DE102004024973A1

DE102004024973A1 - Verfahren zur getakteten Stromentnahme aus einer elektrischen Energiequelle

Info

Publication number: DE102004024973A1
Application number: DE102004024973A
Authority: DE
Inventors: Markus Walter
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-01

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Entnahme von elektrischem Strom aus einer Energiequelle vorgeschlagen. Die Stromentnahme wird dabei getaktet durchgeführt, wobei die Taktfrequenz so gewählt wird, dass die Summe der elektrischen Verlustleistungen infolge des Innenwiderstands der Energiequelle und infolge des Taktens der Stromentnahme minimal ist. Das Verfahren ermöglicht es, der Energiequelle Strom mit verbessertem Wirkungsgrad so zu entnehmen, dass sie eine erhöhte Lebensdauer aufweist. Außerdem wird ein System zur Bereitstellung elektrischer Energie vorgeschlagen, dementsprechend diesem Verfahren Strom entnommen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur getakteten Entnahme von elektrischem Strom aus einer elektrischen Energiequelle, bei dem die Stromentnahme mit einer speziellen Taktfrequenz erfolgt. Die Erfindung betrifft außerdem ein System zur Bereitstellung elektrischer Energie, dem mit einer speziellen Taktfrequenz getaktet Strom entnommen werden kann.
Ein derartiges Verfahren und System kann beispielsweise auf dem Gebiet der Elektrotraktion oder der Bordstromversorgung von Fahrzeugen eingesetzt werden.

Unter dem Begriff „elektrische Energiequelle" werden prinzipiell alle denkbaren elektrischen Strom- oder Spannungsquellen verstanden, beispielsweise elektrochemische Zellen, wie Batterien, Akkumulatoren, atmende Batterien und Brennstoffzellen, ferner Kondensatoren, wie Superkondensatoren (Supercapacitors), und dergleichen. Außerdem werden darunter auch Parallel- und Reihenschaltungen davon verstanden, wie Batterien mit mehreren Zellen, Batteriepacks oder Brennstoffzellenstapel (kurz: Stacks). Bevorzugt werden unter „elektrische Energiequelle" jedoch elektrochemische Energiespeicher oder Energiewandler wie Batterien, Batteriepacks, Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstacks verstanden.

Die Entnahme von elektrischem Strom (kurz: Strom) aus einer elektrischen Energiequelle findet üblicher Weise mit suboptimalem Wirkungsgrad statt, weil beispielsweise ein Teil der entnommenen Leistung in Form von Wärme verloren geht (Verlustwärme). Ursache dafür kann u.a. der Innenwiderstand (kurz: R_i) der elektrischen Energiequelle sein. Die bei der Stromentnahme verloren gehende Wärme schränkt dabei die Wirtschaftlichkeit der Energiequelle ein und kann, in besonders ungünstigen Fällen, die Energiequelle schädigen oder sogar zerstören. Um den Wirkungsgrad und die Lebensdauer einer elektrischen Energiequelle zu verbessern ist es daher wünschenswert, dass ihr Innenwiderstand R_i möglichst gering ist.

Das Problem des Innenwiderstands R_i einer elektrischen Energiequelle und der damit verbundenen Wirkungsgradeinbußen ist aus der deutschen Patentanmeldung DE 101 25 106 A1 (DaimlerChrysler) bekannt. Dort wird als elektrische Energiequelle ein Brennstoffzellensystem mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung, einem Zwischenspeicher für elektrische Energie (Ladungszwischenspeicher) und einem Schaltelement offenbart. Das Schaltelement ist zwischen der Energiespeichereinrichtung, die insbesondere eine Pufferbatterie ist, und der Brennstoffzelle angeordnet. An das Brennstoffzellensystem angeschlossene elektrische Verbraucher beziehen sowohl aus der Brennstoffzelle, als auch aus der Pufferbatterie elektrischen Strom. Mit dem Schaltelement kann dabei die Brennstoffzelle zu- oder abgeschaltet werden, je nach Leistungsbedarf der elektrischen Verbraucher oder der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Die Anmeldung offenbart auch ein Betriebsverfahren für das Brennstoffzellensystem, mit dessen Hilfe der zeitliche Verlauf der entnehmbaren elektrischen Spannung geglättet und als nahezu konstant angenommen werden kann. Dabei wird das Schaltelement andauernd und in einem geeigneten Rhythmus betätigt. Hinsichtlich eines geeigneten Rhythmus kann der Fachmann der Anmeldung nur entnehmen, dass dieser so hoch sein sollte, dass die Systemspannung in erster Näherung als konstant angesehen werden kann. Ein möglichst schneller Rhythmus würde sich dabei anbieten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine elektrische Energiequelle mit verbessertem Wirkungsgrad und erhöhter Lebensdauer betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 durch die Merkmale dessen kennzeichnenden Teils weitergebildet wird.

