DE102013106265A1 - Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung und entsprechende Energiespeichereinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung (18), die mehrere Speichereinheiten (30, 32), insbesondere Speicherzellen, und eine Schaltungsanordnung (22) mit Anschlüssen (24, 26) und mindestens einem die Anschlüsse (24, 26) verbindenden Strompfad (28) aufweist, in dem die Speichereinheiten (30, 32) verschaltbar sind. Es ist vorgesehen, dass jede der Speichereinheiten (30, 32) über eine ihr vorgeschaltete Schaltvorrichtung (34, 36) in dem Strompfad (28) verschaltbar ist und die jeweilige Schaltvorrichtung (34, 36)die an ihr angeschlossene Speichereinheit (30, 32) in Abhängigkeit eines Ausgangssignals einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) in einen Abschnitt (48, 50) des Strompfades (28) aufnimmt oder diesen Abschnitt (48, 50) des Strompfades (28) alternativ kurzschließt. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) ermittelt mindestens eine Kenngröße (U, T) und/oder mindestens eine Zustandsgröße (SOC, SOH) einer jeden der Speichereinheiten (30, 32) und bestimmt ihre Ausgangssignale in Abhängigkeit dieser ermittelten Kenn- und/oder Zustandsgrößen (U, T; SOC, SOH). Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Energiespeichereinrichtung (18).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung, die mehrere Speichereinheiten, insbesondere Speicherzellen, und eine Schaltungsanordnung mit Anschlüssen und mindestens einem die Anschlüsse verbindenden Strompfad aufweist, in dem jede der Speichereinheiten verschaltbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Energiespeichereinrichtung.
  • Eine derartige elektrische Energiespeichereinrichtung wird zum Beispiel als Energiespeicher einer elektrischen Antriebsmaschine eines Fahrzeugs mit Elektro- oder Hybridantrieb genutzt. Bei dieser Art der Nutzung sind die Speichereinheiten bzw. Speicherzellen der Energiespeichereinrichtung oftmals temporär hoher Belastung, extremen Temperaturen und anderen ungünstigen Situationen ausgesetzt, sodass die einzelnen Einheiten (aus einzelnen Zellen oder Zellgruppen) unterschiedlich stark beansprucht werden. Haben die Einheiten anfänglich untereinander einen unterschiedlichen Alterungs- bzw. Gesundheitszustand, so kann sich der Zustand der nicht so gesunden Einheiten bei diesen extremen Situationen stärker verschlechtern als der der gesünderen Einheiten. Dies beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Energiespeichereinrichtung insgesamt.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung und eine entsprechende Energiespeichereinrichtung selbst bereitzustellen, die langfristig eine sichere und zuverlässige elektrische Versorgung der von der Einrichtung zu versorgenden Komponenten gewährleistet.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 5. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung, die mehrere Speichereinheiten und eine Schaltungsanordnung mit Anschlüssen und mindestens einem die Anschlüsse verbindenden Strompfad aufweist, in dem die Speichereinheiten verschaltbar sind, ist vorgesehen, dass jede der Speichereinheiten über eine ihr vorgeschaltete Schaltvorrichtung in dem Strompfad verschaltbar ist. Dieses Verschalten ist insbesondere ein serielles Verschalten. Die jeweilige Schaltvorrichtung nimmt die an ihr angeschlossene Speichereinheit in Abhängigkeit eines Ausgangssignals einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung in einen Abschnitt des Strompfades auf oder schließt diesen Abschnitt des Strompfades alternativ kurz. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ermittelt mindestens eine Kenngröße und/oder mindestens eine Zustandsgröße einer jeden der Speichereinheiten und bestimmt ihre Ausgangssignale in Abhängigkeit dieser ermittelten Kenn- und/oder Zustandsgrößen. Mit anderen Worten steuert bzw. regelt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung das Zuschalten und Herausnehmen der Speichereinheiten aus dem mindestens einen Strompfad in Abhängigkeit der mindestens einen ermittelten Kenn- und/oder Zustandsgröße der Speichereinheiten.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass die an die Anschlüsse angeschlossenen Komponenten bei optimaler Spannung, und die Speicherzellen gemäß zellspezifischer Parameter optimal betrieben werden. Die elektrische Energiespeichereinrichtung wird fehlertolerant gegenüber Einzelzellfehlern: Ein Tausch von Einheiten (aus einzelnen Zellen oder Zellgruppen) mit differierenden Zustandsgrößen der einzelnen Einheiten (z.B. Alterungsstand) wird dabei ermöglicht.
