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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
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Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie, und hier insbesondere zur Speicherung von elektrischer Traktionsenergie in Elektrofahrzeugen oder insbesondere in Hybridfahrzeugen, sind dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise sind solche Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie mittels einzelner Speicherzellen ausgebildet, welche beispielsweise in Reihe und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind. Grundsätzlich sind als Speicherzellen dabei verschiedenartige Akkumulatorzellen oder Kondensatoren denkbar. Aufgrund der vergleichsweise hohen Energiemengen und Leistungen bei der Speicherung und Entnahme der Energie, bei der Anwendung in Antriebssträngen für Fahrzeuge, und hier insbesondere für Nutzfahrzeuge, werden als Speicherzellen Speicherzellen mit ausreichend hohem Energieinhalt eingesetzt. Dies können beispielsweise Akkumulatorzellen in Lithium-Ionen-Technologie sein, oder insbesondere aber Speicherzellen in Form von sehr leistungsstarken Kondensatoren. Diese Kondensatoren werden im Allgemeinen auch als Superkondensatoren, Supercaps oder Ultra-Capacitors bezeichnet.
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Unabhängig davon, ob nun Superkondensatoren oder Akkumulatorzellen mit hohem Energieinhalt eingesetzt werden, entsteht bei derartigen Aufbauten aus einer Vielzahl von Speicherzellen, welche insgesamt oder in Blöcken in Reihe zueinander verschaltet sind, die Problematik, dass die Spannung der einzelnen Speicherzelle bauartbedingt auf einen oberen Spannungswert begrenzt ist. Wird dieser obere Spannungswert, beispielsweise beim Laden der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie überschritten, so wird die Lebensdauer der Speicherzelle im Allgemeinen drastisch reduziert. Aufgrund von vorgegebenen Fertigungstoleranzen weichen die einzelnen Speicherzellen in ihren Eigenschaften (zum Beispiel Selbstentladung) in der Praxis typischerweise geringfügig voneinander ab. Dies hat zur Folge, dass einzelne Speicherzellen eine etwas geringere Spannung aufweisen als andere Speicherzellen in der Vorrichtung. Da die maximale Spannung für die gesamte Vorrichtung im Allgemeinen jedoch gleich bleibt und das insbesondere beim Laden typische Ansteuerungskriterium darstellt, kommt es so unweigerlich dazu, dass andere Speicherzellen eine etwas höhere Spannung aufweisen und bei Ladevorgängen dann über die erlaubte Spannungsgrenze hinaus geladen werden. Eine solche Überspannung führt, wie bereits oben erwähnt, zu einer erheblichen Reduzierung der möglichen Lebensdauer dieser einzelnen Speicherzellen und damit der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie. Eine weitere Problematik liegt darin, dass einzelne Speicherzellen aufgrund einer höheren Selbstentladung schneller in ihrer Spannung absacken, als andere der Speicherzellen. Dies kann längerfristig dazu führen, dass die Speicherzellen in ihren Spannungspotentialen immer weiter auseinanderlaufen. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem Umpolen der abgesackten Speicherzelle in der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie. Dies würde ihre Lebensdauer drastisch reduzieren und muss unbedingt vermieden werden.
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Um diesen Problematiken zu begegnen, kennt der allgemeine Stand der Technik im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von Zellspannungsausgleichen, welche jeweils zentral oder dezentral aufgebaut sind. In einer zentralen Elektronik sind alle Komponenten zum Beispiel in einer Steuereinheit zusammengefasst, während beim dezentralen Aufbau an jeweils ein bis zwei Speicherzellen die einzelnen Komponenten beispielsweise auf einer kleinen Platine für speziell diese ein bis zwei Speicherzellen angebracht sind. Die allgemein übliche Terminologie des Zellspannungsausgleichs ist hier ein wenig irreführend, da hierdurch nicht die Spannungen oder genauer gesagt die Energien der einzelnen Speicherzellen untereinander ausgeglichen werden, sondern dass lediglich die Zellen mit hohen Spannungen in ihren zu hohen Spannungen reduziert werden. Da die Gesamtspannungen der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie konstant bleiben, kann durch den sogenannten Zellspannungsausgleich jedoch eine in ihrer Spannung abgesackte Zelle im Laufe der Zeit wieder in ihrer Spannung erhöht werden, sodass zumindest die Gefahr eines Umpolens hierdurch reduziert wird.
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Eine erste Möglichkeit für den Zellspannungsausgleich ist der sogenannte passive Zellspannungsausgleich. Dabei ist ein elektrischer Widerstand parallel zu jeder einzelnen Speicherzeile geschaltet. Der elektrische Widerstand ist vergleichsweise hoch gewählt, lässt aber immer noch ein Vielfaches des typischen Selbstentladestroms der jeweiligen Speicherzelle fließen. Damit stellt sich über die Zeit eine in etwa gleiche Spannung für jede der Speicherzellen ein. Dieser Aufbau hat jedoch den Nachteil, dass bereits nach relativ kurzer Zeit keine elektrische Energie mehr in dem Speicher vorhanden ist, da aufgrund der elektrischen Widerstände parallel zu jeder einzelnen Zelle ständig ein zwar geringer, aber dennoch vorhandener Strom fließt und somit eine ständige Entladung der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie stattfindet. Die Problematik wird ferner dadurch verschärft, dass durch den Stromverbrauch in den elektrischen Widerständen Wärme entsteht, welche im Bereich einer Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie im Allgemeinen unerwünscht ist und typischerweise weggekühlt werden muss. Damit ergeben sich bei dieser Art des passiven Zellspannungsausgleichs gravierende Nachteile, welche insbesondere in den elektrischen Verlusten und der unerwünschten Wärmeentwicklung zu sehen sind.