Eine weitere Aufgabe ist es, ein System zur Bereitstellung von elektrischem Strom dahingehend weiter zu entwickeln, dass es mit verbessertem Wirkungsgrad und erhöhter Lebensdauer betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein System zur Bereitstellung von elektrischem Strom mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 8 durch die Merkmale dessen kennzeichnenden Teils weitergebildet wird.

Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zur getakteten Entnahme von elektrischem Strom aus einer elektrischen Energiequelle. Erfindungsgemäß führt man die getaktete Stromentnahme in einem Taktfrequenzbereich f_o durch, in dem die Summe der elektrischen Verlustleistung infolge des Innenwiderstands R_i(f_o) der Energiequelle (im Rahmen der vorliegenden Erfindung „Quelleninnenverlust", P_V,Q(f_o), genannt) und der elektrischen Verlustleistung infolge des Taktens der Stromentnahme (im Rahmen der vorliegenden Erfindung „Schaltverlust", P_V,S((f_o), genannt) minimal ist.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Energiequelle mit verbessertem Wirkungsgrad elektrischer Strom entnommen werden. Ferner wird die Alterung der Energiequelle verlangsamt, wodurch sich Lebensdauer und Betriebssicherheit erhöhen.

Der Innenwiderstand R_i(f_o) der Energiequelle und damit der Quelleninnenverlust P_V,Q(f_o) kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe der Impedanzspektroskopie ermittelt werden. Die Impedanzspektroskopie kann z.B. während der Stromentnahme und damit während des Betriebs der elektrischen Energiequelle durchgeführt werden. Damit lässt sich die Taktfrequenz während des Betriebs nachführen, und der Wirkungsgrad sowie Betriebssicherheit und Alterung verbessern. In diesem Zusammenhang hat sich insbesondere die galvanostatischen Impedanzspektroskopie als vorteilhaft erwiesen. Sie lässt sich während des Betriebs besonders leicht durchführen und liefert besonders genaue Messergebnisse.

Einige elektrische Energiequellen weisen einen sich während des Betriebs zeitlich ändernden Innenwiderstand R_i auf, sodass es vorteilhaft sein kann, die Taktfrequenz f_T während des Betriebs entsprechend nachzuführen. Es ist daher bevorzugt, wenn man den Innenwiderstand R_i(f_o) der Energiequelle und damit den Quelleninnenverlust P_V,Q(f_o) in vorbestimmten zeitlichen Abständen während der getakteten Stromentnahme, durchführt um auf Abweichungen von der idealen Taktfrequenz besonders schnell und flexibel mit einem Nachführen der Taktfrequenz reagieren zu können. Die zeitlichen Abstände können dabei je nach Bedarf regelmäßig oder unregelmäßig sein. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad auch während erfolgender Stromentnahme stets in einem optimalen Bereich halten und damit die Betriebssicherheit der Energiequelle weiter verbessern und etwaige Alterungserscheinungen weiter vermindern.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens regelt man die Leistungsentnahme bei der Taktfrequenz f_o durch Pulsweitenmodulation. Dadurch kann die Taktfrequenz unabhängig von der Leistungsregelung gewählt werden.

Bei einer Weiterbildung dieser Variante stellt man das pulsweitenmodulierte Steuersignal durch einen Regler bereit, dessen Regeldifferenz man aus vorgegebenen Sollwerten und ermittelten Messwerten der Energiequelle ermittelt.

