DE102011011799A1 - Method for switching energy storage cells of energy storage device i.e. battery, for e.g. electric car, involves switching off part of energy storage strands comprising incorrect strand, if operating mode is detected as incorrect - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren Energiespeicherzellen eines Energiespeichers für ein Fahrzeug ein- und auszuschalten sowie einen entsprechend ausgestalteten Energiespeicher und ein entsprechend ausgestaltetes Fahrzeug.The present invention relates to a method of energy storage cells of an energy storage for a vehicle on and off and a correspondingly designed energy storage and a suitably ausgestaltetes vehicle.
Die
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Wie in
Insbesondere mit zunehmendem Alter der Batteriezellen Zi entstehen zunehmend Unterschiede zwischen den einzelnen Batteriezellen, was beispielsweise die Leistungsfähigkeit, die Kapazität und den Innenwiderstand der Batteriezellen betrifft. Dies führt beispielsweise dazu, dass eine bestimmte Batteriezelle bereits ihre Entladegrenze (Abschaltgrenze) erreicht hat während andere Batteriezellen noch betriebsbereit sind. In solch einem Fall wird bei heutigen Batteriesystemen die Antriebsbatterie abgeschaltet (indem die Leistungsschütze Q1 und Q2 geöffnet werden), um eine Beschädigung (beispielsweise eine Tiefentladung einzelner Batteriezellen) zu vermeiden. Auch wenn eine Batteriezelle aufgrund eines erhöhten Innenwiderstands eine zu hohe Temperatur aufweist, wird nach dem heutigen Stand der Technik die Antriebsbatterie abgeschaltet, obwohl die entsprechende Batteriezelle nach einer Abkühlphase wieder betriebsbereit wäre. Es existieren weitere Beispiele für unzulässige Betriebszustände einzelner Batteriezellen, welche dazu führen, dass die Antriebsbatterie abgeschaltet wird.In particular, with increasing age of the battery cells Zi increasingly arise differences between the individual battery cells, which relates, for example, the performance, capacity and internal resistance of the battery cells. This leads, for example, to a certain battery cell having already reached its discharge limit (switch-off limit) while other battery cells are still ready for operation. In such a case, in today's battery systems, the traction battery is turned off (by opening the contactors Q1 and Q2) to avoid damage (eg, deep discharge of individual battery cells). Even if a battery cell has too high a temperature due to an increased internal resistance, the drive battery is switched off in the current state of the art, although the corresponding battery cell would be ready for operation again after a cooling phase. There are other examples of impermissible operating states of individual battery cells, which lead to the drive battery being switched off.
Das Abschalten der Antriebsbatterie führt bei einem reinen Elektrofahrzeug nachteiligerweise zu einem Liegenbleiben des Fahrzeugs. Aber auch bei einem Hybridfahrzeug führt das Abschalten der Antriebsbatterie nachteiligerweise dazu, dass das Hybridfahrzeug seine Fähigkeit zur Rekuperation verliert.Disconnecting the drive battery leads disadvantageously in a pure electric vehicle to a lingering of the vehicle. But even in a hybrid vehicle switching off the drive battery leads disadvantageously to the fact that the hybrid vehicle loses its ability to recuperation.
Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Abschalten der Antriebsbatterie zu vermeiden, wenn nur eine oder nur wenige Batteriezellen fehlerhaft sind.Therefore, the present invention has the object to avoid switching off the drive battery, if only one or only a few battery cells are faulty.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Schalten von Energiespeicherzellen eines Energiespeichers nach Anspruch 1, durch einen Energiespeicher nach Anspruch 9 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.This object is achieved by a method for switching energy storage cells of an energy storage device according to
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schalten von Energiespeicherzellen eines Energiespeichers bereitgestellt. Dabei umfasst der Energiespeicher mehrere Energiespeicherstränge, welche parallel angeordnet und parallel geschaltet sind. Jeder der Energiespeicherstränge umfasst seinerseits mindestens eine Energiespeicherzelle (d. h. eine oder mehrere Energiespeicherzellen). Ein Betriebszustand der jeweiligen Energiespeicherzellen des Energiespeichers und/oder ein Betriebszustand der Energiespeicherstränge wird/werden erfindungsgemäß überprüft. Wenn der Betriebszustand einer Energiespeicherzelle als fehlerhaft erfasst wird oder wenn der Betriebszustand eines Energiespeicherstrangs als fehlerhaft erfasst wird, wird ein Teil der Energiespeicherstränge, welcher den als fehlerhaft erkannten Energiespeicherstrang oder einen fehlerhaften Energiespeicherstrang, welcher die als fehlerhaft erfasste Energiespeicherzelle aufweist, umfasst, abgeschaltet.In the context of the present invention, a method for switching energy storage cells of an energy store is provided. In this case, the energy store comprises a plurality of energy storage strings, which are arranged in parallel and connected in parallel. Each of the energy storage strings in turn comprises at least one energy storage cell (i.e., one or more energy storage cells). An operating state of the respective energy storage cells of the energy store and / or an operating state of the energy storage strands is / are checked according to the invention. If the operating state of an energy storage cell is detected as faulty or if the operating state of an energy storage strand is detected as faulty, a part of the energy storage strands which comprises the energy storage strand identified as defective or a faulty energy storage strand having the energy storage cell detected as defective is switched off.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß beim Auftreten einer fehlerhaften Energiespeicherzelle nicht der gesamte Energiespeicher abgeschaltet, sondern es wird nur ein Teil des Energiespeichers abgeschaltet, wobei dieser Teil die fehlerhafte Energiespeicherzelle umfasst.In other words, according to the invention, when a faulty energy storage cell occurs, not the entire energy store is switched off, but only a part of the energy store is switched off, this part comprising the faulty energy storage cell.
Dadurch kann der Energiespeicher vorteilhafterweise auch dann noch von einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug eingesetzt werden, wenn bereits eine oder mehrere seiner Energiespeicherzellen als fehlerhaft erfasst worden sind.As a result, the energy store can advantageously also be used by an electric vehicle or hybrid vehicle, if one or more of its energy storage cells have already been detected as defective.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nur der fehlerhafte Energiespeicherstrang abgeschaltet, welcher die als fehlerhaft erfasste(n) Energiespeicherzelle(n) umfasst.In a preferred embodiment of the invention, only the faulty energy storage unit is disconnected, which comprises the energy storage cell (s) detected as defective.
Die vorliegende Erfindung ist auch für den Fall einsetzbar, dass mehrere Energiespeicherzellen als fehlerhaft erfasst werden. In diesem Fall umfasst der Teil der Energiespeicherstränge, welcher abgeschaltet wird, diese mehreren fehlerhaften Energiespeicherzellen. Optimalerweise umfasst dazu die Menge der abgeschalteten Energiespeicherstränge nur diejenigen Energiespeicherstränge, welche jeweils zumindest eine fehlerhafte Energiespeicherzelle aufweisen.The present invention can also be used in the event that several energy storage cells are detected as defective. In this case, the part of the energy storage strings which is switched off comprises these multiple defective energy storage cells. Optimally, this includes the amount of energy storage strings disconnected only those energy storage strings, which each have at least one faulty energy storage cell.
Der Teil oder die Menge der abgeschalteten Energiespeicherstränge kann wieder zugeschaltet werden, wenn der Betriebszustand aller Energiespeicherzellen des fehlerhaften Energiespeicherstrangs und damit auch der Betriebszustand der Energiespeicherzellen, welche vorher als fehlerhaft erfasst wurden, als fehlerfrei erfasst werden.The part or the amount of the disconnected energy storage strings can be switched on again when the operating state of all energy storage cells of the faulty energy storage string and thus also the operating state of the energy storage cells, which were previously detected as faulty, are detected as error-free.
Mit anderen Worten kann die Menge der abgeschalteten Energiespeicherstränge dann wieder zugeschaltet werden, wenn alle Energiespeicherzellen der aktuell abgeschalteten Energiespeicherstränge wieder korrekt arbeiten. Dadurch ist sichergestellt, dass auch diejenigen Energiespeicherzellen, welche vorab als fehlerhaft erfasst wurden, wieder korrekt arbeiten.In other words, the amount of the disconnected energy storage strings can be switched on again when all the energy storage cells of the currently disconnected energy storage strands work correctly again. This ensures that even those energy storage cells, which were previously detected as faulty, work correctly again.