  • Die Energiespeichereinrichtung ist insbesondere eine wiederaufladbare Batterie (ein Akkumulator) bzw. ein Batteriesystem aus mehreren Batteriemodulen. Die Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers können beispielsweise mehrere in Serie geschaltete Speicherzellen, also Elementarzellen des Energiespeichers sein. Insbesondere ist jede der Speichereinheiten jedoch eine einzelne Speicherzelle. Bei einer als wiederaufladbare Batterie ausgebildeten Energiespeichereinrichtung ist die Speicherzelle eine Batteriezelle.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Kenngröße der jeweiligen Speichereinheit eine Ausgangsspannung U und/oder ein Ausgangsstrom I und/oder eine Temperatur T dieser Speichereinheit. Diese Größen sind typische und einfach ermittelbare Kenngrößen der einzelnen Speichereinheiten. Die mindestens eine Zustandsgröße der jeweiligen Speichereinheit ist bevorzugt eine Ladezustandsgröße SOC (SOC: State of Charge) und/oder eine Alterungszustandsgröße SOH (SOH: State of Health) dieser Einheit. Die genannten Größen sind wohldefinierte Zustandsgrößen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steuert die Steuer- und/oder Regeleinrichtung die Schaltvorrichtungen (mittels ihrer Ausgangssignale) derart an, dass
    • (a) die Gesamtspannung zwischen den Anschlüssen der Energiespeichereinrichtung einer Spannungsvorgabe entspricht und/oder
    • (b) die Speichereinheiten über eine vorgegebene oder vorgebbare Nutzungsdauer gleichmäßig belastet werden und/oder
    • (c) Grenzwerte der Kenngrößen U, I, T der einzelnen Speichereinheiten eingehalten werden und/oder
    • (d) die Speichereinheiten über eine vorgegebene oder vorgebbare Nutzungsdauer gleichmäßig altern und/oder
    • (e) defekte Speichereinheiten dauerhaft aus dem mindestens einen Strompfad entfernt werden.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Energiespeichereinrichtung mit mehreren Speichereinheiten, insbesondere Speicherzellen, und einer Schaltungsanordnung mit Anschlüssen und mindestens einem die Anschlüsse verbindenden Strompfad, in dem jede der Speichereinheiten über eine ihr zugeordnete Schaltvorrichtung verschaltbar ist.
  • Dieses Verschalten ist insbesondere ein serielles Verschalten. Jede der Schaltvorrichtungen ist dabei dazu eingerichtet, die an ihr angeschlossene Speichereinheit in Abhängigkeit eines Ausgangssignals einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Energiespeichereinrichtung in einen Abschnitt des Strompfades aufzunehmen oder diesen Abschnitt des Strompfades alternativ kurzzuschließen. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ist ihrerseits dazu eingerichtet, mindestens eine Kenngröße U, I, T und/oder mindestens eine Zustandsgröße SOC, SOH einer jeden der Speichereinheiten zu ermitteln und ihre Ausgangssignale in Abhängigkeit dieser ermittelten Kenn- und/oder Zustandsgrößen zu bestimmen.
