DE102010053824A1

DE102010053824A1 - System und Verfahren zum Regeln des Ladezustands einer Mehrzahl an Batterien während deren Lagerung

Info

Publication number: DE102010053824A1
Application number: DE102010053824A
Authority: DE
Inventors: Holger Ing. 71642 Lochner; Christoph Ing. 70597 Saalfeld
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2011-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zum Regeln der Ladezustände einer Mehrzahl an Batterien (10, 10') während deren Lagerung, mit: einer Mehrzahl an Batterien (10, 10'), einer Lagereinrichtung (2) zum Lagern der Batterien (10, 10'), und einer Mehrzahl an Ladegeräten (100), die dazu eingerichtet und vorgesehen sind, mit je einer in der Lagereinrichtung (2) gelagerten Batterie (10, 10') zum Aufladen der Batterie (10, 10') verbunden zu werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das System (1) eine mit den Ladegeräten (100) verbundene Energiemanagementeinheit (20) aufweist, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die Ladezustände der gelagerten Batterien (10, 10') zu erfassen und zumindest in Abhängigkeit hiervon für jede der gelagerten Batterien (10, 10') eine entsprechende Ladekurve zum Aufladen der jeweiligen Batterie (10, 10') zu ermitteln. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln der Ladezustände einer Mehrzahl an Batterien während deren Lagerung, insbesondere unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Systems (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Regeln des Ladezustands einer Mehrzahl an Batterien während deren Lagerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Regeln des Ladezustands einer Mehrzahl an Batterien während deren Lagerung.
Ein solches System dient zum Lagern einer Mehrzahl an Batterien, insbesondere in Form von HV-Akkumulatoren, und weist eine Lagereinrichtung zum Lagern solcher Batterien sowie eine Mehrzahl an Ladegeräten auf, die dazu eingerichtet und vorgesehen sind, mit einer oder mehreren in der Lagereinrichtung gelagerten Batterien zum Aufladen der Batterie verbunden zu werden.
Derartige Hochvolt-Akkumulatoren für den automobilen Einsatz müssen aus Gründen der Gewährleitung und Kulanz von den Fahrzeugherstellern vorgehalten werden. Während der Lagerung entladen sich jedoch diese Akkus.
Die DE 20 2009 017 862 U1 beschreibt daher ein Energiespeicher-Kreislaufsystem unter Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen, wobei die verwendeten Li-Ionen-Zellen bevorzugt zu Batterien parallel geschaltet sind. Dabei ist vorgesehen, dass Strom aus Energieerzeugungsanlagen in Ladestationen zur Ladung der Lithium-Ionen-Zellen verwendet wird, die in den Ladestationen oder in Depotstationen aufbewahrt, bei Bedarf entnehmbar und zum Betrieb von Transporteinheiten verwendbar sind und nach Entladung an derselben oder einer anderen Lade- oder Depot-Stationen gegen geladene Lithium-Ionen-Zellen austauschbar sind, wobei die Ladestationen und/oder die Depotstationen flächendeckend angeordnet sind, so dass ein Austausch der Lithium Ionen-Zellen vor ihrer vollständigen Entladung stattfinden kann, wobei die Energieerzeugungsanlagen dezentrale Energieerzeugungsanlagen, bevorzugt Solarenergieanlagen und/oder Windenergieanlagen, sind.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System und ein entsprechendes Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die Lagerung von Batterien, insbesondere hinsichtlich deren Lebensdauer, verbessert ist.
Dieses Problem wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist vorgesehen, das das System eine mit den Ladegeräten verbundene Energiemanagementeinheit aufweist, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die Ladezustände der gelagerten Batterien zu erfassen und in Abhängigkeit hiervon für jede der gelagerten Batterien eine individuelle Ladekurve für die jeweiligen Batterie zu ermitteln, die den Aufladevorgang der jeweiligen Batterie definiert. Dabei wird unter einer Ladekurve insbesondere der zeitliche Verlauf der Ladeleistung verstanden.