Erfindungsgemäß wird der Betriebszustand einer Energiespeicherzelle als fehlerhaft erfasst, wenn eine oder mehrere der im Folgenden beispielhaft aufgeführten Bedingungen erfüllt ist/sind:
- • Die Energiespeicherzellen weist eine Temperatur auf, welcher oberhalb eines vorbestimmten Temperaturschwellenwerts liegt.
- • Eine Spannung, welche zwischen den beiden Polen der entsprechenden Energiespeicherzelle gemessen wird, ist höher als ein vorbestimmter erster Spannungsschwellenwert.
- • Die Spannung, welche zwischen den beiden Polen der entsprechenden Energiespeicherzelle gemessen wird, ist niedriger als ein vorbestimmter zweiter Spannungsschwellenwert. Dabei ist der zweite Spannungsschwellenwert kleiner als der erste Spannungsschwellenwert.
- • Die Energiespeicherzelle wurde zumindest einmal tiefentladen, d. h. die Energiespeicherzelle wurde zumindest einmal über ihre Entladegrenze hinweg entladen.
- • Die Energiespeicherzelle weist einen internen Kurzschluss (d. h. einen Kurzschluss zwischen ihren Polen) auf.
- The energy storage cells have a temperature which is above a predetermined temperature threshold.
- A voltage measured between the two poles of the corresponding energy storage cell is higher than a predetermined first voltage threshold.
- The voltage measured between the two poles of the corresponding energy storage cell is lower than a predetermined second voltage threshold. In this case, the second voltage threshold value is smaller than the first voltage threshold value.
- • The energy storage cell has been deeply discharged at least once, ie the energy storage cell has been discharged at least once beyond its discharge limit.
- • The energy storage cell has an internal short circuit (ie a short between its poles).
Wenn der Betriebszustand einer oder mehrerer Energiespeicherzellen eines Energiespeicherstrangs als fehlerhaft erfasst wird, wird dieser entsprechende fehlerhafte Energiespeicherstrang insbesondere mittels eines Schützes, welcher auch als Leistungshalbleiter realisiert sein kann, abgeschaltet.If the operating state of one or more energy storage cells of an energy storage string is detected as faulty, this corresponding faulty energy storage strand is switched off, in particular by means of a contactor, which can also be realized as a power semiconductor.
Dabei wird unter einem Schütz ein elektrisch betätigter oder elektronischer Schalter für große Spannungen oder Leistungen verstanden. Ein Schütz arbeitet wie ein Relais und kennt zwei Schaltstellungen (eingeschaltet und ausgeschaltet) und ist normalerweise monostabil, d. h. der Schütz weist für den Fall, dass ihm kein Steuerstrom zugeführt wird, eine vorbestimmte der beiden Schaltstellungen auf.In this case, a contactor is understood to be an electrically operated or electronic switch for high voltages or powers. A contactor works like a relay and has two switch positions (switched on and off) and is normally monostable, ie. H. the contactor, in the event that no control current is supplied to it, a predetermined one of the two switching positions.
Natürlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass mit demselben Schütz mehrere Energiespeicherstränge abgeschaltet werden. In diesem Fall würden diese mehreren Energiespeicherstränge durch den Schütz abgeschaltet werden, wenn innerhalb eines dieser Energiespeicherstränge zumindest eine fehlerhafte Energiespeicherzelle erfasst wird.Of course, it is also possible according to the invention that several energy storage strings are switched off with the same contactor. In this case, these multiple energy storage strings would be switched off by the contactor if at least one faulty energy storage cell is detected within one of these energy storage strings.
Für den Schütz zum Abschalten oder Zuschalten des fehlerhaften Energiespeicherstrangs existieren zwei Varianten:
- • 1. Variante: Wenn sich der Schütz in seinem Ruhezustand befindet, wird der fehlerhafte Energiespeicherstrang durch den Schütz abgeschaltet
- • 2. Variante: Wenn sich der Schütz in seinem Ruhezustand befindet, wird der fehlerhafte Energiespeicherstrang durch den Schütz eingeschaltet.
- • 1st variant: If the contactor is in its idle state, the faulty energy storage string is switched off by the contactor
- • 2nd variant: When the contactor is in its idle state, the faulty energy storage string is switched on by the contactor.