  • Die mindestens eine Kenngröße der Speichereinheit ist insbesondere eine Ausgangsspannung und/oder ein Ausgangsstrom und/oder eine Temperatur dieser Speichereinheit. Die mindestens eine Zustandsgröße der Speichereinheit ist bevorzugt eine Ladezustandsgröße SOC und/oder eine Alterungszustandsgröße SOH dieser Speichereinheit.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, die Schaltvorrichtungen mittels ihrer Ausgangssignale so anzusteuern, dass
    • (a) die Gesamtspannung an den Anschlüssen der Energiespeichereinrichtung einer Spannungsvorgabe entspricht und/oder
    • (b) die Speichereinheiten über eine vorgegebene oder vorgebbare Nutzungsdauer gleichmäßig belastet werden und/oder
    • (c) Grenzwerte der Kenngrößen der einzelnen Speichereinheiten eingehalten werden und/oder
    • (d) die Speichereinheiten über eine vorgegebene oder vorgebbare Nutzungsdauer gleichmäßig altern und/oder
    • (e) defekte Speichereinheiten dauerhaft aus dem mindestens einen Strompfad entfernt werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnungdargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
  • Hierbei zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Feststoffaerosols mit Aerosolgenerator und Verdünnungseinrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Die 1 zeigt eine elektrische Antriebsvorrichtung 10 für ein Fahrzeug mit Elektroantrieb. Die Vorrichtung 10 umfasst eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine 12, eine Spannungswandlereinrichtung 14, einen Zwischenkreis 16 und eine Energiespeichereinrichtung 18. Die Spannungswandlereinrichtung 14 ist einerseits an die elektrische Maschine 12 und andererseits an den (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 16 mit einem Zwischenkreiskondensator 20 angeschlossen. Weiterhin ist die Energiespeichereinrichtung 18 über den Zwischenkreis 16 an die Spannungswandlereinrichtung 14 angeschlossen. Die Energiespeichereinrichtung 18 weist eine Schaltungsanordnung 22 mit Anschlüssen 24, 26 und einem die Anschlüsse 24, 26 verbindenden Strompfad 28 auf in dem mehrere als Speicherzellen ausgebildete Speichereinheiten 30, 32 (von denen in 1 jedoch nur zwei Speichereinheiten 30, 32 dargestellt sind) über zugeordnete Schaltvorrichtungen 34, 36 seriell verschaltbar bzw. verschaltet sind. In der in 1 dargestellten Situation ist die eine Speichereinheit 30 über ihre zugeordnete Schaltvorrichtung 34 im Strompfad 28 verschaltet, wohingegen die andere Speichereinheit 32 nicht im Strompfad 28 verschaltet ist. Die ihr zugeordnete Schaltvorrichtung 36 hat einen entsprechenden Abschnitt des Strompfades 28 kurzgeschaltet und die Speichereinheit 32 aus der Schaltungsanordnung „herausgenommen“. Die in diesem Beispiel gezeigte Schaltungsanordnung 22 weist nur einen einzigen Strompfad 28 auf. Grundsätzlich kann sie jedoch auch mehrere Strompfade 28 aufweisen. Diese sind beispielsweise zwischen den Anschlüssen 24, 26 parallelgeschaltet.
  • Die Energiespeichereinrichtung 18 ist insbesondere ein wiederaufladbares Batteriesystem aus mehreren Batteriemodulen. Die Speichereinheiten 30, 32 der elektrischen Energiespeichereinrichtung 18 sind im hier gezeigten Beispiel als Batteriezellen ausgebildete Speicherzellen.