Bei den vorgegebenen Sollwerten und den ermittelten Messwerten handelt es sich vorzugsweise um die elektrische Spannung des Zwischenspeichers. Handelt es sich bei der elektrischen Energiequelle um eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstack, so kann es sich bei den vorgegebenen Sollwerten und den ermittelten Messwerten auch um die Feuchte oder den Druck der Reaktionsstoffe auf der Anoden- und/oder Kathodenseite handeln.

Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens geht man so vor, dass man

(a) ein Impedanzspektrum der Energiequelle aufnimmt;
(b) aus dem aufgenommenen Impedanzspektrum den minimalen elektrischen Innenwiderstand R_i(f_o) der Energiequelle ermittelt;
(c) aus dem aufgenommenen Impedanzspektrum außerdem die Frequenz f_o ermittelt, bei der der elektrische Innenwiderstand R_i(f_o) der Energiequelle minimal ist;
(d) aus dem minimalen elektrischen Innenwiderstand R_i(f_o) die Verlustleistung P_V,Q(f_o) ermittelt, die entsteht, wenn man der Energiequelle mit der Frequenz f_o getaktet Strom entnimmt;
(e) die elektrische Verlustleistung P_V,S(f_o) ermittelt, die durch die Taktung der Stromentnahme mit der Frequenz f_o innerhalb des Systems aber außerhalb der Energiequelle entsteht;
(f) die Summe aus der Verlustleistung P_V,Q(f_o) und der Verlustleistung P_V,S(f_o) ermittelt;
(g) die Taktfrequenz f_o so verändert, dass die ermittelte Summe minimal wird.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Bereitstellung elektrischer Energie, das die folgenden Bauteile umfasst:
eine elektrische Energiequelle;
zumindest einen Zwischenspeicher für elektrische Energie, der mit der elektrischen Energiequelle elektrisch leitend verbindbar ist;
und zumindest ein Schaltelement, um die elektrische Energiequelle und den zumindest einen Zwischenspeicher mit einer vorbestimmten Taktfrequenz f_o abwechselnd elektrisch zu verbinden und zu trennen, sodass dem System mit einer Taktfrequenz f_o elektrischer Strom entnehmbar ist.

Erfindungsgemäß sind dabei Mittel vorgesehen, um die Summe aus der elektrischen Verlustleistung infolge des Innenwiderstands R_i(f_o) der Energiequelle (Quelleninnenverlust, P_V,Q(f_o)) und der durch das Schaltelement entstehenden elektrischen Verlustleistung, wenn dieses mit der Taktfrequenz f_o betrieben wird (Schaltverlust, P_V,S(f_o)), zu ermitteln, sowie Mittel um die Taktfrequenz f_o so zu verändern, dass die ermittelte Summe minimal ist.

Das erfindungsgemäße System kann mit verbessertem Wirkungsgrad und erhöhter Lebensdauer betreiben werden.

Als geeignete Zwischenspeicher kommen beispielsweise Zwischenkreiskondensatoren, Pufferspeicher und dergleichen in Frage.

Dabei ist es bevorzugt, wenn die Mittel zur Ermittlung der Summe P_V,Q(f_o) + P_V,S(f_o) Mittel zum Aufnehmen von Impedanzspektren umfassen, bevorzugt Mittel zum Aufnehmen galvanostatischer Impedanzspektren, da sich mit derartigen Mitteln besonders leicht und präzise während des Betriebs des Systems Informationen über den Innenwiderstand und damit über den Wirkungsgrad, die Betriebssicherheit und die Alterung des Systems, insbesondere der elektrischen Energiequelle, ermitteln lassen.

Bei dem Schaltelement handelt es sich vorzugsweise um einen elektrischen Schalter auf der Basis von Halbleiterbauelementen, wie z.B. Bipolartransistoren, MOSFETS und dergleichen, die je nach Spannungsbereich eingesetzt werden können.

Zur Regelung des Schaltelements kann ein ein- oder mehrdimensionaler Regler vorgesehen sein, der die Taktfrequenz f_o des pulsweitenmodulierten Steuersignals bereitstellt.

