DE102014201349A1

DE102014201349A1 - Verfahren zum Ermitteln des coulombschen Wirkungsgrades von Akkumulatorzellen

Info

Publication number: DE102014201349A1
Application number: DE102014201349.6A
Authority: DE
Inventors: Joachim Fetzer; Holger Fink; Hans Partes
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-07-30
Also published as: WO2015110603A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des coulombschen Wirkungsgrades der Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) oder der Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) von wenigstens einem zu prüfenden Akkumulatormodul (1-1, ..., 1-n) eines mindestens zwei Akkumulatormodule (1-1, ..., 1-n) aufweisenden Akkumulators (1), wobei jedes Akkumulatormodul (1-1, ..., 1-n) elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-2) aufweist, über welche zumindest die von dem Akkumulator (1) an einen Verbraucher abgebbare elektrische Energie variiert werden kann, insbesondere indem die Anzahl von zur Energieerzeugung in Reihe geschalteten Akkumulatormodulen (1-1, ..., 1-n) des Akkumulators (1) variiert wird, wobei die von der Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. den Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) in einem Entladetestzustand des Akkumulators (1) abgegebene elektrische Ladung und die von der Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. den Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) in einem Ladetestzustand des Akkumulators (1) aufgenommene elektrische Ladung ermittelt und zur Ermittlung des coulombschen Wirkungsgrades der Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. der Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) in Verhältnis zueinander gesetzt werden. Um eine sehr exakte Ermittlung des coulombschen Wirkungsgrades von Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) eines Akkumulators (1) zu ermöglichen, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass in dem Entladetestzustand und dem Ladetestzustand des Akkumulators (1) alle Akkumulatormodule (1-1, ..., 1-n), zu deren Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) nicht der coulombsche Wirkungsgrad ermittelt werden soll, mittels ihrer jeweiligen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-2) derart auf Stromdurchlass geschaltet werden, dass der in dem Entladetestzustand des Akkumulators (1) fließende Entladeteststrom und der in dem Ladetestzustand des Akkumulators (1) fließende Ladeteststrom nicht durch die Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. die Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) dieser Akkumulatormodule (1-1, ..., 1-n) fließen, wobei zumindest der durch die Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. die Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) fließende Entladeteststrom mittels wenigstens eines elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters (2-1-1, ..., 2-n-1) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) geregelt wird, wobei der Akkumulator (1) im Entladetestzustand und im Ladetestzustand von einem von dem Akkumulator (1) mit elektrischer Energie zu versorgenden Verbraucherstromnetz getrennt ist.