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Ein weiterer Ansatz aus dem allgemeinen Stand der Technik ist der sogenannte aktive Zellspannungsausgleich. Dabei wird zusätzlich ein elektronischer Schwellwertschalter parallel zu jeder der Speicherzellen und in Reihe zu dem Widerstand geschaltet. Dieser auch als Bypass-Elektronik bezeichnete Aufbau lässt dabei immer nur dann einen Strom fließen, wenn die Zelle eine Überspannung, also eine Spannung oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts für die einzelne Zelle aufweist. Sobald die Spannung der einzelnen Speicherzelle wieder in einen Bereich unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts fällt, wird der Schalter geöffnet und es fließt kein Strom mehr. Dadurch, dass ein kleinerer ohmscher Widerstand eingesetzt werden kann, kann der Aufbau außerdem zu einem schnelleren Zellspannungsausgleich, als die oben beschriebene Variante, führen. Aufgrund der Tatsache, dass der elektrische Widerstand über den Schalter immer dann außer Kraft gesetzt wird, wenn die Spannung der einzelnen Speicherzellen unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts ist, kann auch eine unerwünschte Entladung der gesamten Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie weitgehend vermieden werden. Auch eine ständige unerwünschte Wärmeentwicklung ist bei diesem Lösungsansatz des aktiven Zellspannungsausgleichs kein Problem.
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Allerdings verbleibt auch hier der Nachteil, dass insbesondere bei der hochdynamischen Anwendung der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie, lediglich ein eventuell auftretender Schaden begrenzt wird, während kein langfristiger Ausgleich der einzelnen Spannungsniveaus der Speicherzellen erfolgt. Kommt es nämlich nun zu einem erneuten Ladevorgang, so werden die soeben über den Schalter in ihrer maximalen Spannung begrenzten Speicherzellen sofort wieder in dieser Begrenzung betrieben. Damit tritt, insbesondere bei sehr dynamischen Lade- und Entladezyklen, das prinzipiell weiterhin schädigende und über Widerstand und Schalter nur langsam abgemilderte Szenario in kurzer zeitlicher Abfolge bei genau denselben Speicherzellen immer wieder auf. Letztlich erfolgt also durch diesen sogenannten aktiven Zellspannungsausgleich nicht wirklich ein Ausgleich der einzelnen Spannungen der Zellen untereinander, sondern lediglich beim Überschreiten der schädigenden Grenzspannung wird die Speicherzelle mit einem kleinen Bypass-Strom entladen, um durch langsamen Abbau der Überspannung das Überschreiten zu begrenzen. Der Bypass-Strom fließt dabei nur so lange, bis die Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie wieder entladen wird, da hierbei die entsprechende Spannungsgrenze unterschritten und der Schalter wieder geöffnet wird. Bei einem erneuten Ladevorgang ergibt sich die Problematik dabei von Neuem. Und die schon soeben betroffene Speicherzelle wird immer noch eine sehr viel höhere Spannung aufweisen als beispielsweise eine in ihrer Spannung abgesenkte Zelle.
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In den beiden dargelegten und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Möglichkeiten zum sogenannten Zellspannungsausgleich liegt das Ziel immer darin, die Überspannung und das Umpolen bei einzelnen Speicherzellen zu vermeiden. Wie dargelegt, gelingt dies jedoch nicht in allen Fällen, insbesondere dann nicht, wenn ein hochdynamischer Betrieb, also ein sehr schnelles Aufeinanderfolgen von Lade- und Entladezyklen, wie sie beispielsweise bei einem Hybridantrieb im Stadtverkehr entstehen, in der Vorrichtung auftreten. Insbesondere in solchen Anwendungen kann also die Lebensdauer der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie nur bedingt durch den Zellspannungsausgleich verlängert werden.
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Nun ist jedoch die Lebensdauer der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie bei Hybridantrieben, und hier insbesondere bei Hybridantrieben für Nutzfahrzeuge, beispielsweise Omnibusse im Stadt-/Nahverkehr, von entscheidender Bedeutung. Anders als bei herkömmlichen Antriebssträngen in der für derartige Anwendungen geeigneten Größenordnung der erforderlichen Leistung stellt die Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie einen erheblichen Teil der Kosten für den Hybridantrieb dar. Daher ist es besonders wichtig, dass bei solchen Anwendungen sehr hohe Lebensdauern der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie erzielt werden.