Während bei der zweiten Variante der Strombedarf des Schützes während des normalen Betriebs (der von dem Schütz geschaltete Energiespeicherstrang weist keine fehlerhafte Energiespeicherzelle auf) geringer als der Strombedarf des Schützes gemäß der ersten Variante ist, ist der Strombedarf des Schützes beim Abschalten des entsprechenden Energiespeicherstrangs bei der zweiten Variante größer als bei der ersten Variante.While in the second variant of the power demand of the contactor during normal operation (the energy storage strand connected by the contactor has no faulty energy storage cell) is less than the power consumption of the contactor according to the first variant, the power requirement of the contactor when switching off the corresponding energy storage strand in the second variant larger than in the first variant.
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der fehlerhafte Energiespeicherstrang und damit der diesen fehlerhaften Energiespeicherstrang schaltende Schütz mit Hilfe eines Hauptschützes stromlos geschaltet, bevor der fehlerhafte Energiespeicherstrang dann mit Hilfe des Schützes abgeschaltet wird.According to a preferred embodiment of the invention, the faulty energy storage strand and thus the switching this faulty energy storage strand contactor is switched off by means of a main contactor before the faulty energy storage string is then turned off with the help of the contactor.
Indem zumindest der fehlerhafte Energiespeicherstrang zusammen mit dem ihn schaltenden Schütz vor dem Abschalten stromlos geschaltet wird, muss der den fehlerhaften Energiespeicherstrang schaltende Schütz nur für sehr geringe Schaltströme ausgelegt werden, was vorteilhafterweise zu einem geringeren Platzbedarf, geringeren Gewicht und einem geringeren Strombedarf des den fehlerhaften Energiespeicherstrang schaltenden Schützes führt.By at least the faulty energy storage circuit is switched off with the switch him switching off before switching off, the faulty energy storage strand switching contactor must be designed for very low switching currents, which advantageously to a smaller footprint, lower weight and a lower power consumption of the faulty energy storage strand switching contactor leads.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Energiespeicher für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst der Energiespeicher eine Steuerung und mehrere elektrisch parallel geschaltete Energiespeicherstränge. Jeder dieser Energiespeicherstränge des Energiespeichers umfasst mindestens eine Energiespeicherzelle, d. h. eine oder in der Regel mehrere Energiespeicherzellen. Die Steuerung ist in der Lage, einen Betriebszustand jeder Energiespeicherzelle und/oder eines Energiespeicherstrangs des Energiespeichers zu überprüfen. Darüber hinaus umfasst der Energiespeicher für jeden Energiespeicherstrang ein Schaltelement, mit welchem der jeweilige Energiespeicherstrang bezüglich des Energiespeichers eingeschaltet oder abgeschaltet werden kann. Der Energiespeicher ist nun derart ausgestaltet, dass die Steuerung für den Fall, dass die Steuerung erfasst, dass der Betriebszustand einer Energiespeicherzelle oder eines Energiespeicherstrangs fehlerhaft ist, eine Menge der Energiespeicherstränge abschaltet, wobei diese Menge zumindest den als fehlerhaft erfassten Energiespeicherstrang oder denjenigen Energiespeicherstrang umfasst, welcher selbst die Energiespeicherzelle mit dem fehlerhaften Betriebszustand aufweist.In the context of the present invention, an energy store for a vehicle is also provided. In this case, the energy store comprises a controller and a plurality of energy storage strings connected in parallel. Each of these energy storage strings of the energy store comprises at least one energy storage cell, i. H. one or, as a rule, several energy storage cells. The controller is able to check an operating state of each energy storage cell and / or an energy storage strand of the energy storage. In addition, the energy storage for each energy storage strand includes a switching element with which the respective energy storage strand can be turned on or off with respect to the energy storage. The energy store is now designed in such a way that the controller, in the event that the controller detects that the operating state of an energy storage cell or an energy storage strand is faulty, shuts off a quantity of energy storage strands, this amount comprising at least the energy storage strand detected as defective or the energy storage strand, which itself has the energy storage cell with the faulty operating state.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Energiespeichers entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des vorab beschriebenen Verfahrens zum Schalten von Energiespeicherzellen eines Energiespeichers, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet und auf die vorab stehende Beschreibung verwiesen wird.The advantages of the energy storage device according to the invention essentially correspond to the advantages of the previously described method for switching energy storage cells of an energy store, so that a repeat is dispensed with here and reference is made to the above description.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches einen erfindungsgemäßen Energiespeicher aufweist.Finally, in the context of the present invention, a vehicle is provided which has an energy store according to the invention.
