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Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung elektrischer Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie.
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Systeme zur Speicherung elektrischer Energie, und hier insbesondere zur Speicherung elektrischer Traktionsenergie in Elektrofahrzeugen oder insbesondere in Hybridfahrzeugen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise umfassen solche Systeme zur Speicherung elektrischer Energie einzelne Speicherzellen, welche beispielsweise in Reihe und/oder parallelelektrisch miteinander verschaltet sind.
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Grundsätzlich sind als Speicherzellen dabei verschiedenartige Akkumulatorzellen oder Kondensatorzellen denkbar. Aufgrund der vergleichsweise hohen Energiemengen und insbesondere der hohen Leistungen, die bei der Speicherung und Entnahme von Energie bei der Anwendung in Antriebssträngen von Fahrzeugen und hier insbesondere von Nutzfahrzeugen auftreten, werden als Speicherzellen bevorzugt solche mit einem ausreichenden Energieinhalt und hoher Leistung eingesetzt. Dabei können beispielsweise Akkumulatorzellen in Lithium-Ionen-Technologie oder insbesondere Speicherzellen in Form sehr leistungsstarker Doppelschicht-Kondensatoren zum Einsatz gelangen. Diese Kondensatoren werden in der Fachwelt auch als Superkondensatoren, Supercaps oder Ultra-Capacitors bezeichnet. Unabhängig davon, ob nun Superkondensatoren oder Akkumulatorzellen herkömmlicher Art mit hohem Energieinhalt eingesetzt werden, ist bei derartigen Aufbauten aus einer Vielzahl von Speicherzellen, die insgesamt oder auch in Blöcken in Reihe zueinander verschaltet sein können, die Spannung der einzelnen Speicherzelle bauartbedingt auf einen oberen Spannungswert beziehungsweise eine Schwellenspannung begrenzt. Wird dieser obere Spannungswert beispielsweise beim Laden des Systems zur Speicherung elektrischer Energie überschritten, reduziert sich die Lebensdauer der Speicherzelle im Allgemeinen drastisch.
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Aufgrund von vorgegebenen Fertigungstoleranzen weichen die einzelnen Speicherzellen in ihren Eigenschaften beispielsweise hinsichtlich der Selbstentladung in der Praxis typischerweise geringfügig voneinander ab. Dies hat zur Folge, dass sich im Betrieb für einzelne Speicherzellen eine etwas geringere Betriebsspannung als für andere Speicherzellen in dem System ergeben kann. Da die maximale Spannung für das gesamte System im Allgemeinen jedoch gleich bleibt und die maximale Gesamtspannung insbesondere beim Laden das typische Ansteuerungskriterium darstellt, führt dies unweigerlich dazu, dass andere Speicherzellen, die mit den Speicherzellen mit niedrigerer Betriebsspannung in Reihe geschaltet sind, eine etwas höhere Spannung aufweisen und bei Ladevorgängen dann über die erlaubte individuelle maximale Spannungsgrenze hinaus geladen werden. Eine solche Überspannung führt, wie bereits oben erwähnt, zu einer erheblichen Reduzierung der möglichen Lebensdauer dieser einzelnen Speicherzellen und damit auch des gesamten Systems zur Speicherung elektrischer Energie.
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Andererseits können in ihrer Spannung stark abgesenkte Speicherzellen in dem System zur Speicherung elektrischer Energie im zyklischen Betrieb umgepolt werden was ebenfalls die Lebensdauer drastisch reduziert.
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Um dieser Problematik zu begegnen, kennt der allgemeine Stand der Technik im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von sogenannten Zellspannungsausgleichen. Die im Allgemeinen übliche Terminologie des „Zellspannungsausgleichs” ist hier etwas irreführend, da hier jedoch nicht Spannungen oder genau gesagt Energieinhalte der einzelnen Speicherzellen untereinander ausgeglichen werden, sondern es werden die Zellen mit hohen Spannungen in ihren zu hohen Spannungen reduziert. Da die Gesamtspannung(en) des Systems zur Speicherung elektrischer Energie konstant bleibt, kann durch den sogenannten Zellspannungsausgleich jedoch eine in ihrer Spannung abgesenkte Zelle im Laufe der Zeit wieder in ihrer Spannung erhöht werden, sodass zumindest die Gefahr eines Umpolens ausgeschlossen wird.