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Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung anzugeben, welche die oben genannten Nachteile vermeidet und mit minimalem Aufwand die bestmögliche Lebensdauer der einzelnen Speicherzellen in einer derartigen Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 7 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie ist es vorgesehen, dass der eingangs beschriebene aktive Zellspannungsausgleich um eine Zeitschalteinheit erweitert ist, welche jeden geschlossenen Schalter nach dem Schließen für eine vorgegebene Zeit geschlossen hält. Damit ist sichergestellt, dass jede einzelne Speicherzelle, nachdem sie eine vorgegebene Spannung überschritten hat, bei geschlossenem Schalter immer zwingend für eine vorgegebene Zeit über den elektrischen Widerstand entladen wird. Die in dieser Speicherzelle vorliegende Spannung wird also über einen längeren Zeitraum hinweg abgebaut. Dies kann nun insbesondere dazu führen, dass beim nächsten Ladezyklus für die Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie genau diese eine Speicherzelle nicht schon wieder in den oberen Grenzwert ihrer Spannung gelangt und über ein erneutes Schließen des Schalters wieder in ihrer Spannung beschränkt werden muss. Vielmehr kommt es durch die Integration einer Zeitfunktion durch die wenigstens eine Zeitschalteinheit zu einer Nivellierung des Spannungsniveaus eben dieser Speicherzelle gegenüber den anderen Speicherzellen. Auch in ihrer Spannung abgesenkte Speicherzellen werden dann in ihrer Spannung wieder erhöht, sodass hierdurch ein echter Zellspannungsausgleich im Wortsinn stattfindet.
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Damit wird auch bei dynamischen Anwendungen, beispielsweise in einem Hybridantrieb, bei dem durch das Anfahren ein großer Teil der in der Vorrichtung gespeicherten elektrischen Energie entnommen wird, und beim nächsten Abbremsen wiederum Energie in der Vorrichtung eingespeichert wird, ein erneutes Überschreiten der oberen Grenzspannung der betroffenen Speicherzelle mit hoher Wahrscheinlichkeit vermieden. Damit lässt sich mit einem sehr einfachen Mittel sicher und zuverlässig verhindern, dass einzelne Speicherzellen mehrfach hintereinander in den Bereich der Überspannung gelangen, was deren Lebensdauer massiv beeinträchtigen würde. Vielmehr kommt es durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung sehr schnell zu einer Anpassung der Zellspannungen der einzelnen Speicherzellen untereinander, sodass auch bei hochdynamischen Lade- und Entladezyklen sehr viel weniger Speicherzellen in den problematischen Bereich einer Überspannung gelangen.
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Prinzipiell ist die Vorrichtung bei beliebigen Speicherzellen darstellbar, welche typischerweise in Reihe zueinander oder in Blöcken parallel und dann in Reihe zueinander verschaltet sind. Denkbar sind prinzipiell Akkumulatorzellen, wobei beispielsweise bei der Lithium-Ionen-Technologie das Überschreiten einer vorgegebenen Maximalspannung der Einzelzelle gravierende Nachteile hat und gegebenenfalls auch zu einer chemischen und/oder thermischen Schädigung der Speicherzelle bis hin zu einem Überdruck in der Speicherzelle führen kann. Aus Sicherheitsgründen müsste dieser Überdruck dann über ein Überdruckventil entweichen, was die Speicherzelle nicht nur in ihrer Lebensdauer schädigt, sondern unmittelbar zerstört. Aber auch bei anderen Speicherzelltypen, insbesondere bei Superkondensatoren, hat ein Überschreiten der vorgegebenen Maximalspannung gravierende Nachteile zur Folge und reduziert deren Lebensdauer deutlich.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Speicherzellen zumindest teilweise als Superkondensatoren ausgebildet sind.
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Dieser Aufbau der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie ausschließlich oder zumindest teilweise mit Superkondensatoren hat dabei den Vorteil, dass diese gegenüber jeder Form von Akkumulatoren oder Batterien als Speicherzellen mit deutlich höheren Strömen bei sehr viel geringerem Innenwiderstand geladen werden können. Damit ist beispielsweise das Einspeichern von sehr großen Mengen an Energie, welche beispielsweise beim Abbremsen eines Nutzfahrzeugs in sehr kurzer Zeit anfällt, mit vergleichsweise geringen Verlusten möglich. Außerdem sind derartige Superkondensatoren in der Anwendung und Wartung weitaus weniger kompliziert als beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, da diese problemlos bis auf 0 Volt entladen werden können und dann spannungsfrei für Wartungszwecke an der Vorrichtung zur Verfügung stehen.
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Gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass die Schalteinheit, der elektrische Widerstand, der Schalter und die Zeitschalteinheit für jede Speicherzelle als eigenständige im Bereich der Speicherzelle angeordnete Elektronikeinheit ausgebildet sind.