  • Die Energiespeichereinrichtung 18 weist weiterhin eine als Energiespeicher-Managementsystem ausgebildete Steuer- und/oder Regeleinrichtung 38 auf. Diese Steuer- und/oder Regeleinrichtung 38 erhält über entsprechende Signalleitungen (Pfeile 40, 42) Signale von den einzelnen Speichereinheiten 30, 32, aus denen sie mindestens eine Kenngröße und/oder mindestens eine Zustandsgröße der jeweiligen Speichereinheit 30, 32 ermitteln kann. Über andere Signalleitungen (Pfeile 44, 46) gibt die Steuer-und/oder Regeleinrichtung 38 Ausgangssignale an die Schaltvorrichtungen 34, 36 aus. Jede der Schaltvorrichtungen 34, 36 ist dazu eingerichtet, die an ihrem Eingang angeschlossene Speichereinheit 30, 32 in Abhängigkeit des jeweiligen Ausgangssignals der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 38 in einen jeweiligen Abschnitt 48, 50 des Strompfades 28 aufzunehmen oder diesen Abschnitt 48, 50 des Strompfades 28 alternativ kurzzuschließen.
  • An dieser Stelle seien die erfinderischen Merkmale und deren Vorteile noch einmal mit anderen Worten beschrieben:
    Jede in Serie verschaltetet Speichereinheit 30, 32 der elektrischen Energiespeichereinrichtung 18 erhält eine Schaltvorrichtung 34, 36, welche die beiden Anschlüsse der Speichereinheit 30, 32 nach außen hin kurzschließt und zur eigentlichen Einheit 30, 32 hin öffnet.
  • Ein in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung implementierter Algorithmus stellt sicher, dass durch geeignetes Öffnen und Schließen dieser Schaltvorrichtung 34, 36:
    • (a) die Gesamtspannung der elektrischen Energiespeichereinrichtung 18 (der Batterie) sich einem beliebigen Wunschwert zwischen 0 und der maximalen Gesamtspannung der Energiespeichereinrichtung 18 annähert,
    • (b) die Einheiten 30, 32 (insbesondere also die Zellen über die Gesamtnutzungsdauer ähnlich belastet werden. Ein zusätzliches Zell-Balancing ist nicht notwendig, kann aber optional vorhanden sein,
    • (c) die Sicherheitsgrenzen der Speichereinheiten (z.B. Zellspannung und Temperatur) beachtet werden und diesbezüglich kritische Einheiten 30, 32 nicht mehr zugeschaltet werden, frische oder gealterte Einheiten (z.B. nach einem Austausch von Speichereinheiten 30, 32) in geringerem oder höherem Maße benutzt werden und
    • (d) defekte Einheiten 30, 32 überhaupt nicht mehr benutzt werden.
  • Durch diese Verschaltung in Kombination mit dem Ansteuer- bzw. Regelverfahren wird sichergestellt, dass die an die Einrichtung 18 angeschlossenem Komponenten bei optimaler Spannung, und die Speichereinheiten 30, 32 gemäß zellspezifischen Parametern optimal betrieben werden. Die elektrische Energiespeichereinrichtung 18 wird fehlertolerant gegenüber den Fehlern von einzelnen Speichereinheiten 30, 32; ein Tausch von einzelnen Speichereinheiten 30, 32 (Zellen oder Zellgruppen) mit differierenden Einzelzeilparametern (z.B. unterschiedlichem Alterungszustand) wird ermöglicht.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung (18), die mehrere Speichereinheiten (30, 32), insbesondere Speicherzellen, und eine Schaltungsanordnung (22) mit Anschlüssen (24, 26) und mindestens einem die Anschlüsse (24, 26) verbindenden Strompfad (28) aufweist, in dem die Speichereinheiten (30, 32) verschaltbar sind, wobei jede der Speichereinheiten (30, 32) über eine ihr vorgeschaltete Schaltvorrichtung (34, 36) in dem Strompfad (28) verschaltbar ist und die jeweilige Schaltvorrichtung (34, 36)die an ihr angeschlossene Speichereinheit (30, 32) in Abhängigkeit eines Ausgangssignals einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) in einen Abschnitt (48, 50) des Strompfades (28) aufnimmt oder diesen Abschnitt (48, 