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Neben einem passiven Zellspannungsausgleich, bei dem ein elektrischer Widerstand parallel zu jeder einzelnen Speicherzelle geschaltet ist und somit eine ständige unerwünschte Entladung und auch eine Erwärmung des Systems zur Speicherung elektrischer Energie stattfindet, wird auch ein aktiver Zellspannungsausgleich eingesetzt. Dabei wird zusätzlich zu dem jeder einzelnen Speicherzelle parallel geschalteten Widerstand ein elektronischer Schwellwertschalter parallel zu der Speicherzelle und in Reihe zu dem Widerstand geschaltet. Dieser auch als Bypass-Elektronik bezeichnete Aufbau lässt dabei immer nur dann einen Strom fließen, wenn die Betriebsspannung der Zelle oberhalb einer vorgegebenen Schwellenspannung liegt. Sobald die Spannung der einzelnen Speicherzelle wieder in einen Bereich unterhalb der vorgegebenen Schwellenspannung fällt, wird der Schalter geöffnet und es fließt kein Strom mehr. 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 des gesamten Systems zur Speicherung elektrischer Energie weitgehend vermieden werden. Auch eine ständige unerwünschte Wärmeentwicklung ist bei diesem Lösungsansatz des aktiven Zellspannungsausgleichs kein Problem.
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Allerdings erfolgt durch diesen aktiven Zellspannungsausgleich kein tatsächlicher Ausgleich der einzelnen Spannungen der Zellen untereinander, sondern beim Überschreiten der Schwellenspannung wird die Speicherzelle mit einem kleinen Bypass-Strom entladen, um durch einen langsamen Abbau der Überspannung das Überschreiten zu begrenzen. Der Bypass-Strom fließt dabei nur solange, bis das System zur Speicherung elektrischer Energie wieder entladen wird, da hierbei die entsprechende Spannungsgrenze unterschritten und der Schalter wieder geöffnet wird. Dies stellt sich insbesondere bei Anwendungen mit zyklischem Betrieb, wie zum Beispiel Hybridantrieben dar, da in diesen Anwendungsfällen die Schwellspannung für die einzelne Speicherzelle nur sehr kurzzeitig oder auch für längere Zeit gar nicht erreicht wird, wenn mangels Rekuperation und starkem Boost-Betrieb der Speicher nicht vollständig geladen wird. Dies verhindert einen Betrieb des Zellspannungsausgleichs und birgt insbesondere die Gefahr einer Tiefentladung beziehungsweise eines Umpolens einzelner Speicherzellen mit niedriger Betriebsspannung während die anderen Zellen mit zu hoher Spannung betrieben werden.
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Die Lebensdauer des Systems zur Speicherung elektrischer Energie ist bei den beschriebenen Hybridantrieben und hier insbesondere bei Hybridantrieben für Nutzfahrzeuge wie Omnibussen im Stadt-/Nahverkehr von entscheidender Bedeutung. Anders als bei herkömmlichen Antriebssträngen in der für derartige Anwendungen geeigneten Leistungsklasse stellt das System zur Speicherung elektrischer Energie einen erheblichen Teil der Kosten für den Hybridantrieb dar. Daher ist es besonders wichtig, dass bei solchen Anwendungen sehr hohe Lebensdauern erzielt werden können.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein System zur Speicherung von elektrischer Energie anzugeben, das die beschriebenen Nachteile zumindest teilweise vermeidet und insbesondere bei einer zyklischen Betriebsweise einen effizienten Zellspannungsausgleich vorsieht.
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Diese Aufgabe wird durch ein System und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Insbesondere sieht die Erfindung ein System zur Speicherung elektrischer Energie vor, umfassend eine Mehrzahl von Speicherzellen, die jeweils eine Betriebsspannung aufweisen, wobei parallel zu einer Speicherzelle ein elektrischer Verbraucher sowie ein Schaltglied in Reihe mit dem Verbraucher angeordnet sind, wobei das Schaltglied bei Erreichen oder Überschreiten einer Schwellenspannung geschlossen wird. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuereinrichtung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, die Schwellenspannung in Abhängigkeit von einem aus Betriebsspannungen der Mehrzahl oder auch aller Speicherzellen ermittelten Spannungswert einzustellen.