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Dieser rein dezentrale Aufbau bietet die Möglichkeit, einzelne Speicherzellen ab einer vorgegebenen Grenzspannung gezielt über den Widerstand für eine vorgegebene Zeit zu entladen. Er ist dabei vergleichsweise einfach und kompakt aufzubauen. Über einen integrierten Schaltkreis und einen geeigneten Widerstand kann auf einer entsprechenden Platine sehr kleiner Abmessung für jede einzelne Speicherzelle ein entsprechender Aufbau realisiert werden. Dieser kann dann im Bereich der einzelnen Speicherzelle angeordnet werden und funktioniert vollkommen eigenständig. Dadurch, dass für jede einzelne Speicherzelle in der oben beschriebenen Art und Weise reagiert wird, kann die Vorrichtung als Ganzes entsprechend geladen oder entladen werden, ohne dass eine Schädigung, insbesondere eine mehrfach hintereinander auftretende Schädigung der einzelnen Speicherzellen durch eine Überspannung zu befürchten ist. Da ein Lade- und Entladevorgang typischerweise immer auf Basis der Gesamtspannung der Vorrichtung gesteuert wird, stellt sich in der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Laufe der Zeit selbständig ein ausgeglichenes Spannungsniveau zwischen den einzelnen in der Vorrichtung verbauten Speicherzellen ein, ohne dass es hierfür einer Ansteuerung der einzelnen Speicherzellen von außerhalb der Vorrichtung bedarf. Damit kann der erfindungsgemäße Aufbau der Vorrichtung ohne eine Einzelzellüberwachung, eine Verkabelung jeder einzelnen Speicherzelle und/oder einem komplexen an jede einzelne der Zellen angeschlossenen Datenbus-System auskommen. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist also entsprechend einfach. Er kann außerdem mit beliebigen Umrichtern und dergleichen kombiniert werden, da außer dem Laden und Entladen der Vorrichtung keine aktive Ansteuerung derselben notwendig ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet also autark und lässt sich als standardisiertes Bauteil in verschiedene Antriebsstränge integrieren, ohne zwingend in deren Steuerungselektronik eingebunden zu sein.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die vorgegebene Zeit in Abhängigkeit der Spannung der jeweiligen Speichersälle veränderbar. Diese Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet die Möglichkeit durch eine Anpassung der vorgegebenen Zeit an jeder der Speicherzellen den Bypass-Strom unterschiedlich lange fließen zu lassen. Die Abhängigkeit kann insbesondere kontinuierlich oder anhand von Stufen entsprechend der aufgetretenen Überspannung, beispielsweise in der jeweiligen Elektronikeinheit, automatisch eingestellt werden. Damit ergibt sich für jede einzelne Speicherzelle ein entsprechend ihrer Spannung automatisch veränderbarer Wert für die vorgegebene Zeit. Damit kann der Bypass-Strom entsprechend dieser vorgegebenen Zeit fließen und so durch gezielten Abbau der Überspannung das Überschreiten der Grenzspannung begrenzen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung ist es nun vorgesehen, dass die in die Vorrichtung geladene oder aus der Vorrichtung entnommene Energie durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird. Diese Steuerung erfolgt, insbesondere beim Laden, innerhalb vorgegebener Spannungsgrenzen, welche jedoch nicht Spannungsgrenzen für jede der einzelnen Speicherzellen, sondern Spannungsgrenzen der Vorrichtung als Ganzes sind. Außerdem wird die Spannung von zumindest einigen Speicherzellen in der Vorrichtung überwacht. Aus dieser Überwachung ergibt sich eine maximale Abweichung der erfassten Spannungswerte untereinander. Sobald diese maximale Abweichung der erfassten Spannungswerte einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird im nächsten Ladezyklus die vorgegebene obere Spannungsgrenze beim Laden angesteuert oder sogar geringfügig überschritten.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt es also durch dieses bewusste Ansteuern der oberen Spannungsgrenze der Vorrichtung als solches sicher zu einem Überschreiten der Grenzspannung von einigen der Speicherzellen, da diese, wenn ein entsprechend große Abweichung zwischen den einzelnen Speicherzellen besteht, bereits auf einem so hohen Spannungsniveau liegen, dass beim Laden die obere Grenzspannung einiger Einzelzellen überschritten wird. Bei dieser oder diesen einzelnen Speicherzellen, welche mit dem erfindungsgemäßen Aufbau aus Schalter, Widerstand und Zeitschalteinheit versehen sind, kommt es dann zu einem Ansprechen des Schalters, sodass in dieser Speicherzelle für eine vorgegebene Zeit ein Entladestrom über den parallel zur Speicherzelle angeordneten elektrischen Widerstand fließt. Über das erfindungsgemäße Verfahren kann also bei Kenntnis, dass einige der Speicherzellen sehr stark vom Spannungsniveau anderer Speicherzellen abweichen, bewusst eine Aktivierung der Schalter und der Zeitschalteinheiten der nach oben abweichenden Speicherzellen erreicht werden. Hierfür ist keine Einzelzellüberwachung oder keine Ansteuerung der einzelnen Speicherzellen notwendig, sondern es wird lediglich die obere Spannungsgrenze beim Laden der gesamten Vorrichtung angefahren oder geringfügig überschritten. Dadurch, dass nun über die Zeitschalteinheiten für eine gewisse Zeit ein Strom über die parallel zu den kritischen Speicherzellen geschalteten Widerständen fließt, kommt es „automatisch” zu einer Angleichung der Spannungsniveaus der einzelnen miteinander verschalteten Speicherzellen.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass für die nach einem solchen Ladezyklus, in dem die vorgegebene obere Spannungsgrenze beim Laden angesteuert oder geringfügig überschritten wurde, für die nachfolgenden Ladezyklen während der durch die Zeitschalteinheit vorgegebenen Zeit die obere Spannungsgrenze nicht mehr angesteuert wird. Dies bedeutet also, dass während der Zeit, in der die Entladung aufgrund der Betätigung der Schalter und dem Geschlossenhalten der Schalter für die durch die Zeitschalteinheit vorgegebene Zeit für diejenigen Zellen erfolgt, welche eine Überspannung erreicht haben, wird die obere Spannungsgrenze zum Laden der gesamten Vorrichtung nicht mehr angefahren. Die Spannung wird also niedriger gehalten, um den einzelnen Speicherzellen der Vorrichtung Zeit zur Nivellierung ihrer Spannungsniveaus zu geben, ohne dies durch ein erneutes Auslösen der Schwellwertschalter zu stören. Dabei ist es sinnvoll die für die gesamte Vorrichtung vorgegebene Spannung geringfügig unter den oberen Grenzwert, beispielsweise auf 80 oder 90% dieses Grenzwerts für die bekannte, da ja fest vorgegebene Zeit, in welcher die geschlossenen Schalter geschlossen gehalten werden, einzurichten. Die Speicherzellen, welche zuvor eine hohe Spannung erfahren haben, werden somit in ihrer Spannung entsprechend abgesenkt und dem Spannungsniveau der anderen Speicherzellen angepasst. Dadurch werden die betroffenen Speicherzellen bei den darauffolgenden Ladezyklen entsprechend geschont, was sich positiv auf ihre Lebensdauer auswirkt.