Der Regler erhält dabei seine Regeldifferenz vorzugsweise aus vorgegebenen Sollwerten und ermittelten Messwerten des Systems, wobei es sich bei den vorgegebenen Sollwerten und den ermittelten Messwerten insbesondere um die Spannung am Zwischenspeicher oder die Impedanz der elektrischen Energiequelle handelt. Handelt es sich bei der elektrischen Energiequelle z.B. um eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstack, so kann es sich bei den vorgegebenen Sollwerten und den ermittelten Messwerten auch um die Feuchte oder den Druck der Reaktionsstoffe auf der Anoden- und/oder Kathodenseite handeln.

Das Schaltelement kann ferner in einem Bereich der Energiequelle wärmeleitend angeordnet sein, der bei bestimmungsgemäßer Stromentnahme eine vergleichsweise niedrige Tempera tur aufweist. So kann die beim Schaltvorgang am Schaltelement entstehende Verlustwärme nutzbringend in Form von Wärme der Energiequelle zugeführt werden, deren Wirkungsgrad sich dadurch erhöht.

Handelt es sich bei der elektrischen Energiequelle um einen elektrochemischen Energiespeicher oder Energiewandler, oder vorzugsweise um eine Brennstoffzelle, einen Brennstoffzellenstapel, eine elektrochemischen Batterie, einen elektrochemischen Batteriepack oder einer Kombination daraus, so befinden sich derartige kühle Bereiche üblicher Weise in der Nähe des Rands einer Zelle bzw. in der Nähe der Stapel- oder Packenden da die Temperatur in der Mitte einer Zelle bzw. in der Mitte eines Stapels oder Packs normaler Weise am höchsten ist und in Richtung auf die Ränder einer Zelle bzw. die Enden eines Stapels oder Packs immer weiter fällt. Die niedrigen Temperaturen in diesen Bereichen sind im Allgemeinen unerwünscht, da dadurch die Leistung der elektrischen Energiequelle und damit ihr Wirkungsgrad vermindert wird.

Die Stapelenden eines Stacks z.B. werden im Allgemeinen durch Endplatten gebildet, die z.B. Einrichtungen zur Zu- und Abführung der Betriebsstoffe (Brennstoff, Oxidationsmittel und ggf. Kühlmittel) zu den einzelnen Zellen des Stacks aufweisen und über die Kräfte in den Stack eingeleitet werden, die zu dessen Verspannung dienen. Handelt es sich bei der Energiequelle um ein Brennstoffzellenstapel oder ein Batteriepack, so ist das Schaltelement vorzugsweise wärmeleitend im Bereich der Stapelenden angeordnet, insbesondere auf einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels oder auf beiden Endplatten, sofern zwei oder mehr Schaltelemente vorgesehen sind. Für Batteriepacks gilt Ähnliches.

Dadurch kann die von dem Schaltelement erzeugte Verlustleistung in Form von Wärme auf die elektrische Energiequelle übertragen werden, genauer gesagt auf die unerwünscht kühlen Bereiche der elektrischen Energiequelle. Dadurch kann der Wirkungsgrad der elektrischen Energiequelle weiter verbessert werden. Andererseits liegt die Temperatur der Endplatten oft in einem Bereich, der für elektronische Halbleiter-Schaltelemente, wie z.B. MOSFETs, geeignet ist, z.B. 70 bis 95°C. Mit der Anordnung der elektronischen Schaltelemente auf den Endplatten können also zwei vorteilhafte Wirkungen gleichzeitig erzielt werden: Ein Wärmeeintrag in die unerwünscht kühlen Bereiche einer elektrischen Energiequelle und die Kühlung der elektronischen Schaltelemente.