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Erfindungsgemäß ist es somit möglich, die Schwellenspannung beispielsweise jeder der Speicherzellen mittels der Steuereinrichtung auf einen Spannungswert einzustellen, der sich aus dem momentanen Betriebszustand der Speicherzellen, also aus deren Betriebsspannungen, herleiten lässt. Bei der Mehrzahl der Speicherzellen kann es sich beispielsweise um ein Modul oder ein Submodul eines größeren Speichersystems oder um die Gesamtheit aller Speicherzellen eines Systems zur Speicherung elektrischer Energie handeln. Bei dem aus Betriebsspannungen der Mehrzahl oder auch aller Speicherzellen ermittelten Spannungswert kann es sich beispielsweise um die durchschnittliche Zellspannung oder um die um einen bestimmten festen oder auch variablen Wert veränderte durchschnittliche Zellspannung handeln. Eine derartige dynamische Anpassung der Schwellenspannung in Abhängigkeit von dem momentanen Ladezustand des Systems zur Speicherung elektrischer Energie oder eines Moduls des Systems kann beispielsweise die Schwellenspannung stets 0,1 V über der momentan herrschenden Durchschnittsspannung festlegen. Ein derartiges Nachführen der Schwellenspannung bewirkt, dass einzelne Speicherzellen mit erhöhter Zellspannung entladen werden, unabhängig von dem Ladezustand des Moduls beziehungsweise des Gesamtsystems.
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Der Spannungsbetrag, der zu dem Durchschnittsspannungswert hinzu addiert wird, kann ein fester Betrag sein. Er kann aber auch beispielsweise in Abhängigkeit von der absoluten Gesamtspannung oder in Abhängigkeit von dem momentanen Betriebsmodus oder in Abhängigkeit von Umgebungs- oder sonstigen Parametern gewählt werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einem insgesamt niedrigen Spannungsniveau des Speichersystems ein vergleichsweise großer Spannungswert addiert wird, wohingegen in der Nähe des oberen absoluten Schwellenspannungsgrenzwerts ein kleinerer Spannungsbetrag addiert wird. Dies stellt sicher, dass bei einem niedrigen Gesamtspannungsniveau nicht zu viel Energie für den Zellspannungsausgleich verwendet wird, während im Spannungsbereich nahe der Maximalspannung der einzelnen Speicherzelle ein Überschreiten desselben verhindert wird. Neben der Einstellung der Schwellenspannung in Abhängigkeit von Betriebsspannungen der Mehrzahl der Speicherzellen kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich ein von den Betriebsspannungen der Mehrzahl der Speicherzellen unabhängiger Schwellenspannungswert eingesetzt wird, der ein Überschreiten einer maximalen Betriebsspannung unabhängig von dem aus der Mehrzahl der Speicherzellen abgeleiteten Spannungswert sicherstellt. Auch dieser absolute obere maximale Schwellenspannungswert kann wiederum von dem Betriebszustand des Gesamtsystems, einzelner Module oder auch von dem momentan benötigten Anforderungsprofil an das Speichersystem oder von Umgebungs- und sonstigen Systemparametern wie etwa einer Umgebungstemperatur oder einer Systemtemperatur abhängig sein.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann eine zentrale Steuereinrichtung für mehrere Speicherzellen vorgesehen sein. Somit können hinsichtlich der Festlegung der Schwellenspannung ein oder mehrere zentral angesteuerte Speichermodule gebildet werden, deren Schwellenspannung innerhalb des Moduls einheitlich, aber beispielsweise für jedes Modul unterschiedlich steuerbar ist.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, einen gemeinsamen Spannungswert aus einer Mehrzahl von Betriebsspannungen von Speicherzellen zu bilden und die Schwellenspannung der Mehrzahl von Speicherzellen auf einen Wert einzustellen, in den der gemeinsame Spannungswert eingeht. Neben der bereits erläuterten Möglichkeit, einen Durchschnittswert aus den Betriebsspannungswerten der Mehrzahl von Speicherzellen zu bilden und diesen an sich oder um einen festen beziehungsweise variablen Anteil addiert einzusetzen, können neben diesen Betriebsspannungswerten an sich auch andere Parameter in die Berechnung der Schwellenspannung eingehen. So kann beispielsweise das momentane Leistungsabgabe- beziehungsweise -aufnahmeprofil, ein vergangenes oder ein zukünftiges zu erwartendes Leistungsprofil in die Berechnung des Schwellenspannungswertes eingehen.
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Bei dem erfindungsgemäßen System kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung die Schwellenspannung in bestimmten Zeitabständen einstellt. Ein derartiges zeitliches Abtasten des Systems beziehungsweise des erfassten Moduls erlaubt bei einem geringen Steueraufwand eine dennoch verbesserte Spannungssteuerung der Speicherzellen. Dabei kann beispielsweise der Zeitabstand zwischen zwei Abtastungen an den Verlauf der Gesamtspannung des Systems beziehungsweise des Moduls oder an die Höhe der Gesamtspannung angepasst werden.
