schen Kondensatoren. Diese Kondensatorspeicher zeichnen sich durch besonders große Kapazitätswerte aus, sind aber stark von dem Problem der vorzeitigen Alterung durch Zerset­ zung des Elektrolyts betroffen, so daß die Erfindung hier be­ sonders vorteilhaft ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Ladespannung des Speichermoduls aus Kondensatorspeichern durch eine leistungselektronische Funktionseinheit, z. B. ei­ nen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler, eingestellt. Die an den Kondensatorspeichern gemessene Temperatur wird hierbei einer Steuereinrichtung zugeführt, welche der leistungselek­ tronischen Funktionseinheit eine maximale Ladespannung vor­ gibt, die mit abnehmender Temperatur zunimmt. Die Ladespan­ nung der Kondensatorspeicher wird also auf einen bestimmten, temperaturabhängigen Wert begrenzt, welcher bevorzugt gering­ fügig niedriger als die Zersetzungsspannung bei der jeweili­ gen Temperatur ist. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Kondensatorspeicher bei einer möglichst hohen Spannung zu be­ treiben, gleichzeitig aber eine vorzeitige Alterung der Kon­ densatorspeicher durch Zersetzung des Elektrolyts zu vermei­ den und so die gewünschte Lebensdauer zu erreichen. Da die im Kondensator gespeicherte Energie E = ½ C U2 vom Quadrat der Ladespannung abhängt, ist es vorteilhaft, die Kondensatoren jeweils auf die größtmögliche Spannung aufzuladen, um später hohe Energien entnehmen zu können.
Vorzugsweise weist das Energiespeichersystem neben dem als Kurzzeitspeicher verwendeten Speichermodul aus Kondensator­ speichern einen Langzeitspeicher, insbesondere einen elektro­ chemischen Speicher auf. Dieser kann beispielsweise von einer Schwefelsäure-Blei-Batterie gebildet werden. Durch die Kombi­ nation von Kurz- und Langzeitspeichern kann das Energiespei­ chersystem optimal an den Energiebedarf der jeweiligen Appli­ kation angepaßt werden. Der elektrochemische Speicher kann große Energiemengen über lange Zeit speichern und die "Grundlast" abdecken, während der Kondensatorspeicher bei Spitzenbedarf kurzzeitig hohe Leistungen abgeben kann. Insbe­ sondere in Kraftfahrzeugen ist der Einsatz von Energiespei­ chersystemen aus kombinierten Lang- und Kurzzeitspeichern sinnvoll, da z. B. zum Starten eines Verbrennungsmotors kurz­ zeitig eine wesentlich höhere elektrische Leistung benötigt wird als bei normaler Fahrt. In Elektro- oder Hybridfahrzeu­ gen kann der Kurzzeitspeicher zusätzlich dazu eingesetzt wer­ den, Energie zum Beschleunigen des Fahrzeugs bereitzustellen, sowie die beim regenerativen Bremsen zurückgewonnene Energie zu speichern. Hierdurch braucht der elektrochemische Speicher nur für den normalen Fahrbetrieb ausgelegt zu werden.
Besonders vorteilhaft bei der Verwendung des erfindungsgemä­ ßen Energiespeichersystems in Kombination mit einem elektro­ chemischen Speicher erweist sich das umgekehrte Temperatur­ verhalten von elektrochemischen Speichern und Kondensator­ speichern. Während der Innenwiderstand z. B. einer Schwefel­ säure-Blei-Batterie mit abnehmender Temperatur ansteigt, was die entnehmbare Leistung stark einschränkt, kann ein Konden­ satorspeicher bei niedrigen Temperaturen auf höhere Spannun­ gen als sonst aufgeladen werden, wodurch die entnehmbare Energie und Leistung zunimmt. Diese beiden gegenläufigen Ef­ fekte können sich bis zu einem gewissen Grad ausgleichen. Be­ sonders vorteilhaft kann dies bei einem Kaltstart eines Ver­ brennungsmotors eingesetzt werden. Bei niedrigen Temperaturen setzt der Verbrennungsmotor dem Starter durch die sehr hohen Scherkräfte des Motoröls nämlich ein beträchtliches Moment entgegen. Wird die Startenergie einem elektrochemischen Spei­ cher entnommen, passiert es bei niedrigen Temperaturen daher nicht selten, daß der elektrochemische Speicher bei einem Kaltstart versagt. Wird die Startenergie hingegen von einem Kondensatorspeicher zur Verfügung gestellt, sind bei niedri­ gen Temperaturen sogar höhere Entladeströme verfügbar, da die Kondensatorspeicher - ohne eine Lebensdauerverkürzung zu er­ leiden - auf höhere Spannungen als bei warmen Temperaturen aufgeladen werden können, z. B. bis auf 3 V bei einem Kalt­ start. Bevorzugt werden die Kondensatorspeicher hierbei vor dem Start durch Entnahme aus dem elektrochemischen Speicher aufgeladen. Da der Ladevorgang der Kondensatorspeicher einen längeren Zeitraum als der Startvorgang selbst beanspruchen darf, kann dies auch durch den wegen der tiefen Temperatur leistungsschwachen elektrochemischen Speicher geschehen.
