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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren Überwachung und/oder Steuerung
oder Regelung der Spannung einzelner Zellen in einem Zellstapel
eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem
Kraftfahrzeug-Bordnetz, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Im
Automobilbereich kommen immer mehr aus Einzelzellen aufgebaute Energiespeicher,
vorzugsweise aus Doppelschichtkondensatoren aufgebaute Energiespeicher
zum Einsatz. Diese Doppelschichtkondensatoren bieten bei der Bereitstellung und
Speicherung von Energie den Vorteil, dass sie kurzfristig hohe Leistung
zur Verfügung
stellen können.
Um auf die in einem Kraftfahrzeug notwendige Versorgungsspannung
zu kommen, müssen
die einzelnen Doppelschichtkondensatoren in Reihe geschaltet werden.
Die in Reihe geschalteten Zellen bilden somit einen Zellstapel.
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Aufgrund
der Toleranzen der Zellen laufen beim zyklischen Laden und Entladen
die Zellspannungen auseinander. Dies ist vor allem dann kritisch, wenn
die maximale Zellspannung erreicht wird. Die Folgen sind unterschiedliche
Alterung der Zellen bis hin zum Ausfall einzelner Zellen.
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Aus
der
DE 103 47 110
B3 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen einzelner
Zellspannungen in einem Zellstapel eines Energiespeichers bekannt,
wobei zum Messen der Zellspannung ein rechteckförmiger Wechselstrom in den
der Zelle zugeordneten Kondensator eingespeist wird. Dadurch entsteht
wiederum eine Wechselspannung. Durch geeignete Maßnahmen
wird aus dieser Wechselspannung die an der Zelle anliegende Gleichspannung
ermittelt. Ein Laden und/oder Entladen der Zelle wird ebenfalls über den
am AC-Bus anliegenden Wechselstrom vorgenommen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung
wird gleichzeitig die Spannung der einzelnen Zellen derart überwacht,
dass eine Überspannung
oder ein Kurzschluss einer Zelle erkennbar ist. Zusätzlich ist
eine Langzeitüberwachung
der Zellen möglich,
so dass bei einem erkennbaren Abfall der Kapazität einer Zelle, einem Anstieg
der Selbstentladung einer Zelle oder einem Anstieg des Innenwiderstands
einer Zelle ein Warnhinweis erzeugt werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist, ein alternatives Verfahren zur Überwachung
und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung einzelner Zellen anzugeben,
das einfach aufgebaut ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind die Gegenstände
der abhängigen
Ansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Überwachung
und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung einzelner Zellen in
einem Zellstapel eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers
in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei für jede Zellengruppe die Spannung
ermittelt wird und die Zellengruppe in Abhängigkeit von der ermittelten Spannung
geladen und/oder entladen wird, zeichnet sich dadurch aus, dass
jede Zellengruppe mit einer Zellengruppen-Logik verbunden ist und über jede Zellengruppe
die Zellengruppen-Spannung ermittelt und in der Zellengruppen-Logik
mit einer an einer Gleichspannungsleitung in Bezug auf Masse anliegenden
Soll-Spannung verglichen
wird und die Zellengruppe in Abhängigkeit
von der Differenz zwischen der ermittelten Zellengruppen-Spannung
und der Soll-Spannung über die
Gleichspannungsleitung geladen und/oder entladen wird. Wesentlich
ist weiterhin, dass die an der Gleichspannungsleitung anliegende
Soll-Spannung mittels einer übergeordneten Regelungseinrichtung
auf einen vorgegebenen Spannungswert geregelt wird.
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Bei
der genannten Zellengruppe handelt es sich entweder um eine einzelne
Zelle oder um einen Verbund aus mehreren Einzelzellen, wobei die
Anzahl der Zellen in der Zellengruppe in jedem Fall kleiner als
der gesamte Zellstapel ist. Aus Kosten- und Aufwandsgründen ist
es sinnvoll, mehrere Zellen in einer Zellengruppe zusammenzufassen
und die Daten statt für
jede einzelne Zelle für
eine Zellengruppe zu ermitteln. Bei den Zellen handelt es sich vorteilhafterweise
um Doppelschichtkondensatoren. Das Verfahren ist jedoch auch für jede andere
Art von aus Einzelzellen aufgebauten Energiespeichern geeignet.