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Alternativ kann bei einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung die Schwellenspannung kontinuierlich steuert. Eine derartige Echtzeitanpassung der Schwellenspannung stellt die Einhaltung der festgelegten Schwellenspannung zu jeder Zeit sicher und reduziert somit eine eventuell auftretende zu hohe Spannung einzelner Speicherzellen unmittelbar. Die Einstellung des Schwellenspannungswertes kann insbesondere nicht nur als Steuerung, sondern insbesondere auch als geschlossener Regelkreis realisiert werden.
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Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Schaltglied einen Kontrolleingang aufweist, über den die Schwellenspannung gesteuert wird. Mittels des Kontrolleingangs wird eine Steuerung des Schaltglieds über die gegebenenfalls zentral angeordnete Steuereinrichtung ermöglicht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung mittels einer Busleitung mit der Speicherzelle verbunden ist. Dies ermöglicht eine effiziente Ansteuerung einer Vielzahl von Speicherzellen, wobei nicht nur die Übermittlung eines geänderten Schwellenspannungswertes von der Steuereinrichtung zu der Speicherzelle möglich ist, sondern auch die Übermittlung des momentanen Betriebsspannungswertes von der Speicherzelle zu der Steuereinrichtung. Dies ermöglicht die Erstellung eines genauen Abbildes des Speicherzustands des Systems zur Speicherung elektrischer Energie beziehungsweise des jeweils erfassten Moduls des Systems.
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Bei einer einfachen Ausführungsform ist der Verbraucher ein Widerstand, alternativ können aber auch andere Mittel zum Abführen elektrischer Energie, wie beispielsweise mittels gerichteter Strahlung, vorgesehen sein. Die Speicherzelle kann als sogenannter Superkondensator, also als Doppelschicht-Kondensator, ausgebildet sein. Bei einer einfachen Ausführungsform kann das Schaltglied ein Schwellwertschalter sein. Die Schwelle des Schwellwertschalters ist dann über die Steuereinrichtung mittels eines Signal- beziehungsweise Datenbus einstellbar. Dabei kann insbesondere der Kontrolleingang des Schaltglieds eingesetzt werden.
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Die Ansteuerung des Schaltglieds durch eine Steuereinrichtung kann eine kontaktlose Übertragungseinrichtung, insbesondere einen Trennverstärker, umfassen. Der Trennverstärker kann beispielsweise durch einen Optokoppler oder durch eine induktive Kopplung realisiert werden und so eine galvanisch von den Speicherzellen getrennte Ansteuerung der Schaltglieder ermöglichen. Dabei kann entweder die Schwellenspannung direkt an der Speicherzelle oder ein Betätigungssignal für das Schaltglied übermittelt werden.
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Die eingangs erwähnte Aufgabe wird auch durch eine Speicherzelle zur Speicherung elektrischer Energie mit einem parallel zu der Speicherzelle angeordneten elektrischen Verbraucher sowie einem Schaltglied in Reihe mit dem Verbraucher gelöst, wobei das Schaltglied bei Erreichen oder Überschreiten einer Schwellenspannung geschlossen wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Schaltglied einen Kontrolleingang zur Steuerung der Schwellenspannung aufweist. Mittels des Kontrolleingangs kann die momentane Betriebsspannung der Speicherzelle sowie eventuell in einem Modul angeordneter weiterer Speicherzellen einer zentralen Steuereinrichtung zugeführt, dort verarbeitet und anhand der erfassten Betriebsspannungen die Schwellenspannung der Speicherzelle über den Kontrolleingang entsprechend eingestellt werden.
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Die oben erwähnte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Steuern eines zur Speicherung elektrischer Energie ausgelegten Systems mit einer Mehrzahl Speicherzellen gelöst, die jeweils eine Speicherspannung aufweisen, wobei parallel zu jeder Speicherzelle ein elektrischer Verbraucher sowie ein Schaltglied in Reihe mit dem Verbraucher angeordnet sind, mit den Schritten eines Aufladens der Speicherzellen, eines Vergleichens der Betriebsspannung einer Speicherzelle mit einer Schwellenspannung sowie des Schließens des Schaltglieds, falls die Betriebsspannung Schwellenspannung erreicht oder überschreitet. Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass die Schwellenspannung in Abhängigkeit von einem aus Betriebsspannungen der Mehrzahl der Speicherzellen ermöglichten Spannungswert eingestellt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems, der erfindungsgemäßen Speicherzelle und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben ist.