Bevorzugt wird die elektrische Energie zum Aufladen des Spei­ chermoduls aus Kondensatorspeichern und/oder des Lang­ zeitspeichers von einem Generator bereitgestellt, der von ei­ nem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Besonders bevorzugt ist der Generator eine Drehstrommaschine, wobei die vom Gene­ rator erzeugte Spannung durch einen Gleichrichter in einen Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist wird. Vorteilhaft sind der elektrochemische Speicher und das Speichermodul aus Kon­ densatorspeichern ebenfalls an diesen Zwischenkreis ange­ schlossen, der sich z. B. auf einem Spannungsniveau von 40-­ 350 V befindet. Da verschiedene Verbraucher eines Kraftfahr­ zeugs im allgemeinen bei niedrigeren Spannungen vorteilhafter arbeiten, ist vorteilhaft ein Niederspannungsteil des Bord­ netzes vorgesehen, welches auf einer niedrigeren Spannung als der Zwischenkreis liegt.
Bevorzugt ist der Generator ein Kurbelwellen-Starter- Generator. Hierbei handelt es sich um eine sowohl als Starter als auch als Generator fungierende elektrische Maschine, die konzentrisch auf der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors sitzt und vorzugsweise ohne Zwischenübersetzung drehfest mit dieser Welle verbunden ist.
Doppelschichtkondensatoren werden in einem Speichermodul i. d. R. zu einer Reihenschaltung zusammengeschlossen, damit Ströme bei einer höheren Spannung als der Betriebsspannung der einzelnen Zellen von ca. 2,3 V abgegeben werden können. Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung werden die Spannungsdifferenzen zwischen einzelnen, in Reihe ge­ schalteten Kondensatorspeichern des Speichermoduls durch eine sog. Symmetrierschaltung ausgeglichen, indem parallel zu je­ dem Kondensatorspeicher ein Lastwiderstand zuschaltbar ist, über den der Kondensatorspeicher zumindest teilweise entlad­ bar ist. Eine derartige Symmetrierschaltung wird auch mit "Cell Balancing" bezeichnet und dient dazu, zu verhindern, daß sich aufgrund von Kapazitätsvarianzen Spannungsdifferen­ zen zwischen den einzelnen Kondensatoren ausbilden. Da Kapa­ zität und Spannung umgekehrt proportional zueinander sind, liegt bei einer Reihenschaltung von unterschiedlich großen Kondensatoren an dem Kondensator mit der kleinsten Kapazität die größte Spannung an, dieser ist also der stärksten Alte­ rung durch Zersetzung des Elektrolyts ausgesetzt. Daher wer­ den parallel zu jedem Kondensatorspeicher gleich große Last­ widerstände geschaltet, über die sich die Kondensatorspeicher bis auf ein einheitliches Spannungsniveau entladen, und somit eine ungleiche Belastung der Kondensatorspeicher verhindert.