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In einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Spannung aller Speicherzellen erfasst wird, indem die Speicherzellen zu wenigstens zwei Blöcken zusammengefasst werden, deren Blockspannungen erfasst und dann als Spannungswerte verwendet werden. Mit diesem Aufbau von wenigstens zwei Blöcken, je nach Anzahl der Speicherzellen typischerweise jedoch auch mehr Blöcken, kann erreicht werden, dass sobald einer der Blöcke gegenüber den anderen einen entsprechenden Spannungsunterschied aufweist, über das oben geschilderte Verfahren eine Nivellierung der Spannungswerte der einzelnen Speicherzellen durch den kommenden Ladezyklus angestoßen wird. Dabei ist die Überwachung von in Blöcken zusammengefassten Speicherzellen, beispielsweise acht bis zwölf der einzelnen Speicherzellen als ein Block, deutlich weniger aufwendig als dies eine Einzelzellspannungsüberwachung wäre. Anders als bei der oben prinzipiell dargelegten Möglichkeit, nur einzelne der Speicherzellen zu überwachen, kann bei der blockweisen Überwachung außerdem vermieden werden, dass einzelne Zellen, da sie zufällig nicht überwacht werden, eine entsprechende Überspannung haben und geschädigt werden, was wiederum eine Schädigung der gesamten Vorrichtung nach sich ziehen würde.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie als Traktionsenergiespeicher in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug eingesetzt wird. Diese bevorzugte Anwendungsform der Vorrichtung und des Verfahrens in einem elektrischen Fahrzeug oder insbesondere einem Hybridfahrzeug, hat dabei den besonderen Vorteil, dass in solchen Anwendungen sehr dynamische Lade- und Entladezyklen auftreten, welche, wie eingangs bereits geschildert, zu einer erheblichen Belastung der einzelnen Speicherzellen der Vorrichtung führen können. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren kann genau dieses verhindert werden, sodass die oben bereits geschilderten Vorteile bei der Anwendung als Traktionsenergiespeicher in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug besonders vorteilhaft zur Geltung kommen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 einen beispielhaften Aufbau eines Hybridfahrzeugs; und
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2 einen Ausschnitt aus dem Aufbau der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie.
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In 1 ist ein beispielhaftes Hybridfahrzeug 1 angedeutet. Es verfügt über zwei Achsen 2, 3 mit je zwei beispielhaft angedeuteten Rädern 4. Die Achse 3 soll dabei eine angetriebene Achse des Fahrzeugs 1 sein, während die Achse 2 in an sich bekannter Art und Weise lediglich mitläuft. Zum Antrieb der Achse 3 ist beispielhaft ein Getriebe 5 dargestellt, welches die Leistung von einer Verbrennungskraftmaschine 6 und einer elektrischen Maschine 7 aufnimmt und in den Bereich der angetriebenen Achse 3 leitet. Im Antriebsfall kann die elektrische Maschine 7 alleine oder ergänzend zur Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine 6 Antriebsleistung in den Bereich der angetriebenen Achse 3 leiten und somit das Fahrzeug 1 antreiben beziehungsweise den Antrieb des Fahrzeugs 1 unterstützen. Außerdem kann beim Abbremsen des Fahrzeugs 1 die elektrische Maschine 7 als Generator betrieben werden, um so beim Bremsen anfallende Leistung zurückzugewinnen und entsprechend zu speichern. Um beispielsweise beim Einsatz in einem Stadtbus als Fahrzeug 1 auch für Bremsvorgänge aus höheren Geschwindigkeiten, welche bei einem Stadtbus sicherlich bei maximal ca. 70 km/h liegen werden, einen ausreichenden Energieinhalt bereitstellen zu können, muss in diesem Fall eine Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie vorgesehen werden, welche einen Energieinhalt in der Größenordnung von 350 bis 700 Wh aufweist. Damit lassen sich auch Energien, welche beispielsweise bei einem ca. 10 Sekunden langen Bremsvorgang aus einer solchen Geschwindigkeit anfallen, über die elektrische Maschine 7, welche typischerweise eine Größenordnung von ca. 150 kW haben wird, in elektrische Energie umzusetzen und diese in der Vorrichtung 8 zu speichern.
