DE102010004216A1

DE102010004216A1 - Energieversorgungseinrichtung

Info

Publication number: DE102010004216A1
Application number: DE102010004216A
Authority: DE
Inventors: Michael 12277 Schiemann; Ossama 10965 Obeidi; Peter Dr. 16548 Birke; Olaf Dr. 13086 Böse; Bertram 10713 Schemel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2011-07-14
Also published as: CN102687366A; US20120286591A1; WO2011083051A3; JP2013516951A; WO2011083051A2; KR20120123410A; EP2522061A2

Abstract

Energieversorgungseinrichtung mit einer eine Spannung bereit stellenden Energiequelle (1) und einer mit dieser elektrisch verbundenen Überwachungseinrichtung (4), die bei Stromentnahme aus der Energiequelle (1) Spannung, Stromstärke und Temperatur an der Energiequelle (1) misst und bei Unterschreitetromentnahme unterbricht, wobei der Abschaltgrenzwert von der Temperatur an der Energiequelle (1) und von der Stromstärke abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung.
Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine oder mehrere elektrische Maschinen und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen bestehen allgemein aus einer Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einem Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einem elektrochemischen und/oder elektrostatischen Energiespeicher und einer oder mehrere elektrischen Maschinen für den Antrieb.
Die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeuges von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie als elektrische Energie in den Energiespeicher und die Bordnetzversorgung.
Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug, ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt, transferiert und gespeichert werden müssen.
Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine Elektronik, allgemein Hybrid-Controller genannt. Dieser regelt unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll. Die Energieentnahme aus der Brennstoffzelle oder dem Energiespeicher dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Speichers bzw. zur Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie, d. h. dem regenerativen Bremsen. Als Energielieferanten und Speicher kommen dabei verschiedenartigste Energiequellen in Frage wie beispielsweise Brennstoffzellen, spezielle Kondensatoren und ein weites Spektrum von galvanischen Elementen, insbesondere an sekundären galvanischen Elementen – Akkumulatoren. Dabei ist es wichtig, eine möglichst optimale Balance zwischen Volumen, Gewicht, Lebensdauer und Kosten zu erzielen.
Die Entladekurve galvanischer Elemente ist, unabhängig von der zu Grunde liegenden Elektrochemie, bei einer Energieentnahme typischerweise durch 3 Phasen gekennzeichnet. Der Beginn der Strombelastung (Phase 1) ist durch einen praktisch instantanen Spannungseinbruch gekennzeichnet. Es folgt ein konstanter Spannungsverlauf bei quasi kontinuierlicher Belastung (Phase 2). Ein Spannungseinbruch am Ende der Entladephase (Phase 3) durch Verarmung der Ausgangsstoffe bei anhaltender elektrochemischer Reaktion charakterisiert die finale Entladung und definiert den untersten Grenzwert der Zellenentladung, allgemein bekannt als Abschaltspannung bzw. Entladeschlussspannung (U_S). Eine zu starke Entladung unter die Entladeschlussspannung gilt als Tiefentladung und kann durch die hohe Belastung des aktiven Reaktionsmaterials zu verstärkter Alterung und zum vorzeitigen Kapazitätsrückgang führen.
Daher wurde in der Regel bisher die Entladeschlussspannung für die jeweilige Energiequelle mittels Expertenwissens auf einen allseits konstanten Wert festgelegt. Diese zwar einfache Lösung befriedigt jedoch insbesondere bei tiefen Temperaturen und hohen Entladeströmen nicht, da die Spannungslage bei tiefen Temperaturen und hohen Entladeströmen aufgrund des hohen Spannungsabfalls am Anfang der Entladung nur noch knapp über der Abschaltspannung liegt und so die Energieentnahme stark begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energieversorgungseinrichtung mit einer Energiequelle der eingangs genannten Art anzugeben, bei der diese Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Energieversorgungseinrichtung gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird gelöst insbesondere durch eine Energieversorgungseinrichtung mit einer eine Spannung bereit stellenden Energiequelle und einer mit dieser elektrisch verbundenen Überwachungseinrichtung, die bei Stromentnahme aus der Energiequelle Spannung, Stromstärke und Temperatur an der Energiequelle misst und bei Unterschreiten eines Abschaltgrenzwertes für die Spannung die Stromentnahme unterbricht, wobei der Abschaltgrenzwert von der Temperatur an der Energiequelle und/oder von der Stromstärke abhängt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1 in einem Blockschaltbild einen beispielhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung,