Besonders bevorzugt werden die Lastwiderstände der Symme­ trierschaltung durch ein temperaturempfindliches Schaltele­ ment bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur zugeschal­ tet. Bevorzugt handelt es sich bei dem temperaturempfindli­ chen Schaltelement um einen Heißleiter oder NTC-Widerstand (NTC: Negative Temperature Coefficient) oder eine temperatur­ abhängige Diode, die bei Überschreiten einer bestimmten Tem­ peratur durchbricht. Durch diese Maßnahme wird die an jedem einzelnen Kondensatorspeicher anliegende Spannung bei hohen Temperaturen automatisch gesenkt, die Symmetrierschaltung fungiert also als eine Art "Sicherung", die die Kondensator­ speicher bei hohen Temperaturen vor hoher Spannungsbeauf­ schlagung und damit vor erhöhter Alterung schützt. Bevorzugt ist die Symmetrierschaltung immer aktiv, so daß durch sie auch ein plötzlicher Temperaturanstieg bei abgeschaltetem Mo­ tor ausgeglichen werden kann: Sind z. B. die Kondensatorspei­ cher in einem Speichermodul eines Kraftfahrzeugs am kühlen Morgen auf eine hohe Spannung aufgeladen worden, und steigt die Temperatur tagsüber im abgestellten Fahrzeug an, so werden die Kondensatorspeicher automatisch durch die Symmetrier­ schaltung soweit entladen, daß keine erhöhte Alterung der Kondensatorspeicher auftritt.
Nach einem bevorzugten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird einer Steuereinrichtung eine von der angestrebten Lebensdauer der Kondensatorspeicher abhängige mittlere Ar­ beitsspannung vorgegeben, wobei die Steuereinrichtung die leistungselektronische Funktionseinheit, die die Ladespannung am Speichermodul einstellt, und/oder den Generator so steu­ ert, daß die Spannung des Speichermoduls nach jeder Energie­ aufnahme oder -abgabe auf die Arbeitsspannung zurückgeführt wird. Die Arbeitsspannung wird vorteilhaft so gewählt, daß das als Kurzzeitspeicher fungierende Speichermodul einerseits z. B. die zum Beschleunigen eines Fahrzeugs geforderte Lei­ stung abgeben kann, andererseits auch kurzzeitig Energie auf­ nehmen kann, z. B. durch regeneratives Bremsen erzeugte Ener­ gie. Nach einer derartigen Energieabgabe oder -aufnahme wird die Spannung des Speichermoduls z. B. durch Energieabgabe an einen elektrochemischen Speicher oder durch Erhöhung der Ge­ neratorleistung wieder auf die Arbeitsspannung zurückgeführt. Auf diese Weise steht das Speichermodul aus Kondensatorspei­ chern jederzeit für kurzfristige Energieaufnahmen oder - abgaben zur Verfügung, wobei Generator und elektrochemischer Speicher die Energieentnahmen bzw. -aufnahmen über einen län­ geren Zeitraum ausgleichen. Die mittlere Arbeitsspannung wird bevorzugt so gewählt, daß ein im Mittel auf diese Spannung aufgeladener Kondensatorspeicher im Schnitt eine vorgegebenen angestrebte Lebensdauer erreicht. Je nach Anwendung kann also eine hohe Arbeitsspannung vorgegeben werden, bei welcher das Speichermodul hohe Leistungen abgeben kann, und dafür eine niedrige Lebensdauer in Kauf genommen werden, oder umgekehrt.
Besonders bevorzugt wird die Arbeitsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur der Kondensatorspeicher so angepaßt, daß die Arbeitsspannung mit abnehmender Temperatur zunimmt. Hier­ durch kann die vorgegebenen Lebensdauer mit größerer Sicher­ heit erreicht werden, als dies allein durch das Vorgeben ei­ ner nicht-temperaturabhängigen Arbeitsspannung möglich wäre, da die Alterung von Kondensatorspeichern, insbesondere elek­ trochemischer Kondensatoren, neben der Spannung auch stark von der Temperatur abhängt. Vorteilhaft wird die Arbeitsspan­ nung daher durch die Steuereinrichtung so eingestellt, daß die Spannung der Kondensatorspeicher sich bei jeder Tempera­ tur in einem alterungsarmen Bereich bewegt.