Claims

Verfahren zur getakteten Entnahme von elektrischem Strom aus einer elektrischen Energiequelle, dadurch gekennzeichnet, dass man die getaktete Stromentnahme in einem Taktfrequenzbereich f_o durchführt, in dem die Summe der elektrischen Verlustleistung infolge des Innenwiderstands R_i(f_o) der Energiequelle (Quelleninnenverlust, P_V,Q(f_o)) und der elektrischen Verlustleistung infolge des Taktens der Stromentnahme (Schaltverlust, P_V,S(f_o)) minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Innenwiderstand R_i(f_o) der Energiequelle und damit den Quelleninnenverlust P_V,Q(f_o) mit Hilfe der Impedanzspektroskopie ermittelt, bevorzugt mit Hilfe der galvanostatischen Impedanzspektroskopie.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Innenwiderstand R_i(f_o) der Energiequelle und damit den Quelleninnenverlust P_V,Q(f_o) während der Stromentnahme ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Leistungsentnahme bei der Taktfrequenz f_o durch Pulsweitenmodulation regelt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man das pulsweitenmodulierte Steuersignal durch einen Regler bereit stellt, dessen Regeldifferenz man aus vorgegebenen Sollwerten und ermittelten Messwerten der Energiequelle ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den vorgegebenen Sollwerten und den ermittelten Messwerten um die elektrische Spannung des Zwischenspeichers handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man (a) ein Impedanzspektrum der Energiequelle aufnimmt; (b) aus dem aufgenommenen Impedanzspektrum den minimalen elektrischen Innenwiderstand R_i(f_o) der Energiequelle ermittelt; (c) aus dem aufgenommenen Impedanzspektrum außerdem die Frequenz f_o ermittelt, bei der der elektrische Innenwiderstand R_i(f_o) der Energiequelle minimal ist; (d) aus dem minimalen elektrischen Innenwiderstand R_i(f_o) die Verlustleistung P_V,Q(f_o) ermittelt, die entsteht, wenn man der Energiequelle mit der Frequenz f_o getaktet Strom entnimmt; (e) die elektrische Verlustleistung P_V,S(f_o) ermittelt, die durch die Taktung der Stromentnahme mit der Frequenz f_o innerhalb des Systems aber außerhalb der Energiequelle entsteht; (f) die Summe aus der Verlustleistung P_V,Q(f_o) und der Verlustleistung P_V,S(f_o) ermittelt; (g) die Taktfrequenz f_o so verändert, dass die ermittelte Summe minimal wird.
System zur Bereitstellung elektrischer Energie, umfassend eine elektrische Energiequelle; zumindest einen Zwischenspeicher für elektrische Energie, der mit der elektrischen Energiequelle elektrisch leitend verbindbar ist; und zumindest ein Schaltelement, um die elektrische Energiequelle und den zumindest einen Zwischenspeicher mit einer vorbestimmten Taktfrequenz f_o abwechselnd elektrisch zu verbinden und zu trennen, sodass dem System mit einer Taktfrequenz f_o elektrischer Strom entnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um die Summe aus der elektrischen Verlustleistung infolge des Innenwiderstands R_i(f_o) der Energiequelle (Quelleninnenverlust, P_V,Q(f_o)) und der durch das Schaltelement entstehenden elektrischen Verlustleistung, wenn dieses mit der Taktfrequenz f_o betrieben wird (Schaltverlust, P_V,S(f_o)), zu ermitteln, sowie Mittel um die Taktfrequenz f_o so zu verändern, dass die ermittelte Summe minimal ist.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ermittlung der Summe Mittel zum Aufnehmen von Impedanzspektren umfassen, bevorzugt Mittel zum Aufnehmen galvanostatischer Impedanzspektren.
System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schaltelement um einen elektrischen Schalter auf der Basis von Halbleiterbauelementen handelt, bevorzugt um ein MOSFET.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Schaltelements ein ein- oder mehrdimensionaler Regler vorgesehen ist, der die Taktfrequenz f_o des pulsweitenmodulierten Steuersignals bereitstellt.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler seine Regeldifferenz aus vorgegebenen Sollwerten und ermittelten Messwerten des Systems erhält.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den vorgegebenen Sollwerten und den ermittelten Messwerten um die Spannung am Zwischenspeicher oder die Impedanz der elektrischen Energiequelle handelt.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement in einem Bereich der Energiequelle wärmeleitend angeordnet ist, der bei bestimmungsgemäßer Stromentnahme eine vergleichsweise niedrige Temperatur aufweist.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der elektrischen Energiequelle um einen elektrochemischen Energiespeicher oder Energiewandler handelt, bevorzugt um eine Brennstoffzelle, einen Brennstoffzellenstapel, eine elektrochemischen Batterie, einen elektrochemischen Batteriepack oder einer Kombination daraus.
System nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle ein Brennstoffzellenstapel ist und dass das Schaltelement wärmeleitend im Bereich der Stapelenden angeordnet ist, bevorzugt auf einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels oder auf beiden Endplatten, sofern zwei oder mehr Schaltelemente vorgesehen sind.