Bei der Zellengruppen-Logik handelt es sich vorteilhafterweise um
eine Einheit, die wenigstens eine Vergleichseinheit und eine Steuereinheit
zum Laden und/oder Entladen der Zelle enthält. Die an der Zellengruppe
anliegende Spannung kann ebenfalls direkt in der Zellengruppen-Logik
ermittelt werden. Die Spannungssteuerung bzw. -regelung der Zellen
dient einerseits der Ladungserhaltung und andererseits der Symmetrierung
der Spannung der einzelnen Zellen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bietet somit gegenüber
dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, dass die an den einzelnen
Zellen bzw. an den Zellengruppen anliegende (Gleich-)spannung nicht
zuerst in eine Wechselspannung umgewandelt wird, um anschließend wieder
in eine Gleichspan nung umgeformt zu werden. Zusätzlich können durch die Kombination
von Symmetrierung, Diagnose und Ladungserhaltung Synergieeffekte
genutzt werden.
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Vorteilhafterweise
wird die Zellengruppe derart geladen und/oder entladen, dass sie
der über
die Gleichspannungsleitung in Bezug auf Masse geregelten Soll-Spannung
entspricht. Entspricht die ermittelte Zellengruppen-Spannung der an der
Gleichspannungsleitung anliegenden Soll-Spannung, wird die Zellengruppe
weder entladen noch geladen. Ist die an der Zellengruppe anliegende
Spannung jedoch geringer als die Soll-Spannung, wird die Zellengruppe
durch die Gleichspannungsleitung geladen. Dementsprechend wird bei
einer im Vergleich zur Soll-Spannung größeren Zellengruppen-Spannung die
Zellengruppe entladen. Durch die übergeordnete Regeleinrichtung
wird an der Gleichspannungsleitung in Bezug auf Masse jeweils diejenige
Soll-Spannung vorgegeben, die gerade an der Zellengruppe anliegen
sollte. Falls eine Zellengruppe mehrere Einzelzellen umfasst, kann
die eingeregelte Soll-Spannung an der Gleichspannungsleitung, also
die einzustellende Zellengruppen-Spannung auch einer in einem Fahrzeug
anliegenden Bordnetzspannung entsprechen. Die über die Gleichspannungsleitung
in Bezug auf Masse anliegende Soll-Spannung wird durch Steuerung
bzw. Regelung des an der Gleichspannungsleitung anliegenden Gleichstroms
eingestellt.
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Das
Laden und Entladen dient in erster Linie der Ladungserhaltung. Neben
der Ladungserhaltung der Zellen wird das Laden und Entladen auch
im Hinblick auf eine Zellsymmetrierung eingesetzt. Diese Zellsymmetrierung
dient dazu, dass trotz unterschiedlicher Alterung der Zellen oder
anderer Einflüsse
an jeder Zelle bzw. an jeder Zellengruppe die gleiche Spannung anliegt.
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Vorteilhafterweise
wird die Zellengruppe kontinuierlich, zu bestimmten Zeitpunkten
oder bei vorgegebenen Betriebszuständen des Zellstapels geladen und/oder
entladen. Ein vorgegebener Betriebszustand liegt beispielsweise
dann vor, wenn an dem Modul bzw. an dem Zellstapel kein Strom anliegt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auch für
die Diagnose der einzelnen Zellen oder Zellenstapel verwendet werden.
Dazu wird vorteilhafterweise zur Diagnose der einzelnen Zellengruppen
aus der Zellengruppen-Spannung der Innenwiderstand und/oder die
Kapazität
der Zellengruppe ermittelt. Die Spannung wird dementsprechend zu
genau definierten Betriebsphasen des Zellstapels ermittelt. Die Ermittlung
des Innenwiderstands und der Kapazität wird vorteilhafterweise in
der jeweiligen Zellengruppen-Logik vorgenommen.
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Vorteilhafterweise
wird zur Bestimmung des Innenwiderstands der Zelle oder der Zellengruppe die
Spannung der Zellgruppe unmittelbar vor und nach einem Stromsprung
während
eines Lade- und/oder Entladevorgangs der Zellengruppe ermittelt.
Zur Bestimmung der Kapazität
der Zellen bzw. Zellengruppen wird die Spannung unmittelbar vor und
nach einem Lade- und/oder Entladevorgang der Zellengruppe oder unmittelbar
nach dem Beginn und unmittelbar nach dem Ende des Lade- und/oder
Entladevorgangs der Zellengruppe ermittelt. Die Bestimmung des Innenwiderstands
und/oder der Kapazität erfolgt
anschließend
durch Berechnung.