Vorteilhaft wird die Arbeitsspannung außerdem von der momen­ tanen Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängig gemacht, da die Wahrscheinlichkeit einer Energieabgabe bzw. -aufnahme bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten unterschiedlich ist. Bei hoher Geschwindigkeit (z. B. < 20 km/h) ist eher mit einem Bremsvorgang zu rechnen, so daß das Speichermodul vorteilhaft zur Aufnahme von rekuperierter Bremsenergie bereit ist und die Kondensatorspeicher daher auf einer niedrigen Arbeits­ spannung gehalten werden. Niedrige Geschwindigkeiten sind hingegen häufig ein Vorzeichen eines Anhaltens und ggf. spä­ teren Neustarts. Bei Unterschreiten einer bestimmten Grenzge­ schwindigkeit wird daher vorteilhaft die Arbeitsspannung auf einen Wert nahe der bei der momentanen Temperatur maximal zu­ lässigen Spannung eingestellt, damit für das Starten des Ver­ brennungsmotors und/oder den Beschleunigungsvorgang Energie zur Verfügung steht.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm der Lebensdauer eines elektrochemischen Kondensators als Funktion der Spannung bei verschie­ denen Temperaturen;
Fig. 2a eine Schemadarstellung der wichtigsten Funktionsein­ heiten eines ersten Ausführungsbeispiels eines Ener­ giespeichersystems in einem Kraftfahrzeug;
Fig. 2b eine Schemadarstellung der wichtigsten Funktionsein­ heiten eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Ener­ giespeichersystems in einem Kraftfahrzeug;
Fig. 3 ein Diagramm einer beispielhaften Steuerung der Ar­ beitsspannung und der maximalen Spannung in Abhängig­ keit von der Kondensatortemperatur.
Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbei­ spiels einer Symmetrierschaltung;
Fig. 5 ein Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbei­ spiels einer Symmetrierschaltung.
In den Figuren sind funktionsgleiche oder -ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 1 veranschaulicht die Abhängigkeit der Lebensdauer von Doppelschichtkondensatoren (hier vom Typ UltraCap) von der Betriebsspannung bei verschiedenen Arbeitstemperaturen. Der übliche Arbeitsbereich der Ultracaps liegt zwischen 0 und 2,3 V bei zulässigen Arbeitstemperaturen zwischen -35 und +75°C. Die übliche Lebensdauer wird vom Hersteller mit 10 Jahren angegeben. Aus dem Diagramm wird jedoch ersichtlich, daß diese Lebensdauer bei einer Betriebsspannung von 2,3 V nur bei Betriebstemperaturen bis zu 25°C erreichbar ist. Bei einer Temperatur von 75°C ist hingegen nur eine Lebensdauer von 2,5 Monaten zu erwarten. Andererseits erkennt man, daß die angegebene Arbeitsspannung von 2,3 V bei niedrigen Tempe­ raturen durchaus überschritten werden darf, ohne eine vor­ schnelle Alterung der Kondensatoren zu verursachen. So kann ein UltraCap bei -25°C bis auf 2,8 V aufgeladen werden, ohne die voraussichtliche Lebensdauer von 10 Jahren zu unter­ schreiten, während er bei 55°C nur bis auf 2,0 V aufgeladen werden darf, wenn eine Lebensdauer von 10 Jahren erreicht werden soll.