Die Erfindung ermöglicht somit die Aufladung der Akkus während der Lagerung, die aufgrund der Orientierung am eigentlichen Aufladebedarf der einzelnen Batterie die Lebensdauer der Batterien verlängert. Darüber hinaus kann den Batterien ggf. kontrolliert Ladung entnommen werden, um ein Stromnetz bzw. ein Verbundnetz damit zu stützen.
Bevorzugt kommuniziert die Energiemanagementeinheit zum Erfassen der Ladezustände der einzelnen, gelagerten und mit den Ladegeräten verbundenen Batterien über je eine erste elektrische Leitungsverbindung mit den Ladegeräten, über die auch das jeweilige Ladegerät zum Aufladen der Batterie mit Energie versorgt wird. Diese Kommunikation ist auch als ”power line communication” (Stromleitungskommunikation) bekannt und umfasst insbesondere eine Datenübertragung über bereits vorhandene Kommunikations- insbesondere Stromnetze. Die Signale werden dabei in der Regel über eine oder mehrere Trägerfrequenzen zusätzlich auf die jeweilige Leitung moduliert.
Vorzugsweise ist weiterhin die Energiemanagementeinheit dazu ausgebildet, aus den Ladekurven den zeitlichen Verlauf der benötigten Gesamtenergie zum Aufladen der Batterien zu ermitteln. Dabei ist die Energiemanagementeinheit bevorzugt zur Energieversorgung der Ladegeräte über eine zweite elektrische Leitungsverbindung mit einem Stromnetz eines Energieversorgers bzw. einem Verbundnetz verbunden, wobei die Energiemanagementeinheit insbesondere dazu ausgebildet ist, den zeitliche Verlauf der benötigten Gesamtenergie an ein Netzmanagementsystem des betreffenden Stromnetzes über jene zweite elektrische Leitungsverbindung (”power line communication”) zu kommunizieren. Hierbei ist die Energiemanagementeinheit des Weiteren insbesondere dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer vom Netzmanagementsystem über jene zweite elektrische Verbindungsleitung kommunizierten Information einen Transport von Energie über das Stromnetz zu den Ladegeräten über jene zweite und ersten Leitungsverbindungen oder umgekehrt zu steuern.
D. h., der zeitliche Verlauf der benötigten Gesamtenergie wird an das Netzmanagementsystem des Energieversorgers gemeldet und insbesondere in die Netzauslastungsplanung einbezogen. Die Netzauslastungsplanung (Netzmanagementsystem) gibt dabei insbesondere Rückmeldung wann und zu welchen Kosten der zeitliche Verlauf der benötigten Gesamtenergie abgedeckt werden kann. Ergeben sich aus der Rückmeldung mehrere Möglichkeiten, kann vom Energiemanagementsystem eine der angebotenen Möglichkeiten ausgewählt und durchgeführt werden. Dies schließt sowohl die Möglichkeit ein, dass Energie an die Ladegeräte zum Aufladen der gelagerten Batterien transferiert wird, als auch die Möglichkeit, dass Energie von den Batterien in das angeschlossene Stromnetz abgegeben wird, um dieses beispielsweise zu stützen.
Bevorzugt sind die Batterien zum Übermitteln zumindest des jeweiligen Ladezustands (State of Charge; SOC) der Batterien an die zugeordneten Ladegeräte dazu eingerichtet und vorgesehen, über einen CAN-Bus, einen LIN-Bus oder über einen Bus, über den die jeweilige Batterie später in einem bestimmungsgemäß in ein Fahrzeug eingebauten Zustand an ein Fahrzeugenergiemanagementsystem angeschlossen wird, mit dem jeweils zugeordneten Ladegerät zu kommunizieren. Hierbei können auch Informationen wie z. B., Zellspannungen, Batterieströme und weitere Daten, die Auskunft über den Gesundheitszustand der Batterien geben, übertragen werden.