Die vorliegende Erfindung weist folgende Vorteile auf:
- • Ein unzulässiger Betriebszustand einer einzigen Energiespeicherzelle führt nicht zum Abschalten des gesamten Energiespeichers.
- • Die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Energiespeichers ist höher als bei einem Energiespeicher nach dem Stand der Technik.
- • Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher weist eine längere Nutzungsdauer als ein herkömmlicher Energiespeicher auf.
- • Aufgrund der höheren Zuverlässigkeit und längeren Nutzungsdauer des Energiespeichers können die Betriebskosten eines Fahrzeugs, welches einen derartigen erfindungsgemäßen Energiespeicher einsetzt, gesenkt werden.
- • Die durchschnittliche Reichweite eines Fahrzeugs mit erfindungsgemäßem Energiespeicher ist höher als bei einem Fahrzeug mit einem herkömmlichen Energiespeicher.
- • An impermissible operating state of a single energy storage cell does not lead to the shutdown of the entire energy storage.
- • The reliability of the energy storage device according to the invention is higher than in the case of an energy storage device according to the prior art.
- An energy store according to the invention has a longer service life than a conventional energy store.
- Due to the higher reliability and longer service life of the energy storage, the operating costs of a vehicle using such an energy storage device according to the invention can be reduced.
- • The average range of a vehicle with inventive energy storage is higher than in a vehicle with a conventional energy storage.
Die vorliegende Erfindung kann insbesondere für Energiespeicher von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch für Energiespeicher von Flugzeugen, Schiffen oder gleisgebundenen und spurgeführten Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist ein Einsatz der vorliegenden Erfindung auch außerhalb von Fortbewegungsmitteln für einen beliebigen Energiespeicher zur Speicherung von elektrischer Energie denkbar.The present invention can be used in particular for energy storage of motor vehicles. Of course, the present invention is not limited to this preferred application, since the present invention can also be used for energy storage of aircraft, ships or track-bound and track-guided vehicles. In addition, use of the present invention is also conceivable outside of locomotion means for any energy storage device for storing electrical energy.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.In the following, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments of the invention with reference to the figures.
In
In
In
In
Der in
Aufgrund der Reihenschaltung der Energiespeicherzellen Z1 bis Zm führt der Ausfall einer dieser Energiespeicherzellen (in
Existieren bei einer Antriebsbatterie für ein Elektrofahrzeug beispielsweise acht identische Energiespeicherstränge St1 bis St8, würde der Ausfall eines Energiespeicherstrangs St1 zu einer Reduzierung der Maximalleistung um 1/8 bzw. 12,5% führen, was für einen Fahrer des Elektrofahrzeugs nur schwer wahrnehmbar ist. Ein Liegenbleiben des Elektrofahrzeugs, wie es nach dem Stand der Technik schon beim Ausfall nur einer Energiespeicherzelle der Fall ist, wird vorteilhafterweise vermieden. Die eingeschränkte Maximalleistung des Energiespeichers
Der unzulässige Betriebszustand der aktuell fehlerhaften Energiespeicherzellen kann häufig im nächsten Ladevorgang des Energiespeichers
In
In
Sowohl bei der in
Da bei dieser Variante nur sehr geringe Schaltströme für die Strangschütze QSt1 bis QStn entstehen, können diese Strangschütze QSt1 bis QStn im Vergleich zu den Leistungsschützen Q1 und Q2 zum Schalten einer wesentlich geringeren Last ausgelegt werden. Dadurch können die Strangschütze QSt1 bis QStn kleiner und leichter ausgelegt werden als die Leistungsschütze Q1 und Q2, und auch der Strombedarf zum Schalten der Strangschütze QSt1 bis QStn ist geringer als bei den Leistungsschützen Q1 und Q2. Since only very low switching currents for the phase contactors Q St1 to Stn Q occur in this variant, these contactors strand Q St1 to Stn Q can be designed to switch a much lower load Q1 and Q2 in comparison to the power contactors. As a result, the contactors Q St1 to Q Stn can be made smaller and lighter than the contactors Q1 and Q2, and the current required to switch the contactors Q St1 to Q Stn is also lower than for the contactors Q1 and Q2.
In
Durch die Kommunikationsverbindung zwischen den Steuerungen BMS der beiden Energiespeicher
Im in
In
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