Das Energiespeichersystem nach Fig. 2a ist für ein Kraftfahr­ zeug, z. B. einen Personenkraftwagen, bestimmt. Ein Speicher­ modul 1 besteht im wesentlichen aus einer Reihenschaltung von N Kondensatorspeichern C1, C2, . . ., CN. Das Speichermodul 1 ist über einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (DC-DC- Wandler) 2 mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis 3 gekop­ pelt. Durch den DC-DC-Wandler 2 ist die an dem Speichermodul 1 anliegende Ladespannung frei einstellbar. Außerdem dient er dazu, die beim Entladen der Kondensatoren C1 bis CN dem Spei­ chermodul 1 entnommene Energie auf das Spannungsniveau des Zwischenkreises 3 hoch- oder tiefzusetzen; er ist daher als bidirektionaler Wandler ausgebildet. An den Zwischenkreis 3 ist außerdem über einen Wechselrichter 4 (einen Gleichspan­ nungs-Wechselspannungs-Umrichter) eine als Generator dienende elektrische Maschine 5, hier eine Asynchron- Drehstrommaschine, angeschlossen. Diese wird durch einen Ver­ brennungsmotor 10 angetrieben, welcher ein Drehmoment über eine Antriebswelle 12, eine Kupplung 14 und weitere, nicht gezeigte Teile eines Antriebsstrangs auf die Antriebsräder des Fahrzeugs abgibt. Die elektrische Maschine 5 weist einen direkt koaxial auf der Antriebswelle 12 sitzenden und dreh­ fest mit ihr verbundenen Läufer 6, sowie einen z. B. am Gehäu­ se des Verbrennungsmotors 10 abgestützten Ständer 8 auf. Die Wicklung des Ständers 6 wird durch den Umrichter 4 mit elek­ trischen Strömen und Spannungen frei einstellbare Amplitude, Phase und Frequenz gespeist. In dem hier gezeigten Beispiel dient die elektrische Maschine gleichzeitig auch als Starter, bei anderen Ausführungsformen sind Starter und Generator je­ doch getrennt verwirklicht. Die elektrische Maschine 5 kann vorzugsweise auch zum regenerativen Bremsen verwendet werden, wobei Bewegungsenergie des Fahrzeugs durch die im Generator­ betrieb arbeitende elektrische Maschine 5 in elektrische Energie umgewandelt wird. Im Motorbetrieb kann die elektri­ sche Maschine 5 auch zum Antrieb des Fahrzeugs beitragen.
Im Zwischenkreis liegt weiterhin ein Tiefsetzsteller 16, der mit einem Fahrzeugbordnetz 18 gekoppelt ist. Das Bordnetz 18 liegt vorteilhaft auf einem Spannungsniveau von z. B. 12 oder 24 V. Der Zwischenkreis 3 liegt demgegenüber auf einer erhöh­ ten Spannung von 42 V. An den Zwischenkreis 3 ist weiterhin ein elektrochemischer Speicher 20, beispielsweise eine Schwe­ felsäure-Blei-Batterie angeschlossen. Bei stehendem Verbren­ nungsmotor 10 versorgt der elektrochemische Speicher 20 die Verbraucher des Fahrzeugbordnetzes 18, während bei laufendem Verbrennungsmotor 10 die elektrische Maschine 5 als Generator zur Ladung des elektrochemischen Speichers 20, des Speicher­ moduls 1 und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes 18 dient.
An oder in der Nähe des Speichermoduls 1 ist ein Temperatur­ fühler 22 angeordnet, der die jeweils momentane Temperatur der Kondensatorspeicher C1, C2, . . ., CN mißt. Der Temperaturfüh­ ler 22 weist beispielsweise ein Fühlerelement mit elektrischem Widerstandsmaterial mit positivem oder negativem Tempe­ raturkoeffizienten (PTC bzw. NTC) auf, welches in Wärmelei­ tungskontakt mit einem oder mehreren Kondensatorspeichern des Speichermoduls 1 steht. Ein Steuergerät 24 erhält die vom Temperaturfühler 22 gelieferte temperaturbezogene Informati­ on, ermittelt hieraus anhand der nachfolgend in Fig. 3 ge­ zeigten Abhängigkeit die maximal zulässige Ladespannung, bei der eine beschleunigte Alterung der Kondensatorspeicher ver­ mieden wird, und gibt dem DC-DC-Wandler 2 entsprechende An­ weisung, das Speichermodul 1 nicht mit einer größeren Span­ nung zu beaufschlagen. Das Steuergerät 24 steuert daneben auch den Wechselrichter 4, indem es ihm Amplitude, Phase und Frequenz des an die elektrische Maschine 5 zu liefernden 3- Phasen-Stroms