Zur Kommunikation mit den Ladegeräten weisen die Batterien vorzugsweise je ein Batteriemanagementsystem auf, das dazu ausgebildet ist, zumindest den Ladezustand der jeweiligen Batterie zu bestimmen und insbesondere zyklisch an das zugeordnete Ladegerät zu übermitteln. Bei einem solchen Batteriemanagementsystem (BMS) handelt es sich insbesondere um Steuergerät, welches zur Überwachung und Regelung einer nachladbaren Batterie dient, wobei das BMS insbesondere als Schnittstelle zwischen dem Fahrzeug und den in der Batterie verbauten elektronischen Komponenten fungiert.
Weiterhin wird das erfindungsgemäße Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Danach weist ein Verfahren zum Regeln des Ladezustands einer Mehrzahl an Batterien während deren Lagerung die Schritte auf: Automatisches Erfassen der Ladezustände in einer Lagereinrichtung gelagerter Batterien, und automatisches Ermitteln einer Ladekurve für jede Batterie zumindest in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustands der jeweiligen Batterie. Hierbei kann natürlich ein erfindungsgemäßes System Anwendung finden.
Vorzugsweise wird aus den ermittelten Ladekurven der zeitliche Verlauf der benötigten Gesamtenergie zum Aufladen der Batterien automatisch bestimmt und hiernach automatisch an ein Netzmanagementsystem eines Stromnetzes übermittelt, das zum Aufladen der gelagerten Batterien mit jenen Batterien verbunden ist.
Dabei wird bevorzugt zum Aufladen der Batterien in Abhängigkeit einer vom Netzmanagementsystem zurückgemeldeten Information ein Transport von Energie aus dem Stromnetz zu den einzelnen Batterien (über entsprechende Ladegeräte) oder umgekehrt gesteuert (siehe oben).
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Regelung des Ladezustands einer Mehrzahl an Batterien während der Lagerung der Batterien in einer Lagereinrichtung.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 1 zur Regelung des Ladezustands einer Mehrzahl an Batterien 10, 10' in Form von Hochvolt-Akkumulatoren für den automobilen Einsatz während der Lagerung jener Batterien 10, 10' in einer Lagereinrichtung 2. Eine derartige Lagerung von solchen Batterien 10, 10' ist aus Gründen der Gewährleitung und Kulanz seitens der Fahrzeughersteller notwendig. Hierbei besteht natürlich die Problematik der Entladung der gelagerten Batterien 10, 10' während der Lagerung in der Lagereinrichtung 2.
Das erfindungsgemäße System 1 ist daher zur Regelung des Ladezustandes zu lagernder Batterien 10, 10' ausgebildet und weist hierzu im Einzelnen eine Mehrzahl an Ladegeräten 100 auf, die je über eine elektrische Verbindungsleitung 23 mit einer zugeordneten, gelagerten Batterie 10, 10' verbunden sind, so dass die jeweilige Batterie 10, 10' über die zugehörige Verbindungsleitung 23 aufgeladen werden kann (auch zur Ladungsentnahme). Bei den Batterien 10, 10' kann es sich z. B. um Lithium-Ionen-Akkus 10 oder z. B. um NiMH-Akkus 10' handeln.
Bei den Ladegeräten 100 handelt es sich insbesondere um bidirektionale AC/DC-Wandler, die die elektrische Energie von Wechselspannung in Gleichspannung und wieder zurück wandeln. Die Hardware der Ladegeräte 100 wird durch ein Steuergerät überwacht und gesteuert.
Die Ladegeräte 100 sind zusätzlich zu den elektrischen Verbindungsleitungen 23 jeweils mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) 50 der jeweils zugeordneten Batterie 50 über ein Controller Area Network (CAN) 24 kommunikativ verbunden und kommunizieren des Weiteren jeweils mit einem Energiemanagementsystem 20 über erste Verbindungsleitungen 21, das dazu ausgebildet ist, die einzelnen Ladegeräte 100 zu regeln. Unter Regelung wird dabei das kontrollierte Hinzufügen bzw. Entfernen einer definierten Energiemenge zum jeweiligen Akkumulator 10, 10' verstanden.