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Durch
eine geeignete Bewertung der Messwerte bzw. des ermittelten Innenwiderstands
und der Kapazität
in der Zellengruppen-Logik kann ein Abdriften des Innenwiderstands
oder der Kapazität
oder ein gebrochener Zellverbinder detektiert werden und dementsprechend
geeignete Maßnahmen,
wie beispielsweise ein Notlaufverhalten des Gesamtsystems, eingeleitet
werden. Die Diagnosemöglichkeit ermöglicht einerseits
eine weitreichende Qualitätssicherung
und andererseits können
dadurch geeignete Maßnahmen
zur Lebensdauerverlängerung
vorgenommen werden.
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Vorteilhafterweise
kann zusätzlich
in den Zellengruppen-Logiken die Temperatur der Zelle bzw. Zellengruppe,
bspw. mittels eines Temperatursensors ermittelt werden. Dies erweitert
die Diagnosemöglichkeiten,
da sie als Grundlage zur Initiierung eines Degradationsvorgangs
herangezogen werden kann. Zusätzlich
oder stattdessen kann die ermittelte Temperatur zur Plausibilisierung
der Innenwiderstandsberechnung herangezogen werden, da mit sinkender
Temperatur der Zellengruppe auch die Verlustleistung steigt.
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Vorteilhafterweise
ist in der Zellengruppen-Logik die Zellengruppen-Spannung von der gesteuerten bzw. geregelten
Soll-Spannung galvanisch getrennt. Dies ist vor allem dann sinnvoll,
wenn die Zellstapel-Spannung beispielsweise größer als 60 V ist. Zusätzlich kann
die galvanische Trennung noch überwacht
werden.
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Vorteilhafterweise
werden die Daten der jeweiligen Zellengruppen-Logiken in einer Zentral-Logik
zusammengeführt.
In der Zentral-Logik kann ein Vergleich der ermittelten Daten für jede Zellengruppe im
Verhältnis
zu den restlichen Zellengruppen vorgenommen werden. Dies ist wiederum
besonders für die
Symmetrierung der einzelnen Zellengruppen oder auch für die Diagnose
im Hinblick auf Fehler oder Defekte der Zellengruppen relevant.
Die Zentral-Logik kann zusätzlich
mit dem Bordnetz eines Fahrzeugs, in dem sich der Zellstapel befindet, über einen
sog. CAN-Bus verbunden sein.
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Falls
eine derartige Zentral-Logik vorhanden ist, kann es auch sinnvoll
sein, die Berechnung des Innenwiderstands und/oder der Kapazität der Zellengruppen
in der Zentral-Logik vorzunehmen. Das bietet den Vorteil, dass nicht
alle Zellengruppen-Logiken mit der Berechnungseinheit ausgestattet
werden müssen.
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Vorteilhafterweise
werden die Daten zwischen den jeweiligen Zellengruppen-Logiken und der Zentral-Logik
mittels eines separaten Datenbusses oder über ein aufmoduliertes Signal
auf der Gleichspannungsleitung übermittelt.
Bei dem separaten Datenbus kann es sich beispielsweise um einen
standardisierten Datenbus mit einer Eindrahtschnittstelle, ein sog.
LIN (Local Interconnect Network) handeln. Die Versorgung der Zellengruppen-Logiken
und der Zentral-Logik erfolgt vorteilhafterweise aus dem Bordnetz
oder direkt über
die Gleichspannungsleitung.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt. Es zeigt die
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1 eine
erste Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine
zweite Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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3 einen
möglichen
Spannungs- und Stromverlauf über
die Zeit einer bestimmten Zellengruppe.
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In
den 1 und 2 sind zwei Alternativen für eine Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Die Vorrichtungen sind beispielsweise in einem hier
nicht dargestellten Fahrzeug implementiert. In beiden 1 und 2 sind
in einem Zellstapel Z mehrere Zellen C1, C2, C3, C4 und C5 in Reihe
geschaltet. Der Zellstapel Z ist an das Energiebordnetz E des Fahrzeugs angeschlossen
und dient zur Energiebereitstellung, vor allem bei Hybridfahrzeugen.
Bei den Zellen C1 bis C5 handelt es sich vorteilhafterweise um Doppelschichtkondensatoren.
Jede Zelle C1 bis C5 des Zellstapels Z ist mit einer Zellengruppenlogik
verbunden.
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In
der 1 ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass
jede Zelle C1 bis C5 eine Zellengruppe bildet und mit einer eigenen
Zellengruppen-Logik verbunden ist. Zu besseren Übersicht ist in der 1 lediglich
die Zellengruppen-Logik
ZGL2 für
die Zelle C2 dargestellt. Bei der Vorrichtung in 1 wird
in der Zellengruppenlogik ZGL2 kontinuierlich die Spannung UC2 über die
Zelle bzw. Zellengruppe C2 ermittelt.