vorgibt. Es kann hierzu Informationssignale von einem (nicht gezeigten) Drehwinkelgeber erhalten, aus denen es die normale Winkelstellung und Drehzahl der Antriebswelle 12 ermitteln kann. Hierdurch kann das Steuergerät 24 nicht nur die maximal zulässige Ladespannung am Speichermodul ein­ stellen, sondern auch dafür sorgen, daß das Speichermodul 1 nach jeder Energieabgabe und -aufnahme auf eine vorgegebene, ggf. mit der Temperatur variierende Arbeitsspannung zurückge­ führt wird. Ist dem Speichermodul 1 z. B. für einen Start- oder Beschleunigungsvorgang Energie entnommen worden, so gibt das Steuergerät 24 dem Wechselrichter 4 danach vor, die elek­ trische Maschine 5 als Generator zu betreiben und die erzeug­ te Energie in den Zwischenkreis 3 zu speisen, von wo sie über den DC-DC-Wandler 2 dem Speichermodul 1 zugeführt wird. Hat das Speichermodul 1 hingegen rekuperierte Bremsenergie aufge­ nommen, so wird diese Energie nachfolgend durch den DC-DC- Wandler 2 wieder langsam in den Zwischenkreis 3 zurückgeführt und in den elektrochemischen Speicher 20 gespeist oder für Lasten verwendet.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2b stimmt weitgehend mit dem der Fig. 2a überein, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen hinsichtlich der Übereinstimmungen auf die obigen Ausführun­ gen verwiesen wird. Der augenfälligste Unterschied besteht darin, daß bei Fig. 2b das Speichermodul 1 elektrisch direkt im Zwischenkreis 3 liegt, während der elektrochemische Spei­ cher 20 über einen DC-DC-Wandler 2 mit dem Zwischenkreis 3 verbunden ist. Der DC-DC-Wandler wird demnach nicht vom Steuergerät 24 gesteuert, sondern wird in Abhängigkeit von der am elektrochemischen Speicher 20 durch den Fühler 23 gemessenen Temperatur eingestellt. Hierdurch kann der dem Speicher 20 entnommene Strom aktiv eingestellt werden, z. B kann bei tie­ fen Temperaturen nur ein geringer Entladestrom zugelassen werden und so ein Versagen der Batterie bei einem Kaltstart vermieden werden.
Außerdem erhält das Steuergerät 24 nicht nur temperaturbezo­ genen Informationen von dem an den Kondensatorspeichern ange­ ordneten Fühler 22, sondern ein weiterer Temperaturfühler 22' mißt auch die Umgebungstemperatur Tambient. Bei der Berechnung der maximal zulässigen Spannung und/oder der Arbeitsspannung verwendet das Steuergerät bei diesem Ausführungsbeispiel näm­ lich auch die maximalen Umgebungstemperaturen der letzten 1-3 Tage als Erwartungswert für die zukünftigen Höchstwerte der Umgebungstemperatur. Insbesondere bei Stillstand des Fahr­ zeugs wird hierdurch die Sicherung der Kondensatorspeicherung vor temperaturbedingter Alterung noch weiter erhöht.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Temperaturabhängigkeit der maximalen Ladespannung Umax und der Arbeitsspannung UA eines Speichermoduls 1, wie sie z. B. dem DC-DC-Wandler 2 von dem Steuergerät 24 vorgegeben wird. Der vom Hersteller angegebene Spannungs-Arbeitsbereich liegt zwischen 0 und UN, z. B. zwi­ schen 0 und 2,3 V für jeden einzelnen Kondensatorspeicher. Für ein Speichermodul aus einer Reihenschaltung von Kondensa­ torspeichern erhält man UN durch Multiplikation der maximalen Spannung eines Kondensators mit der Anzahl der hintereinander geschalteten Kondensatoren. In Fig. 3 ist UN durch eine ge­ strichelten Linie gekennzeichnet. Die vom Steuergerät 24 vor­ gegebene maximal zulässige Spannung Umax nimmt beispielsweise linear mit ansteigender Temperatur ab. Umax liegt bei mittle­ ren und hohen Temperaturen innerhalb des Arbeitsbereichs, bei Temperaturen unterhalb TL werden jedoch auch höhere Spannun­ gen als UN zugelassen. TL liegt z. B. bei 0°C. Die vom Steuer­ gerät 24 vorgegebene Arbeitsspannung UA beträgt bei allen Temperaturen in etwa zwei Drittel der maximal zulässigen Spannung Umax, UA nimmt also mit steigenden Temperaturen ebenfalls beispielsweise linear ab.