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Es zeigen:
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1 einen beispielhaften Aufbau eines Hybridfahrzeugs; und
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems zur Speicherung 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 bei einem Einsatz des Fahrzeugs 1 als Stadtbus 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 für diesen Fall ein System 10 zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen werden, welches einen Energieinhalt in der Größenordnung von 350–700 Wh aufweist. Damit lassen sich 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 umsetzen und diese in dem System 10 zu speichern.
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Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 sowie zum Laden und Entladen des Systems 10 zur Speicherung 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 dem System 10 zur Speicherung elektrischer Energie entsprechend koordiniert. Die Steuereinrichtung sorgt dafür, dass beim Bremsen im Bereich der dann generatorisch angetriebenen elektrischen Maschine 7 anfallende Leistung soweit möglich in das System 10 zur Speicherung elektrischer Energie eingespeichert wird, wobei eine vorgegebene obere Spannungsgrenze des Systems 10 im Allgemeinen nicht überschritten werden darf. Im Antriebsfall koordiniert die Steuereinrichtung im Umrichter 9 die Entnahme von elektrischer Energie aus dem System 10, um in diesem umgekehrten Fall die elektrische Maschine 7 mittels dieser entnommenen Leistung anzutreiben. Neben dem hier beschriebenen Hybridfahrzeug 1, wie es beispielsweise als Stadtbus ausgeführt sein kann, wäre ein vergleichbarer Aufbau selbstverständlich auch in einem reinen Elektrofahrzeug denkbar.
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2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen System 10 zur Speicherung elektrischer Energie gemäß einer Ausführungsform. Prinzipiell sind verschiedene Arten des Systems 10 zur Speicherung elektrischer Energie denkbar. Typischerweise ist ein derartiges System 10 so aufgebaut, dass eine Vielzahl von Speicherzellen 12 typischerweise in Reihe in dem System 10 verschaltet sind. Diese Speicherzellen können dabei Akkumulatorzellen und/oder Superkondensatorzellen sein oder auch eine beliebige Kombination hiervon. Für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel sollen die Speicherzellen 12 allesamt als Superkondensatoren, das heißt als Doppelschicht-Kondensatoren, ausgebildet sein, welche in einem System 10 zur Speicherung elektrischer Energie in dem mit dem Hybridantrieb ausgerüsteten Fahrzeug 1 eingesetzt werden. Der Aufbau kann aber bevorzugt in einem Nutzfahrzeug, beispielsweise einem Omnibus für den Stadt-/Nahverkehr, eingesetzt werden.
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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 12 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 12 zu erkennen. Dabei sind lediglich drei von mehreren seriell verbundenen Speicherzellen 12 dargestellt. Diese bilden in einer Reihe weiterer nicht abgebildeter Speicherzellen ein erstes Modul A. Weitere Module B, C sind ebenfalls schematisch dargestellt. Die genaue Anzahl an Modulen variiert je nach Einsatzzweck des Systems. Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel und einer entsprechenden elektrischen Antriebsleistung von ca. 100–200 kW, beispielsweise 120 kW, wären dies in einem realistischen Aufbau insgesamt ca. 150–250 Speicherzellen 12. 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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Wie in 2 dargestellt weist jede der Speicherzellen 12 einen parallel zu der jeweiligen Speicherzelle 12 geschalteten elektrischen Verbraucher in Form eines ohmschen Widerstands 14 auf. Dieser ist in Reihe mit einem Schaltglied 16 parallel zu jeder der Speicherzellen 12, in diesem Fall parallel zu jedem der Superkondensatoren 12 geschaltet. Der Schalter 16 ist als Schwellwertschalter ausgebildet und weist einen Kontrolleingang 18 auf. Das Schaltglied 16 umfasst eine Spannungsüberwachung des Superkondensators 12. Sobald der Superkondensator 12 eine obere Schwellenspannung übersteigt, wird der Schalter 16 geschlossen, sodass über den Widerstand 14 ein Strom aus dem Superkondensator 12 fließen kann. Damit wird die in ihm befindliche Ladung und somit auch die Spannung entsprechend verringert, sodass ein erneutes Überschreiten des Schwellenspannungswerts beim gleichen Superkondensator 12 vermieden wird.