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In
der 2 ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass
mehrere Zellen, im vorliegenden Beispiel zwei Zellen, zu einer Zellengruppe
zusammengefasst und mit einer Zellengruppen-Logik verbunden sind.
Zur besseren Übersicht
ist in der 2 lediglich die Zellengruppen-Logik
ZGL23 für
die Zellengruppe, bestehend aus Zelle C2 und C3, dargestellt. Bei
der Vorrichtung in 2 wird in der Zellengruppen-Logik
die Spannung UC23 kontinuierlich über die Zellengruppe C2 und
C3 ermittelt.
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Die
Zellengruppen-Logiken ZGL2 bzw. ZGL23 sind mit einer Gleichspannungsleitung
GL, einer dazugehörigen
Masse M und einem Datenbus DB verbunden. Über die Gleichspannungsleitung
GL liegt in Bezug auf die Masse M eine vorgegebene Soll-Spannung
Usoll an, die als Eingangssignal an der in 1 dargestellten
Zellengruppen-Logik ZGL2 bzw. an der in 2 dargestellten
Zellengruppen-Logik ZGL23 anliegt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung
könnte
zusätzlich
die Temperatur der jeweiligen Zelle oder Zellengruppe erfasst und
im Rahmen der Zellen-Diagnose ausgewertet werden. Die an der Gleichspannungsleitung
GL in Bezug auf die Masse M anliegende Soll-Spannung Usoll kann
mittels einer hier nicht dargestellten übergeordneten Regelungseinrichtung
vorgegeben werden.
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In
beiden Vorrichtungen sind über
den Datenbus DB alle Zellengruppen-Logiken, in der 1 somit
die Zellengruppen-Logik ZGL2 und in der 2 die Zellengruppen-Logik
ZGL23 mit einer übergeordneten
Zentral-Logik ZL verbunden. Zusätzlich
sind auch die Gleichspannungsleitung GL und die Masse M angeschlossen.
In der Zentral-Logik ZL werden die Daten der jeweiligen Zellengruppen-Logiken
ZGL2 bzw. ZGL23 zusammengeführt
und bei Bedarf zeitlich unterschiedlich gesteuert. Die Versorgung
der Zellengruppen-Logiken ZGL2 und der Zentral-Logik ZG kann über das
Bordnetz oder direkt durch die Gleichspannungsleitung erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Zentral-Logik zusätzlich die
Gesamtspannung UM des Zellstapels Z und/oder den Gesamtstrom IM
des Zellstapels Z als Eingangssignal erhalten. Die zum Einstellen
der an der Gleichspannungsleitung GL anliegenden Soll-Spannung Usoll
Regelungseinrichtung kann ein Teil der Zentral-Logik sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Steuerung oder Regelung der einzelnen Zellen bzw. Zellengruppen
wird nun anhand der 1 näher erläutert. In der Zellengruppen-Logik
ZGL2 wird die an der Zelle C2 anliegende Spannung U2 mit der Soll-Spannung
Usoll verglichen. Um Abweichungen in den Kapazitäten der einzelnen Zellen auszugleichen,
wird eine sogenannte Symmetrierung der Zellen vorgenommen. Dies
bedeutetet, dass die einzelnen Zellen C1 bis C5 derart geladen oder
entladen werden, dass an jeder Zelle C1 bis C5 die gleiche Spannung
anliegt. Die Symmetrierung basiert bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
auf einem Spannungsvergleich bzw. einer Spannungsnivellierung der
jeweiligen Zelle mit der an der Gleichspannungsleitung GL anliegenden
Soll-Spannung Usoll. Die Symmetrierung der einzelnen Zellen C1 bis
C5 kann kontinuierlich, zu bestimmten Zeitabschnitten oder bei bestimmten
Betriebsbedingungen erfolgen. Beispielsweise ist es sinnvoll, die
Symmetrierung während
einer Ruhephase des Zellstapels Z, also wenn am Zellstapel Z kein Strom
IM anliegt, vorzunehmen. Somit stellt nach erfolgten Abgleich, also
im eingeschwungenen Zustand, die an der Gleichspannungsleitung GL
anliegende Soll-Spannung Usoll im Idealfall die an der Zelle C2
anliegende Spannung UC2 dar.