Die einzelnen Ladegeräte 100 beziehen die Energie, die sie den Batterien 10, 10' hinzufügen, aus eine Spannungsversorgung (Stromnetz 3), die von einem Netzmanagementsystem 30 gesteuert wird, über eine zweite Verbindungsleitung 22. Diese Hochvolt-Leitung 22 wird zusätzlich genutzt, um mittels ”power line communication” (PLC) eine Netzwerkverbindung mit den einzelnen Ladegeräten 100 aufzubauen. In diesem Netzwerk können mehrere Ladegeräte 100 als Netzknoten integriert sein. Diese Netzknoten werden dabei mittels Internet Protokoll (IP) identifiziert und angesprochen.
Die einzelnen Batteriemanagementsysteme 50 und die damit verbundenen Ladegeräte 100 sind während der Lagerdauer der Batterien 10, 10' insbesondere über ein Fahrzeug-Netzwerk-System (z. B. CAN) 24 verbunden. Beide Netzknoten können insbesondere mittels eines Netzwerk-Managements (NM) ein Fahrzeug-Netzwerk deaktivieren, so dass Energie gespart werden kann.
Die BMS 50 schicken zyklisch den aktuellen Ladezustand (State of Charge; SOC), Zellspannung, Batteriestrom und weitere Daten, die Auskunft über den Gesundheitszustand der Batterien 10, 10' geben können, über das Fahrzeug-Netzwerk 24 an die jeweils zugeordneten Ladegeräte 100.
Diese melden die empfangenen Werte über PLC (erste Verbindungsleitungen 21) an das Energiemanagementsystem 20 weiter, das alle Daten von allen im Netzwerk befindlichen Batterien 10, 10' sammelt und hieraus für jede Batterie 10, 10' eine Ladekurve errechnet, die den Gesundheitszustand der jeweiligen Batterie 10, 10' und den Ziel-SOC (angestrebter Endladezustand) berücksichtigt. Unter einer Ladekurve wird dabei der zeitliche Verlauf der Ladeleistung verstanden.
Das Energiemanagementsystem 20 steht seinerseits über PLC (zweite Verbindungsleitung 22) mit dem Netzmanagementsystem 30 eines Energie-Versorgungs-Unternehmens (EVU) in Verbindung (Stromnetz 3) und bezieht von dort Informationen über die Verfügbarkeit von Energie und die dafür entstehenden Kosten. Das Energiemanagementsystem 20 meldet dabei den Gesamtenergiebedarf aller im Netz befindlichen Batterien 10, 10' an das Netzmanagementsystem 30 des EVU und ermöglicht so eine Netzauslastungsplanung. Signalisiert der EVU Energiebedarf im Stromnetz 3, kann das Energiemanagementsystem 20 auch Energie aus den Batterien 10, 10' abziehen und in das Stromnetz 3 einspeisen.
Alternativ kann die Kommunikationsleitung zum Energieversorgungsunternehmen eine Internetverbindung sein, z. B. über DSL oder UMTS. Das Energieversorgungsunternehmen kann hierbei der klassische Kraftwerk- und Netzbetreiber sein, aber auch ein anderer Energieanbieter z. B. ein Fuhrparkmanagement oder eine Automobilhersteller, der diese Dienstleistung anbietet kann als Energieversorgungsunternehmen im Sinne dieser Erfindung in Betracht kommen.