50) des Strompfades (28) alternativ kurzschließt, wobei die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) mindestens eine Kenngröße (U, T) und/oder mindestens eine Zustandsgröße (SOC, SOH) einer jeden der Speichereinheiten (30, 32) ermittelt und ihre Ausgangssignale in Abhängigkeit dieser ermittelten Kenn- und/oder Zustandsgrößen (U, T; SOC, SOH) bestimmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass die mindestens eine Kenngröße (U, T) eine Ausgangsspannung (U) und/oder ein Ausgangsstrom und/oder eine Temperatur (T) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die mindestens eine Zustandsgröße (SOC, SOH) eine Ladezustandsgröße (SOC) und/oder eine Alterungszustandsgröße (SOH) ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) die Schaltvorrichtungen (34, 36) derart ansteuert, dass – die Gesamtspannung zwischen den Anschlüssen (24, 26) der Energiespeichereinrichtung (18) einer Spannungsvorgabe entspricht und/oder – die Speichereinheiten (30, 32) über eine vorgegebene oder vorgebbare Nutzungsdauer gleichmäßig belastet werden und/oder – Grenzwerte der Kenngrößen (U, T) der einzelnen Speichereinheiten (30, 32) eingehalten werden und/oder – die Speichereinheiten (30, 32) über eine vorgegebene oder vorgebbare Nutzungsdauer gleichmäßig altern und/oder – defekte Speichereinheiten (30, 32) dauerhaft aus dem mindestens einen Strompfad (28) entfernt werden.
  5. Energiespeichereinrichtung (18) mit mehreren Speichereinheiten (30, 32), insbesondere Speicherzellen, und einer Schaltungsanordnung (22) mit Anschlüssen (24, 26) und mindestens einem die Anschlüsse (24, 26) verbindenden Strompfad (28), in dem jede der Speichereinheiten (30, 32) über eine ihr zugeordnete Schaltvorrichtung (34, 36) verschaltbar ist, wobei die Schaltvorrichtungen (34, 36) dazu eingerichtet sind, die an ihr angeschlossene Speichereinheit (30, 32) in Abhängigkeit eines Ausgangssignals einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) der Energiespeichereinrichtung (18) in einen Abschnitt (48, 50) des Strompfades (28) aufzunehmen oder diesen Abschnitt (48, 50) des Strompfades (28) alternativ kurzzuschließen, wobei die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) dazu eingerichtet ist, mindestens eine Kenngröße (U, T) und/oder mindestens eine Zustandsgröße (SOC, SOH) einer jeden der Speichereinheiten (30, 32) zu ermitteln und ihre Ausgangssignale in Abhängigkeit dieser ermittelten Kenn- und/oder Zustandsgrößen zu bestimmen.
  6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kenngröße (U, T) der Speichereinheit (30, 32) eine Ausgangsspannung (U) und/oder ein Ausgangsstrom und/oder eine Temperatur (T) dieser Speichereinheit (30, 32) ist.
  7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zustandsgröße (SOC, SOH) der Speichereinheit (30, 32) eine Ladezustandsgröße (SOC) und/oder eine Alterungszustandsgröße (SOH) dieser Speichereinheit (30, 32) ist.
  8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) dazu eingerichtet ist, die Schaltvorrichtungen (34, 36) derart anzusteuern, dass – die Gesamtspannung an den Anschlüssen (24, 26) der Energiespeichereinrichtung (18) einer Spannungsvorgabe entspricht und/oder – die Speichereinheiten (30, 32) über eine vorgegebene oder vorgebbare Nutzungsdauer gleichmäßig belastet werden und/oder – Grenzwerte der Kenngrößen (U, T) der einzelnen Speichereinheiten (30, 32) eingehalten werden und/oder – die Speichereinheiten (30, 32) über eine vorgegebene oder vorgebbare Nutzungsdauer gleichmäßig altern und/oder – defekte Speichereinheiten (30, 32) dauerhaft aus dem mindestens einen Strompfad entfernt werden.
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