2 in einem Diagramm den typischen Kurvenverlauf bei der Entladung einer Batterie – unterteilt nach 3 Phasen,
3 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Entladeanfangsspannung vom Entladestrom (Stromrate C),
4 in einem Diagram die Abhängigkeit der Anfangsspannung von der Temperatur bei einem Entladestrom von 1C,
5 in einem Diagramm die Adaption des Abschaltgrenzwertes in Abhängigkeit vom Entladestrom und entsprechend der Entladeanfangsspannung (U_a),
6 in einem Diagram den Einfluss der Temperatur und des Entladestroms auf die Entladeanfangsspannung (U_a) und
7 in einer Tabelle die jeweiligen errechneten dynamischen Abschaltgrenzwerte unter Berücksichtigung von Temperatur und Entladestrom.
Bei der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Energieversorgungseinrichtung wird eine beispielsweise als Brennstoffzelle, Bleiakkumulator, Nickel-Zink-Batterie, Doppelschichtkondensator, Lithium-Luft-Batterie, Zink-Luft-Batterie, Aluminium-Luft-Batterie, Nickel-Metallhydrid-Batterie oder Lithium-Ionen-Batterie ausgeführte und im nachfolgend kurz nur als Batterie 1 bezeichnete Energiequelle über einen steuerbaren Schalter 2 an eine Last 3 aufgeschaltet. Der Schalter 2 wird dabei durch eine Überwachungseinrichtung 4 gesteuert, die unter anderem einen Komparator 5 enthält. Beim Komparator 5 ist ein Eingang mit einem Pol der Batterie 1 zur Messung der auf Masse 6 bezogenen Batteriespannung U angeschlossen, während an den anderen Anschluss des Komparators 5 ein die Entladeschlussspannung (U_s) charakterisierender Abschaltgrenzwert angelegt ist. Der Abschaltgrenzwert wird von einer Interpolationseinrichtung 7 bereitgestellt, die wiederum einem Speicher 8 nachgeschaltet ist. In dem Speicher 8 ist eine Tabelle abgelegt, die jeweils einen zugehörigen Grenzwert für bestimmte Kombinationen von Temperatur und Entladestrom umfasst. Wird dann eine an der Batterie 1 mittels einer Temperaturmesseinrichtung 9 gemessene Temperatur und ein mittels einer Strommesseinrichtung 10 gemessener Entladestrom dem Speicher 8 zugeführt, so gibt dieser einen entsprechenden Abschaltgrenzwert aus, wenn entsprechende Temperatur- und Entladestrom-Werte im Speicher 8 abgelegt sind. In diesem Fall wird der zugehörige Abschaltgrenzwert dann mittels der Interpoliereinheit 7 unverändert an den Komparator 5 weitergegeben. Entsprechen die gemessenen Werte für Temperatur und Entladestrom jedoch nicht denen in der Tabelle enthaltenen, so werden die beiden dem am nächsten kommenden Werte aus der Tabelle ausgelesen und daraus in der Interpolationseinheit 7 mittels beispielsweise linearer Interpolation der zutreffende Abschaltgrenzwert ermittelt und an den Komparator 5 weitergegeben.
Ist nun die Spannung U an der Batterie 1 größer als der ermittelte Abschaltgrenzwert (entsprechend dem tatsächlichen Wert der Spannung U_S) dann ist der Schalter 2 geschlossen und die Last 3 wird mit Strom versorgt. Im umgekehrten Fall, wenn also die Spannung U an der Batterie 1 gleich dem Abschaltgrenzwert ist oder diesen unterschreitet, wird der Schalter 2 geöffnet und somit die Last von der Batterie abgekoppelt, um eine Tiefentladung der Batterie 1 zu verhindern.
In 2 ist der typische Kurvenverlauf bei der Entladung einer Batterie unterteilt nach den eingangs erläuterten 3 Phasen dargestellt.
Der Beginn der Strombelastung (Phase 1) ist demnach durch einen praktisch instantanen Spannungseinbruch gekennzeichnet. Dieser Spannungseinbruch ΔU ist durch die Änderung des Belastungsstromes ΔI und den Innenwiderstand R_i der Energiequelle definiert gemäß Ohmschem Gesetz.
Der konstante Spannungsverlauf bei quasi kontinuierlicher Belastung (Phase 2) ist in Abhängigkeit der Zellengröße, Zellenchemie und Belastung der Zelle (Batterie) durch einen kontinuierlichen Spannungsabfall mit mehr oder weniger hohem Abfall der Zellenspannungen gekennzeichnet.
Der Spannungseinbruch am Ende der Entladephase (Phase 3), der den Entladeverlauf charakterisiert, rührt daher, dass die elektrochemischen Ausgangsstoffe (Elektrolyt, aktives Material der Anode und Kathode) durch die für die Zelle typische elektrochemische Reaktion bei der Entladung weitgehend umgesetzt worden sind. Aufgrund der Erschöpfung der Ausgangsstoffe nimmt der Abfall der Spannung im Vergleich zur Phase 2 deutlich zu. Die Spannung an der Zelle bricht relativ schnell ein. Diese Phase definiert den untersten Grenzwert der Zellenentladung, allgemein bekannt als Abschaltspannung bzw. Entladeschlussspannung (U_S). Eine zu starke Entladung unter die Entladeschlussspannung gilt als Tiefentladung und kann durch die hohe Belastung des aktiven Reaktionsmaterials zu verstärkter Alterung und zum Kapazitätsrückgang führen.