In den Fig. 4 und 5 sind Beispiele für temperaturabhängige Symmetrierschaltungen gezeigt. Durch die Symmetrierschaltung wird die Spannung jedes einzelnen Kondensatorspeichers C1, C2, . . ., CN überwacht und dieser bei Überschreiten einer vorgegebenen Spannung und/oder einer vorgegebenen Temperatur über einen parallel geschalteten Lastwiderstand RL auf den zulässigen Wert entladen. Fig. 4 und 5 zeigen jeweils einen einzelnen Kondensator Cn der Reihenschaltung von Kondensato­ ren C1, C2, . . ., CN des Speichermoduls 1. Parallel zu Cn ist ein Lastwiderstand RL über ein temperaturabhängiges Schaltelement 26 zuschaltbar. Bei der in Fig. 4 gezeigten Schaltung umfaßt dieses Schaltelement 26 im wesentlichen einen Transistor T, z. B. einen bipolaren Transistor oder einen Feldeffekttransi­ stor, z. B. MOSFET. Das Gate des Transistors T ist mit dem Ausgang einer Komparators K verbunden, welcher die an zwei Widerständen R1 und R2 anliegenden Spannungen vergleicht. Bei einem dieser Widerstände, R1, handelt es sich um einen Heiß­ leiter oder NTC-Widerstand, dessen Widerstand mit steigender Temperatur sinkt. Bei niedrigen Temperaturen ist R1 größer R2, und der Transistor T befindet sich im Sperrbereich, so daß der Kondensatorspeicher CN nicht über RL entladen wird. Mit steigenden Temperaturen jedoch nimmt der Widerstand von R1 ab und unterschreitet bei einer vorgegebenen Temperatur den Widerstandswert von R2. Der Komparator schaltet daher seine Ausgangsspannung um. Hierdurch wird der Kanal zwischen Drain und Source des Transistors leitend. Bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur wird also der Lastwiderstand RL zugeschaltet und der Kondensatorspeicher Cn zumindest teil­ weise entladen. Hierdurch wird eine vorzeitige Alterung des Kondensatorspeichers Cn bei hoher Temperatur und gleichzeiti­ ger Spannungsbeaufschlagung verhindert.
Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung hat eine ähnliche Funkti­ onsweise, hier umfaßt das temperaturabhängige Schaltelement 26 anstelle von Transistor, Komparator und Heißleiter aller­ dings nur eine einzelne Diode D mit intrinsischem Temperatur­ gang. Bei niedrigen Temperaturen sperrt die Diode D, so daß der Kondensatorspeicher Cn nicht über den Lastwiderstand RL entladen wird. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Tempera­ tur bricht die Diode D jedoch durch, so daß Kondensatorspeicher Cn auf den zulässigen Wert entladen und somit eine vor­ zeitige Alterung des Kondensators vermieden wird.

Claims (17)

1. System zur Speicherung von elektrischer Energie, z. B. in einem Kraftfahrzeug, mit
  • - einem Speichermodul (1) aus einem oder mehreren Kondensatorspeichern (C1, . . ., CN),
  • - einer Einrichtung (22, R1) zur Messung der Tempera­ tur der oder in der Nähe der Kondensatorspeicher (C1, . . ., CN), und
  • - einer oder mehreren Steuereinrichtungen (24, 26), welche die an den Kondensatorspeichern (C1, . . ., CN) an­ liegende Spannung derart steuern, daß die maximal an dem Speichermodul (1) und/oder an den einzelnen Kondensator­ speichern (C1, . . ., CN) anliegende Spannung mit abnehmen­ der Temperatur zunimmt.
2. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, wobei die Konden­ satorspeicher (C1, . . ., CN) elektrochemische Kondensato­ ren, insbesondere Doppelschicht-Kondensatoren oder Mischformen aus Doppelschicht-Kondensatoren und chemi­ schen Speichern, wie z. B. Faraday'sche Kondensatoren, sind.
3. Energiespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine leistungselektronische Funktionseinheit (2) die La­ despannung am Speichermodul (1) einstellt und eine Steu­ ereinrichtung (24) der leistungselektronischen Funkti­ onseinheit (2) eine maximale Ladespannung (Umax) vor­ gibt, die mit abnehmender Temperatur zunimmt.
4. Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden An­ sprüche, welches zusätzlich einen Langzeitspeicher (20), insbesondere einen elektrochemischen Speicher aufweist.
5. Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden An­ sprüche, bei welchem die elektrische Energie zum Aufla­ den des Speichermoduls (1) und/oder des Langzeitspei­ chers (20) von einem Generator (5) bereitgestellt wird, der von einem Verbrennungsmotor (10) angetrieben wird.
6. Energiespeichersystem nach Anspruch 5, bei welchem der Generator (5) eine Drehstrommaschine ist und die vom Ge­ nerator (5) erzeugte Spannung durch einen Gleichrichter (4) in einen Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) gespeist wird.
7. Energiespeichersystem nach Anspruch 5 oder 6, bei wel­ chem der Generator (5) ein Kurbelwellen-Starter- Generator ist.
8. Energiespeichersystem nach Anspruch 3 und 6, bei welchem die leistungselektronische Funktionseinheit (2) und/oder der Langzeitspeicher (20) an den Gleichspannungs- Zwischenkreis (3) angeschlossen sind.
9. Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden An­ sprüche, wobei die Spannungsdifferenzen zwischen einzel­ nen, in Reihe geschalteten Kondensatorspeichern (Cn) des Speichermoduls (1) durch eine Symmetrierschaltung da­ durch ausgeglichen werden, daß parallel zu jedem Konden­ satorspeicher (Cn) ein Lastwiderstand (RL) zuschaltbar ist, über welchen der Kondensatorspeicher (Cn) zumindest teilweise entladbar ist.
10. Energiespeichersystem nach Anspruch 9, wobei der Lastwi­ derstand (RL) durch ein temperaturempfindliches Schalte­ lement (26) bei Überschreiten einer bestimmten Tempera­ tur zugeschaltet wird.
11. Energiespeichersystem nach Anspruch 10, wobei das tempe­ raturempfindliche Schaltelement (26) einen NTC- Widerstand (R1) oder eine temperaturabhängige Diode (D) umfaßt.
12. Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems mit einem Speichermodul (1) aus einem oder mehreren Konden­ satorspeichern (C1, . . ., CN), z. B. in einem Kraftfahrzeug, bei welchem die an den Kondensatorspeichern (C1, . . ., CN) anliegende Spannung derart gesteuert wird, daß die maxi­ mal an dem Speichermodul (1) und/oder an den einzelnen Kondensatorspeichern (C1, . . ., CN) anliegende Spannung mit abnehmenden Temperaturen auf einen höheren Wert einge­ stellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das Energiespei­ chersystem nach einem der Ansprüche 1-11 ausgestaltet ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei einer Steuer­ einrichtung (24) eine von der angestrebten Lebensdauer der Kondensatorspeicher (C1, . . ., CN) abhängige mittlere Arbeitsspannung (UA) vorgegeben wird, und wobei die Steuereinrichtung (24) die leistungselektronische Funk­ tionseinheit (2) und/oder den Generator (5) so steuert, daß die Spannung des Speichermoduls (1) nach jeder Ener­ gieaufnahme oder -abgabe auf die Arbeitsspannung (UA) zurückgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Steuerein­ richtung (24) die Arbeitsspannung (UA) in Abhängigkeit von der Temperatur der Kondensatorspeicher (C1, . . ., CN) so anpaßt, daß die Arbeitsspannung (UA) mit abnehmender Temperatur zunimmt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-15, wobei die Kon­ densatorspeicher (C1, . . ., CN) bei Temperaturen unterhalb einer vorgegebenen Grenze (TL) auf Spannungen oberhalb des Arbeitsbereichs (UN) aufgeladen werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-16, bei welchem die Kondensatorspeicher (C1, . . ., CN) vor dem Starten des Verbrennungsmotors (10) durch Entnahme aus dem Lang­ zeitspeicher (20) auf von der momentanen Kondensator­ speicher-Temperatur abhängige Spannungen aufgeladen wer­ den und beim Starten die gesamte oder einen Teil der Startenergie an einen elektrischen Starter (5) liefern.
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