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Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 sowie zum Laden und Entladen der Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie weist der Aufbau gemäß 1 einen Umrichter 9 auf, welcher in an sich bekannter Art und Weise mit einer integrierten Steuereinrichtung für das Energiemanagement ausgebildet ist. Über den Umrichter 9 mit der integrierten Steuereinrichtung wird dabei der Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine 7 und der Vorrichtung 8 zur Speicherung der elektrischen Energie entsprechend koordiniert. Die Steuereinrichtung sorgt dafür, dass beim Bremsen im Bereich der dann generatorisch angetriebenen elektrischen Maschine 7 anfallende Leistung soweit möglich in die Vorrichtung 8 zur Speicherung der elektrischen Energie eingespeichert wird, wobei eine vorgegebene obere Spannungsgrenze der Vorrichtung 8 im Allgemeinen nicht überschritten werden darf. Im Antriebsfall koordiniert die Steuereinrichtung im Umrichter 9 die Entnahme von elektrischer Energie aus der Vorrichtung 8, um in diesem umgekehrten Fall die elektrische Maschine 7 mittels dieser entnommenen Leistung anzutreiben. Neben dem hier beschriebenen Hybridfahrzeug 1, welches beispielsweise ein Stadtbus sein kann, wäre ein vergleichbarer Aufbau selbstverständlich auch in einem reinen Elektrofahrzeug denkbar.
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Die Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie kann dabei in vielfältiger Art und Weise aufgebaut sein. Prinzipiell sind verschiedene Arten der Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie denkbar. Typischerweise wird diese so aufgebaut sein, dass eine Vielzahl von Speicherzellen 10 typischerweise in Reihe in der Vorrichtung 8 verschaltet sind. Diese Speicherzellen 10, welche in 2 zu erkennen sind, können dabei Akkumulatorzellen und/oder Superkondensatoren sein, oder auch eine beliebige Kombination hiervon. Für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel sollen die Speicherzellen 10 allesamt als Superkondensatoren ausgebildet sein, welche in einer einzigen Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie in dem mit dem Hybridantrieb ausgerüsteten Fahrzeug 1 eingesetzt werden sollen. Der Aufbau kann dabei bevorzugt in einem Nutzfahrzeug, beispielsweise einem Omnibus für den Stadt-/Nahverkehr, eingesetzt werden. Hierbei wird durch häufige Anfahr- und Bremsmanöver in Verbindung mit einer sehr hohen Fahrzeugmasse eine besonders hohe Effizienz der Speicherung der elektrischen Energie durch die Superkondensatoren erreicht, da vergleichsweise hohe Ströme fließen. Da Superkondensatoren als Speicherzellen 10 einen sehr viel geringeren Innenwiderstand aufweisen als beispielsweise Akkumulatorzellen, sind diese für das hier näher beschriebene Ausführungsbeispiel zu bevorzugen.
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Wie bereits erwähnt, sind in der 2 die Speicherzellen 10 zu erkennen. Dabei sind lediglich drei der in Reihe geschalteten Speicherzellen 10 dargestellt. Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel und einer entsprechenden elektrischen Antriebsleistung von ca. 100 bis 200 kW, beispielsweise 120 kW, wären dies in einem realistischen Aufbau ca. 150 bis 250 Speicherzellen 10. Wenn diese als Superkondensatoren mit einer derzeitigen oberen Spannungsgrenze von ca. 2,7 V je Superkondensator und einer Kapazität von 3000 Farad ausgebildet sind, wäre eine realistische Anwendung für den Hybridantrieb eines Stadtomnibusses gegeben.
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Problematisch beim Einsatz von derartigen Speicherzellen 10 in der Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie ist es nun, dass, wie eingangs erwähnt, insbesondere aufgrund von Fertigungstoleranzen, einzelne Speicherzellen 10 in ihrem Spannungsniveau von einem mittleren Spannungsniveau der Vorrichtung 8 und gegenüber der Spannung von anderen Speicherzellen 10 abweichen können. Daher kann es nun dazu kommen, dass trotz der für die Vorrichtung 8 als Ganzes vorgegebenen Ladespannung im Bereich eben dieser in der Spannung nach oben gegenüber den anderen Speicherzellen 10 abweichenden Speicherzellen 10 die für den jeweiligen Typ der Speicherzellen 10 vorgegebene Grenzspannung überschritten wird. Besonders nachteilig ist es dabei, wenn einzelne der Speicherzellen 10 eine maximal vorgegebene Spannung, im oben genannten Beispiel die 2,7 V je einzelnem Superkondensator, vergleichsweise häufig überschreiten. Jedes Überschreiten dieser Grenzspannung verringert die zu erzielende Lebensdauer der einzelnen Speicherzelle 10 deutlich. Eine reduzierte Lebensdauer der einzelnen Speicherzellen 10 führt nach einer gewissen Betriebszeit zu einem Ausfall der entsprechenden Speicherzelle 10, was dann, zumindest mittelfristig, zu einem Ausfall der gesamten Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie führen wird. Daher gilt es zur Erzielung einer hohen Lebensdauer, insbesondere bei den sehr dynamischen Lade- und Entladezyklen, wie sie bei einem Stadtomnibus auftreten, nach Möglichkeit zu verhindern, dass die einzelnen Speicherzellen 10 diese obere Grenzspannung häufig oder zumindest häufig hintereinander überschreiten.