Description

Stand der Technik
In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, eingesetzte Akkumulatoren sind in der Regel durch einen Zusammenschluss von mehreren in Reihe geschalteten Akkumulatormodulen gebildet. Jedes Akkumulatormodul weist üblicherweise mehrere in Reihe geschaltete Akkumulatorzellen auf. Des Weiteren ist ein Akkumulatormodul für gewöhnlich mit einer passiven Elektronik zum Erfassen von Zustandsparametern des Akkumulatormoduls, beispielsweise zum Erfassen der von den einzelnen Akkumulatorzellen erzeugten elektrischen Spannung oder der Temperatur der Akkumulatorzellen, ausgestattet. Die Akkumulatorzellen sind bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen meist auf Lithium-Basis hergestellt.
Es ist wünschenswert, die von einem Akkumulator an einen Verbraucher, insbesondere an einen elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs, abgebbare elektrische Energie variieren zu können. Hierzu können die einzelnen Akkumulatormodule mit elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleitern ausgestattet sein, welche durch eine elektronische Einrichtung, beispielsweise dem Battery Management and Monitoring System (BMS), eines entsprechenden Akkumulatorsystems derart elektrisch ansteuerbar sind, dass die Anzahl der zur jeweiligen Energieerzeugung in Reihe geschalteten Akkumulatormodule des Akkumulators auf geeignete Art und Weise variiert werden kann. Hierbei können die elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter von Akkumulatormodulen, die nicht an der jeweiligen Energieerzeugung beteiligt sein sollen, derart angesteuert werden, dass der erzeugte elektrische Strom nicht durch die Akkumulatorzellen dieser Akkumulatormodule verläuft, sondern an diesen Akkumulatorzellen vorbeigeleitet wird. Derartige Akkumulatormodule befinden sich im sogenannten Bypass-Modus.
Die Kapazität und Leistungsfähigkeit von Akkumulatorzellen und somit von Akkumulatormodulen und folglich von Akkumulatoren verringert sich mit jedem Lade-Entlade-Zyklus, und zwar solange, bis die einzelnen Akkumulatorzellen oder ganze Akkumulatormodule aufgrund von mangelnder Leistungsfähigkeit und Kapazität ausgetauscht werden müssen. Daher ist es wichtig, den Alterungsprozess von Akkumulatorzellen genau zu überwachen.
Es ist bekannt, dass aus dem coulombschen Wirkungsgrad C_E auf Änderungen in der Alterung (Änderung des SOH: State of Health) von Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen geschlossen werden kann. Der coulombsche Wirkungsgrad ergibt sich aus der Gleichung C_E = Q_ab/Q_zu, wobei Q_ab die beim Entladen der Akkumulatorzelle abgegebene Ladung und Q_zu die beim Laden der Akkumulatorzelle zugeführte Ladung ist. Je genauer der coulombsche Wirkungsgrad von einer Akkumulatorzelle bestimmt wird, desto genauer wird eine darauf aufbauende Aussage über den Alterungszustand der Akkumulatorzelle bzw. desto genauere Lebensdauervorhersagen können gemacht werden. Zur möglichst exakten Bestimmung des coulombschen Wirkungsgrades einer Akkumulatorzelle ist eine genaue Erfassung bzw. Regelung des zu dieser Bestimmung fließenden Entlade- bzw. Ladeteststroms sowie auch der Entlade- bzw. Ladetestzeit erforderlich, wobei sich die geflossenen Ladungen aus den jeweiligen Integralen der erfassten Ströme über die erfassten Zeiten ergeben.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine der sehr exakten Ermittlung des coulombschen Wirkungsgrades von Akkumulatorzellen eines Akkumulators zu ermöglichen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Akkumulator mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein Akkumulatorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Mit Patentanspruch 1 wird ein Verfahren zum Ermitteln des coulombschen Wirkungsgrades der Akkumulatorzelle oder der Akkumulatorzellen von wenigstens einem zu prüfenden Akkumulatormodul eines mindestens zwei Akkumulatormodule aufweisenden Akkumulators vorgeschlagen, wobei jedes Akkumulatormodul elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter aufweist, über welche zumindest die von dem Akkumulator an einen Verbraucher abgebbare elektrische Energie variiert werden kann, insbesondere indem die Anzahl von in Reihe geschalteten Akkumulatormodulen des Akkumulators variiert wird, wobei die von der Akkumulatorzelle bzw. den Akkumulatorzellen des zu prüfenden Akkumulatormoduls in einem Entladetestzustand des Akkumulators abgegebene elektrische Ladung und die von der Akkumulatorzelle bzw. den Akkumulatorzellen in einem Ladetestzustand des Akkumulators aufgenommene elektrische Ladung ermittelt und zur Ermittlung des coulombschen Wirkungsgrades der Akkumulatorzelle bzw. der Akkumulatorzellen des zu prüfenden Akkumulatormoduls in Verhältnis zueinander gesetzt werden. Vorzugsweise werden in dem Entladetestzustand und dem Ladetestzustand des Akkumulators alle Akkumulatormodule, zu deren Akkumulatorzelle bzw. Akkumulatorzellen nicht der coulombsche Wirkungsgrad ermittelt werden soll, mittels ihrer jeweiligen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter derart auf Stromdurchlass geschaltet, dass der in dem Entladetestzustand des Akkumulators fließende Entladeteststrom und der in dem Ladetestzustand des Akkumulators fließende Ladeteststrom nicht durch die Akkumulatorzelle bzw. die Akkumulatorzellen dieser Akkumulatormodule fließt, wobei zumindest der durch die Akkumulatorzelle bzw. die Akkumulatorzellen des zu prüfenden Akkumulatormoduls fließende Entladeteststrom mittels wenigstens eines elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters des zu prüfenden Akkumulatormoduls geregelt wird, wobei der Akkumulator im Entladetestzustand und im Ladetestzustand von einem von dem Akkumulator mit elektrischer Energie zu versorgenden Verbraucherstromnetz getrennt ist.