Im Ergebnis kann somit mit dem erfindungsgemäßen System 1 bzw. Verfahren der Ladezustand der gelagerten Akkumulatoren 10, 10' in einer Lagereinrichtung 2 zentral überwacht und geregelt werden. Bei Bedarf kann eine definierte Menge Energie den Akkumulatoren 10, 10' entnommen oder ihnen hinzugefügt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202009017862 U1 [0004]

Claims

System zum Regeln des Ladezustands einer Mehrzahl an Batterien während deren Lagerung, mit – einer Mehrzahl an Batterien (10, 10'), – einer Lagereinrichtung (2) zum Lagern der Batterien (10, 10'), und – einer Mehrzahl an Ladegeräten (100), die dazu eingerichtet und vorgesehen sind, mit je einer in der Lagereinrichtung (2) gelagerten Batterie (10, 10') zum Aufladen der Batterie (10, 10') verbunden zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) eine mit den Ladegeräten (100) verbundene Energiemanagementeinheit (20) aufweist, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die Ladezustände der gelagerten Batterien (10, 10') zu erfassen und zumindest in Abhängigkeit hiervon für jede der gelagerten Batterien (10, 10') eine entsprechende Ladekurve zum Aufladen der jeweiligen Batterie (10, 10') zu ermitteln.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemanagementeinheit (20) zum Erfassen der Ladezustände der Batterien (10, 10') über je eine erste elektrische Leitungsverbindung (21) mit den Ladegeräten (100) kommuniziert, über die das jeweilige Ladegerät (10, 10') zum Aufladen der zugeordneten Batterie (10, 10') mit Energie versorgt wird.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemanagementeinheit (20) dazu eingerichtet und vorgesehen ist, aus den Ladekurven den zeitlichen Verlauf der benötigten Gesamtenergie zum Aufladen der Batterien (10, 10') zu ermitteln.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemanagementeinheit (20) zur Energieversorgung der Ladegeräte (10, 10') über eine zweite elektrische Leitungsverbindung (22) mit einem Stromnetz (3) verbunden ist, wobei die Energiemanagementeinheit (20) insbesondere dazu eingerichtet und vorgesehen ist, den zeitliche Verlauf der benötigten Gesamtenergie an ein Netzmanagementsystem (30) für das Stromnetz (3) über jene zweite elektrische Leitungsverbindung (22) zu kommunizieren, und wobei insbesondere das Energiemanagementeinheit (20) dazu eingerichtet und vorgesehen ist, in Abhängigkeit einer vom Netzmanagementsystem (30) über jene zweite elektrische Verbindungsleitung (22) kommunizierten Information einen Transport von Energie zwischen dem Stromnetz (3) und den Ladegeräten (100) zu steuern.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien (10, 10') zum Übermitteln zumindest des jeweiligen Ladezustands der Batterien (10, 10') an die zugeordneten Ladegeräte (100) dazu eingerichtet und vorgesehen sind, über einen Bus (24), insbesondere in Form eines CAN-Busses, eines LIN-Busses oder eines Busses, über den die jeweilige Batterie (10, 10') in einem bestimmungsgemäß in ein Fahrzeug eingebauten Zustand an ein Fahrzeugenergiemanagementsystem angeschlossen ist, mit dem jeweils zugeordneten Ladegerät (100) zu kommunizieren.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien (10, 10') je ein Batteriemanagementsystem (50) aufweisen, das dazu ausgebildet ist, zumindest den Ladezustand der jeweiligen Batterie (10, 10') insbesondere zyklisch an das zugeordnete jeweilige Ladegerät (100) zu übermitteln.
Verfahren zum Regeln des Ladezustands einer Mehrzahl an Batterien während deren Lagerung, insbesondere unter Verwendung eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: – Erfassen der Ladezustände in einer Lagereinrichtung (2) gelagerter Batterien (10, 10'), und – Ermitteln einer Ladekurve für jede der Batterien (10, 10') zumindest in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustands der jeweiligen Batterie (10, 10').
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Ladekurven der zeitliche Verlauf der benötigten Gesamtenergie zum Aufladen der Batterien (10, 10') ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der benötigten Gesamtenergie an ein Netzmanagementsystem (30) für ein Stromnetz (3) kommuniziert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer vom Netzmanagementsystem (30) zurückgemeldeten Information ein Transport von Energie zwischen dem Stromnetz (3) und mit dem Stromnetz (3) verbundenen Ladegeräten (100), die den einzelnen Batterien (10, 10') zugeordnet sind, gesteuert wird.