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Wie in 2 dargestellt, weist jede einzelne der Speicherzellen 10 dazu einen parallel zu der jeweiligen Speicherzelle 10 geschalteten elektrischen, ohmschen Widerstand 11 auf. Dieser ist in Reihe mit einem Schalter 12 parallel zu jeder der Speicherzellen 10, in diesem Fall parallel zu jedem der Superkondensatoren 10 geschaltet. Der Schalter 12 ist als Schwellwertschalter ausgebildet und wird über eine entsprechende Schalteinheit 13 gesteuert, welche im Wesentlichen zwei Funktionalitäten beinhaltet. So umfasst die Schalteinheit 13 eine Spannungsüberwachung U des Superkondensators 10. Sobald dieser eine obere Grenzspannung übersteigt, wird der Schalter 12 geschlossen, sodass über den Widerstand 11 ein Strom aus dem Superkondensator 10 fließen kann. Damit wird die in ihm befindliche Ladung und somit auch die Spannung entsprechend verringert, sodass ein erneutes Überschreiten des Grenzspannungswerts beim selben Superkondensator 10 wie zuvor, vermieden wird.
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Um nun zu verhindern, dass, sobald die Spannung unter den Grenzspannungswert abfällt, der Schalter 12 wieder geöffnet wird und somit eine sehr hohe Spannung in dem jeweiligen Superkondensator 10 verbleibt, ist außerdem eine Zeitschalteinheit T vorgesehen. Bei einer reinen Schaltung über die Spannungserfassung U der Schalteinheit 13 würde der Schalter 12 nach dem Unterschreiten der Grenzspannung wieder geöffnet. Der Superkondensator 10 wäre dann weiterhin auf einem sehr hohen Spannungsniveau. Kommt es nun zu einem erneuten Laden der Vorrichtung 8, würde genau dieser Superkondensator 10 sofort wieder über die Spannungsgrenze hinaus geladen werden, was dann zu einem erneuten Schließen des Schalters 12 führt. Durch die Integration der Zeitschaltfunktion T, welche den Schalter 12, nachdem dieser einmal über die Spannungserfassung U geschlossen wurde, für eine vorgegebene Zeit geschlossen hält, wird mehr Ladung aus dem Superkondensator 10 abgebaut, als ohne die Zeitschalteinheit T. Dadurch wird die Spannung in dem Superkondensator 4 so weit verringert, dass diese nach einem Entladen, beispielsweise durch ein Anfahren des Fahrzeugs 1 und einem danach erfolgenden erneuten Laden der Vorrichtung 8 bei einem Abbremsen nicht wieder über die obere Grenzspannung gelangt. Allenfalls werden jetzt andere Superkondensatoren 10 in einem entsprechend hohen Spannungsbereich liegen und die soeben beschriebene Prozedur ihrerseits erfahren. Insgesamt kommt es damit durch die Integration der Zeitschaltfunktion T über die Betriebszeit hinweg zu einer raschen Vergleichmäßigung der Spannungen der einzelnen Superkondensatoren 10 der Vorrichtung 8.
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Die Zeitschalteinheit T kann dabei insbesondere so ausgebildet sein, dass eine feste Zeit von beispielsweise einigen Minuten vorgegeben ist. Zusammen mit der Größe der jeweiligen einzelnen Speicherzelle 10 und dem Wert des elektrischen Widerstands 11 ergibt sich so eine entsprechende Entladung. Dabei sind Entladungen in der Größenordnung von 3–5% der Nennladung des entsprechenden Superkondensators 10 sinnvoll. Beim erneuten Laden wird dann erreicht, dass dieser Superkondensator 10 nicht wieder die vorgegebene Grenzspannung überschreitet. Dadurch, dass zumindest verhindert wird, dass einer der Superkondensatoren 10 in sehr schnellem Wechsel nacheinander die Grenzspannung mehrfach überschreitet, wird bereits eine deutliche Zunahme der Lebensdauer der Superkondensatoren 10 und damit der Vorrichtung 8 erzielt. Greift man das oben genannte Zahlenbeispiel nochmals auf, so würde sich bei einem Ableitstrom von 1 A die Spannung des entsprechenden Superkondensators in fünf Minuten um ca. 0,1 V gesenkt haben. Bei einem Ableitstrom von 250 mA dementsprechend in ca. 20 Minuten. Je nach Größe der Speicherzelle 10 und dem möglichen Ableitstrom, welcher über den Widerstand 11 geleitet werden kann, ergibt sich so eine Zeitspanne von ca. 5 bis 20 Minuten, über denen über die Zeitschalteinheit T der Schalter 12 geschlossen gehalten wird. Bei anderen Größenordnungen der Widerstände, der Ströme und der eingesetzten Speicherzellen 10 kann dieser Wert selbstverständlich analog angepasst sein.