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Des Weiteren ist eine zentrale Steuereinrichtung 22 vorgesehen. Sie ist mit einem Bus 20 verbunden, an den wiederum alle Speicherzellen 12 angebunden sind. Die Steuereinrichtung 22 ist dazu eingerichtet, mittels des Bus 20 die an den Speicherzellen angeordneten Schaltglieder 16 über den jeweiligen Kontrolleingang 18 dahingehend anzusteuern, dass die Schwellenspannung für jede Speicherzelle 12 eingestellt werden kann. Umgekehrt wiederum kann die Steuereinrichtung 22 über den Bus 20 die momentane Betriebsspannung jeder Speicherzelle 12 über die Betriebsspannungserfassung des Schaltglieds 16 erfassen, indem über den Kontrolleingang ein entsprechendes Signal beziehungsweise entsprechende Daten an den Bus 20 und damit an die Steuereinrichtung 22 weitergeleitet werden.
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Treten nun im laufenden Betrieb des Systems 10 etwa durch unterschiedliche Innenwiderstände oder durch konstruktiv bedingte andere Unterschiede zwischen den Speicherzellen 12 signifikant voneinander abweichende Betriebsspannungen auf, werden diese über den Bus 20 zu der Steuereinrichtung 22 übermittelt. Die Steuereinrichtung 22 ermittelt aus diesen einzelnen Betriebsspannungswerten der einzelnen Speicherzellen 12 jeweils einen für eines der Module A, B oder C gültigen Durchschnittsbetriebsspannungswert. Daraus wird eine für die Speicherzellen in dem jeweiligen Modul A, B, C gültige Schwellenspannung beispielsweise dadurch ermittelt, dass zu dem Durchschnittswert ein fester oder ein von dem momentanen Betriebsmodus abhängiger Spannungswertbetrag addiert wird. Alternativ kann auch lediglich der arithmetisch ermittelte Durchschnittswert verwendet werden. Dieser so ermittelte Schwellenspannungswert wird von der Steuereinrichtung 22 über den Bus 20 zu den Speicherzellen 12 des jeweiligen Moduls übermittelt. Befinden sich nun einzelne Speicherzellen 12 oberhalb dieses Schwellenspannungswertes, schließt das jeweilige Schaltglied 16 und die sich in der Speicherzelle 12 befindliche Ladung wird über den ohmschen Widerstand 14 verringert, wodurch sich auch die Betriebsspannung der Speicherzelle 12 verringert. Befindet sich eine größere Anzahl von Speicherzellen 12 in dem jeweiligen Modul A, B, C oberhalb der aus dem Durchschnittsbetriebsspannungswerts ermittelten Schwellenspannung, so verringert sich der Durchschnittswert durch das Entladen einzelner Speicherzellen 12. Aus diesem reduzierten Durchschnittswert berechnet die Steuereinheit 22 wiederum eine niedrigere Schwellenspannung, übermittelt diese über den Bus 20 und den Kontrolleingang 18 an das jeweilige Schaltglied 16. Auf diese Weise ergibt sich gegebenenfalls iterativ eine Anpassung der Betriebsspannungen von Speicherzellen 12 an den Durchschnittswert eines Moduls A, B, C.
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Auf diese Weise entsteht ein dauerhafter Gleichlauf aller Speicherzellen 12 im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt, was eine maximale Speicheausnutzung ohne Einbußen bei der Lebensdauer des Systems zur Speicherung elektrischer Energie 10 ermöglicht.
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Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn bei Anwendungen mit zyklischem Betrieb, wie etwa bei Hybridantrieben, eine Schwellspannung für das Gesamtsystem beziehungsweise das gesamte Modul nur sehr kurzzeitig erreicht wird. Dabei kann es auch auftreten, dass diese Schwellspannung für längere Zeit gar nicht mehr erreicht wird, weil mangels einer Rekuperation bei gleichzeitig starkem Boost-Betrieb der Speicher nicht mehr bis zur Schwellspannung gefüllt wird. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird dieses Problem behoben, da das als Schwellwertschalter ausgebildete Schaltglied 16 über den geeigneten Kontrolleingang 18 bezüglich seines Schwellwerts laufend, also auch während des zyklischen Betriebs zum Beispiel in einem Rekuperationsvorgang, bei dem sich durch Energiespeicherung die Spannung erhöht, in Echtzeit angepasst wird, zum Beispiel auf die durchschnittliche Zellspannung, die sich aus der Gesamtspannung und der Zahl aller Zellen beziehungsweise auch aus der durchschnittlichen Zellspannung eines Moduls oder Submoduls ergibt.