Die Batteriespannung U liegt bei tiefen Temperaturen und hohen Entladespannungen aufgrund des hohen Spannungsabfalls am Anfang der Entladung nur noch knapp über der Entladeschlussspannung U_S (Abschaltgrenzwert), wodurch die Energieentnahme stark begrenzt wird. Die Abhängigkeit der Spannung U vom Entladestrom I (C-Rate) und der Temperatur τ sind in den 3 und 4 dargestellt, wobei U_o die Leerlaufspannung der Batterie, U_a deren Entladeanfangsspannung, R deren Innenwiderstand, ΔU eine Spannungsänderung, ΔI eine Stromänderung und U_s eben die Entladeschlussspannung bezeichnet. Die C-Rate ergibt sich bekanntlich aus der Nennkapazität der Batterie (z. B. 200 Ah) pro Zeiteinheit (1 h), im vorliegenden Beispiel also 1C = 200 A.
Erfindungsgemäß ist ein „dynamischer” Abschaltgrenzwert in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebstemperatur und vom Entladestrom vorgesehen. Durch diese Dynamisierung des Abschaltgrenzwertes für die Energiequelle in Abhängigkeit von Betriebsbedienungen wird es ermöglicht, der Energiequelle insbesondere bei tiefen Temperaturen und hohen Strombelastungen wesentlich mehr an Leistung zu entnehmen, ohne das die deren Kapazität vergrößert werden muss, wodurch beispielsweise bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen in erheblichen Maße Gewichtskosten eingespart werden können, ohne die Energiequelle (insbesondere wenn diese eine Batterie ist) dabei stärker zu altern.
Der Innenwiderstand einer exemplarisch betrachteten Zelle einer beliebigen Energiequelle ist von der Temperatur der Zelle abhängig. Bei tiefen Temperaturen nimmt der Innenwiderstand R je nach elektrochemischem Aufbau der Zellen mehr oder weniger stark zu. Dadurch verursacht der Innenwiderstand bei tiefen Temperaturen und am Anfang der Entladung einen wesentlich höheren Spannungsabfall im Vergleich zum Innenwiderstand bei Nenntemperatur von beispielsweise von 20° Celsius. Neben dem Entladestrom I wird durch den Innenwiderstand R im Wesentlichen der Spannungsabfall am Anfang der Entladung definiert. Dieser hohe Spannungsabfall am Anfang der Entladung (Phase 1) wird erfindungsgemäß durch die Anpassung der Entladeschlussspannung (Abschaltgrenzwert) in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur τ der Zelle berücksichtigt. Diese Anpassung der Entladeschlussspannung trägt konsequent der Zunahme des Innenwiderstandes R Rechnung, ohne dass jedoch eine höhere Belastung durch stärkeren Verbrauch der Reaktionspartner im Vergleich zu Nennbetriebsbedingungen (Nominaltemperatur und Nominalstrom) und hiermit verbundener Alterung verursacht wird.
Ein zweiter Aspekt der erfindungsgemäßen Dynamisierung richtet sich auf den Belastungsstrom. Dabei wird berücksichtigt, dass die Batterie bei höheren Strömen und konstantem Innenwiderstand gemäß Ohmschem Gesetz auch einen entsprechend höheren Spannungsabfall am Anfang der Entladung verursacht. Dies wird aus 5 deutlich. Die Anfangsspannung U_a ist linear abhängig vom Entladestrom I. Das Verhältnis des Funktionsanstiegs dU/dI stellt im Prinzip den Innenwiderstand R des jeweils betrachteten Zellentyps dar, wobei der Schnittpunkt dieser Kurve mit der Ordinate (Y-Achse, I = 0) im Prinzip die Ruhespannung U₀ der Batterie darstellt. Aufgrund des höheren Spannungsabfalls kann entsprechend linear dazu die Spannung angepasst werden wie dies ebenfalls 5 zu entnehmen ist.
In 6 ist der Einfluss beider Größen zusammenfassend illustriert. Unter der Berücksichtigung beider Einflussgrößen lassen sich gemäß 5 auch für andere Temperaturen entsprechende Verläufe der Entladeschlussspannungen festlegen. Die so erhaltene Kurvenschar (bzw. die entsprechenden Gleichungen) kann dann zur Ermittlung der Entladeschlussspannung bei verschiedenen Entladeströmen verwendet werden. Es wird dabei beispielsweise die für eine jeweilige Temperatur festgelegte Geradengleichung (Parabelgleichung etc.) angewendet, sodass auch diese Einflussgröße Berücksichtigung findet. Bei Betriebstemperaturen zwischen zwei spezifizierten Temperaturen kann der Wert durch beispielsweise lineare Interpolation aus den nächstliegenden Geradengleichungen ermittelt werden. Die so erhaltenen Werte für eine beispielhafte Zelle sind der 7 zu entnehmen. Die Dynamisierung des Abschaltgrenzwertes führt im Gegensatz zu den üblichen Maßnahmen nicht zur zusätzlichen Alterung der Zelle, da die Belastung des aktiven Materials gegenüber den Nennbedingungen konstant gehalten wird. Durch die dynamische Anpassung der Entladeschlussspannung wird insbesondere bei tiefen Temperaturen die Entladeleistung der Batterie deutlich gesteigert und eine dadurch eventuell notwendige Erhöhung der Zellenanzahl oder Zellenkapazität der Batterie verhindert, was zu Einsparungen hinsichtlich Preis, Volumen und Gewicht führt. Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Abschaltgrenzwert einmalig, in bestimmten Zeitabständen oder fortlaufend durch externe Messeinrichtungen oder durch die Überwachungseinrichtung 4 selbst zumindest aus Stromstärke und Spannung ermittelt wird.