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Die so aufgebaute Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie kann also auch bei hochdynamischen Lade- und Entladezyklen eingesetzt werden, ohne dass die Lebensdauer der Speicherzellen 10 durch unnötig hohe Spannungen im Bereich der Speicherelemente 10 entsprechend verringert wird.
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Dabei kann der Aufbau der Schalteinheit 13, des elektrischen Widerstands 11, des Schalters 12 und der Zeitschalteinheit T als integrierte Elektronikeinheit 14 so realisiert werden, dass dieser für jede einzelne der Speicherzellen 10 eigenständig aufgebaut wird. Hierfür reicht im Allgemeinen eine kleine integrierte Schaltung aus, welche die Spannung U in der Speicherzelle 10 entsprechend überwacht und den Schalter 12, welcher beispielsweise als elektronischer Schalter 12 in das Bauteil integriert ausgeführt ist, entsprechend betätigt. Der Widerstand 11 kann dann auf diese Mini-Platine in an sich bekannter Art und Weise aufgesetzt werden. Da die Zeitschalteinheit T typischerweise immer eine vorgegebene Zeit lang den Schalter 12 geschlossen hält, nachdem dieser aufgrund der Spannung U aktiviert wurde, kann auch diese Zeit fest in der Zeitschalteinheit T beziehungsweise der integrierten Elektronikeinheit 14 mit integriert sein. Dies kann beispielsweise durch die Programmierung einer fest vorgegebenen Zeit in einer integrierten Schaltung ausgeführt sein. Es wäre auch denkbar, dies schaltungstechnisch dadurch zu lösen, dass in der Elektronikeinheit 14 über ein geeignetes Bauelement, insbesondere einen Kondensator, an einem Ausgang der Schalteinheit 13 diese Zeit fest vorgegeben wird. Der Aufbau kann somit sehr einfach realisiert werden, da keinerlei Ansteuerung der Elektronikeinheit 14 von außerhalb der Vorrichtung 8 notwendig ist. Die Vorrichtung 8 wird vielmehr selbsttätig für einen Zellspannungsausgleich, welcher auch hochdynamische Lade- und Entladezyklen ermöglicht, sorgen. Dieser Aufbau mit dezentralen Elektronikeinheiten 14 ist dabei sehr einfach und kann vollkommen autark realisiert werden. Eine Ansteuerung der Vorrichtung 8 ist dann lediglich als Ganzes notwendig, beispielsweise beim Entladen und insbesondere beim Laden innerhalb eines vorgegebenen Spannungsfensters.
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In einer sehr günstigen Variante kann es jedoch vorgesehen sein, dass die Spannung von einigen der Speicherzellen 10, insbesondere von mehreren jeweils zu Blöcken verschalteten Speicherzellen 10, erfasst wird. Dieser Spannungswert aus dem Inneren der Vorrichtung 8 kann dann beispielsweise der Steuereinrichtung in dem Umrichter 9 zur Verfügung gestellt werden. Dort werden die Spannungen untereinander verglichen. Stellt man fest, dass eine sehr starke Abweichung der Spannungswerte der einzelnen Speicherzellen beziehungsweise -zellblöcke auftritt, so muss man davon ausgehen, dass einige der Speicherzellen 10 beziehungsweise der Blöcke an Speicherzellen 10 in naher Zukunft über die Grenzspannung kommt. Man kann dies nun aktiv auslösen, indem beim nächsten Ladezyklus über die Steuereinrichtung in dem Umrichter 9 die Vorrichtung 8 mit einer Spannung geladen wird, welche an der oberen Grenze oder geringfügig oberhalb der typischerweise zum Laden vorgegebenen oberen Spannung liegt. Damit kann bewusst ein minimales Überschreiten der Grenzspannung bei den sehr stark nach oben abweichenden Speicherzellen 10 ausgelöst werden. Aufgrund der integrierten Elektronikeinheit 14 mit der Zeitschalteinheit T kann dann durch dieses geringfügige Überschreiten der Grenzspannung eine Nivellierung der Spannungen innerhalb der Vorrichtung 8 zwischen den einzelnen Speicherzellen 10 von außerhalb der Vorrichtung 8 ausgelöst werden, ohne dass hierfür eine gezielte Ansteuerung von Einzelzellen oder Blöcken von Einzelzellen innerhalb der Vorrichtung 8 notwendig wäre.
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Dies gilt für Akkumulatorzellen, insbesondere Akkumulatorzellen in Lithium-Ionen-Technologie entsprechend.
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Das bisher anhand der Superkondensatoren 10 in der Vorrichtung 8 vergleichsweise allgemein beschriebene Ausführungsbeispiel soll nun nachfolgend anhand eines Zahlenbeispiels nochmals konkretisiert werden, wobei darauf hingewiesen werden soll, dass die Werte sehr konkret für das hier dargestellte Zahlenbeispiel gelten und bei verschiedenen Kapazitäten oder zukünftigen Entwicklungen hinsichtlich der Maximalspannungen von Superkondensatoren analog angepasst werden müssen.