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Die
einzelnen Zellen C1 bis C5 werden nicht nur zum Zweck der Symmetrierung,
sondern auch im Rahmen der Ladungserhaltung der einzelnen Zellen C1
bis C5 bzw. des gesamten Zellstapels Z geladen oder entladen. Zur
Ladungserhaltung muss die an der Gleichspannungsleitung GL anliegende Soll-Spannung
Usoll geregelt werden. Das Laden oder Entladen der einzel nen Zellen
C1 bis C5 oder des Zellstapels Z ist ebenfalls über die Gleichspannungsleitung
GL möglich.
Dies kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen.
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Wahlweise
wird die Diagnose der jeweiligen Zellen C1 bis C5 in den jeweiligen
Zellengruppen-Logiken ZGL 2 bzw. ZGL23 oder in der Zentral-Logik
ZL vorgenommen. Die Vorgehensweise wird anhand 3 näher erläutert. In
der 3 ist ein beispielhafter Spannungsverlauf U und
Stromverlauf I einer Zelle über
die Zeit t während
eines Ladevorgangs aufgetragen. Der Spannungsverlauf U ist mittels
einer durchgehenden Linie, der Stromverlauf I ist mittels einer
gestrichelten Linie dargestellt.
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Für eine geeignete
Diagnose müssen
der Innenwiderstand Ri und die Kapazität C der
Zellen bzw. der Zellengruppen ermittelt werden, um anschließend durch
eine geeignete Bewertung dieser Werte eine defekte Zelle und/oder
einen gebrochenen Zellverbinder detektierten zu können.
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Zur
Bestimmung des Innenwiderstands R
i der Zelle
oder Zellengruppe wird die Spannung U der Zellgruppe unmittelbar
vor und nach einem signifikanten Stromsprung während eines Lade- und/oder Entladevorgangs
der Zellengruppe ermittelt. Als signifikanter Stromsprung wird ein
Stromanstieg oder -abfall von beispielsweise mindestens 30% innerhalb eines
vorgegebenen Zeitintervalls angesehen. Gemäß der
3 wird somit
zum Zeitpunkt t1 die Spannung U1 und der Strom I1, und zum Zeitpunkt
t2 die Spannung U2 und der Strom I2 ermittelt. Die Berechnung des
Innenwiderstands R
i erfolgt beispielsweise gemäß der bekannten
Formel
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Zur
Bestimmung der Kapazität
C der Zelle oder Zellgruppe wird die Spannung U unmittelbar vor und
nach einem Lade- und/oder Entladevorgang der Zellgruppe oder unmittelbar
nach dem Beginn und nach dem Ende des Lade- und/oder Entladevorgangs
der Zellengruppe ermittelt. Gemäß der 3 wird
bei der ersten Alternative somit zum Zeitpunkt t1 die Spannung U1
und der Strom I1, und zum Zeitpunkt t3 die Spannung U3 und der Strom
I3 ermittelt. Die Berechnung der Kapazität erfolgt beispielsweise durch
geeignetes Umformen und Ineinander-Einsetzen der Formeln I = CU . und UC =
U + URi.
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Die
Kapazität
C berechnet sich somit gemäß nachstehender
Formel:
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Vorteilhafter
ist jedoch die Berechnung gemäß der zweiten
Alternative. Hierzu wird gemäß der
3 zum
Zeitpunkt t2 die Spannung U2 und der Strom I2, und zum Zeitpunkt
t3 die Spannung U3 und der Strom I3 ermittelt. Die Kapazität C berechnet
sich dann gemäß dieser
Formel:
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Durch
eine geeignete Bewertung des Innenwiderstands R; und der Kapazität C der
Zellen oder Zellengruppen im Verhältnis zum Innenwiderstand und
der Kapazität
der anderen Zellen oder Zellengruppen oder über die Zeit ist ein Erkennen
eines möglichen
Abdriftens des Innenwiderstands oder der Kapazität der Zellen oder Zellengruppen,
oder auch das Erkennen eines gebrochenen Zellverbinders möglich.
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Eine
sinnvolle Kombination zur Ladungserhaltung würde sich beispielsweise auch
durch eine Verbindung der Gleichspannungsleitung mit einer weiteren
elektrischen Energiequelle, beispielsweise einer Brennstoffzelle
ergeben. Wird beispielsweise eine kontinuierliche Ladungserhaltung
gewählt, reicht
eine niedrige Spannung der Brennstoffzelle aus, um auf die hohe
Spannung des Zellstapels zu gelangen. Dies würde wiederum die Kosten und
den Aufwand des Gesamtsystems reduzieren.