Claims

Energieversorgungseinrichtung mit einer eine Spannung bereit stellenden Energiequelle (1) und einer mit dieser elektrisch verbundenen Überwachungseinrichtung (4), die bei Stromentnahme aus der Energiequelle (1) Spannung, Stromstärke und Temperatur an der Energiequelle (1) misst und bei Unterschreiten eines Abschaltgrenzwertes für die Spannung die Stromentnahme unterbricht, wobei der Abschaltgrenzwert von der Temperatur an der Energiequelle (1) und von der Stromstärke abhängt.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Überwachungseinrichtung (4) einen Speicher (8) aufweist, in dem als Tabelle für bestimmte Kombinationen von Temperatur und Entladestrom jeweils ein zugehöriger Grenzwert gespeichert ist und bei dem durch Eingabe der gemessenen Temperatur- und Entladestromwerte der zutreffende Abschaltgrenzwert ausgegeben wird.
Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die Überwachungseinrichtung (4) eine Recheneinheit (7) aufweist, die für gemessene Temperatur und/oder Entladestromwerte, die nicht in der Tabelle enthalten sind, aus den am nächsten kommenden Werten in der Tabelle den jeweils zutreffenden Abschaltgrenzwert interpoliert.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Tabellen von der Spannung an der Energiequelle (1), dem Entladestrom, der Temperatur und dem Innenwiderstand der Energiequelle (1) abhängige Abschaltspannungen enthalten.
Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Energiequelle (1) ein Bleiakkumulator, eine Nickel-Zink-Batterie, ein Doppelschichtkondensator, eine Lithium-Luft-Batterie, Zink-Luft-Batterie, Aluminium-Luft-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, Lithium-Schwefel-Batterie, Lithium-Fluor-Batterie, Natrium-Schwefel-Batterie, Natrium-Nickel-Chlorid-Batterien oder eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Überwachungseinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, den Abschaltgrenzwert zumindest aus Stromstärke und Spannung zu ermitteln.