Gemäß Patentanspruch 1 erfolgt eine Regelung des Entladeteststroms mittels wenigstens eines elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters des Akkumulatormoduls, zu dessen Akkumulatorzelle bzw. Akkumulatorzellen der coulombsche Wirkungsgrad ermittelt werden soll. Dies ermöglicht insbesondere eine sehr genaue Regelung des Entladeteststroms, was wiederum eine sehr exakte Ermittlung der beim Entladen der Akkumulatorzelle bzw. Akkumulatorzellen abgegebenen Ladung erlaubt. Folglich kann der coulombsche Wirkungsgrad der Akkumulatorzelle bzw. Akkumulatorzellen des zu prüfenden Akkumulatormoduls sehr exakt ermittelt werden, was wiederum eine darauf aufbauende, möglichst exakte Lebensdauervorhersage ermöglicht. Gleichzeitig werden bei dem Akkumulator bzw. dessen Akkumulatormodulen ohnehin vorhandene, weitere elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter dazu eingesetzt, die Akkumulatormodule, zu deren Akkumulatorzelle bzw. Akkumulatorzellen nicht der coulombsche Wirkungsgrad ermittelt werden soll, auf Stromdurchlass zu schalten. Folglich ist weder zur Regelung des Entladeteststroms noch zum Abund Zuschalten einzelner Akkumulatormodule eine zusätzliche Leistungselektronik erforderlich, sondern es wird auf ohnehin vorhandene Komponenten eines entsprechenden Akkumulators zurückgegriffen, welche gemäß Patentanspruch 1 angesteuert werden. Da also keine zusätzliche Leistungselektronik zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 erforderlich ist, kann das Verfahren kostengünstig durchgeführt werden.
Theoretisch möglich ist es, ein Akkumulatormodul mit lediglich einer Akkumulatorzelle und elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleitern auszustatten. In der Praxis weisen Akkumulatormodule jedoch meist sechs bis zwölf in Reihe geschaltete Akkumulatorzellen auf. Gemäß dem Verfahren nach Patentanspruch 1 ist der coulombsche Wirkungsgrad einer entsprechenden Reihenschaltung von Akkumulatorzellen ermittelbar.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Ladeteststrom mittels wenigstens eines elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters eines weiteren Akkumulatormoduls geregelt. Dies ermöglicht eine sehr genaue Regelung auch des Ladeteststroms, was wiederum eine sehr exakte Ermittlung der beim Laden der Akkumulatorzelle bzw. der Akkumulatorzellen zugeführten Ladung erlaubt. Folglich kann der coulombsche Wirkungsgrad der Akkumulatorzelle bzw. Akkumulatorzellen des zu prüfenden Akkumulatormoduls sehr exakt ermittelt werden, was wiederum eine darauf aufbauende, möglichst exakte Lebensdauervorhersage ermöglicht. Folglich ist auch zur Regelung des Ladeteststroms keine zusätzliche Leistungselektronik erforderlich, sondern es wird auf ohnehin vorhandene Komponenten eines entsprechenden Akkumulators zurückgegriffen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden der Entladeteststrom mittels des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters des zu prüfenden Akkumulatormoduls und der Ladeteststrom mittels des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters des weiteren Akkumulatormoduls derart geregelt, dass der Entladeteststrom betragsmäßig gleich dem Ladeteststrom ist. Hierdurch sind sowohl im Entladetestzustand als auch im Ladetestzustand des Akkumulators gleiche Bedingungen gegeben, welche die Genauigkeit des Verfahrens nach Patentanspruch 1 erhöhen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden der Entladeteststrom mittels des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters des zu prüfenden Akkumulatormoduls und der Ladeteststrom mittels des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters des weiteren Akkumulatormoduls derart geregelt, dass die Stärke des Entladeteststroms und die Stärke des Ladeteststroms sehr klein im Verhältnis zur Stärke des im Normalbetrieb des Akkumulators fließenden elektrischen Stroms sind. Auch durch diese Ausgestaltung lässt sich die Genauigkeit der Ermittlung der von der Akkumulatorzelle bzw. den Akkumulatorzellen des zu prüfenden Akkumulatormoduls abgegebenen bzw. aufgenommenen Ladung verbessern, was die Genauigkeit bei der Ermittlung des coulombschen Wirkungsgrades dieser Akkumulatorzelle bzw. Akkumulatorzellen weiter erhöht.
Es wird weiter für vorteilhaft erachtet, wenn der Entladeteststrom und der Ladeteststrom mittels eines Stromsensors des zu prüfenden Akkumulatormoduls und/oder mittels eines außerhalb des Akkumulators angeordneten Stromsensors erfasst werden. Eine zweifache Messung des Entladeteststroms und des Ladeteststroms mittels eines Stromsensors des zu prüfenden Akkumulators und eines außerhalb des Akkumulators angeordneten Stromsensors dient der Schaffung redundanter Informationen bezüglich des tatsächlich geschlossenen Stroms und dient somit der Erhöhung der Genauigkeit des Verfahrens nach Patentanspruch 1. Auf der anderen Seite können zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 sowohl solche Akkumulatoren verwendet werden, deren Akkumulatoren jeweils mit einem Stromsensor versehen sind, als auch solche Akkumulatoren, deren Akkumulatormodule keine eigenen Stromsensoren aufweisen, da der Strom mittels eines außerhalb des Akkumulators angeordneten Stromsensors erfassbar ist.
Mit Patentanspruch 6 wird ein Akkumulator mit wenigstens zwei jeweils eine Akkumulatorzelle oder Akkumulatorzellen aufweisenden Akkumulatormodulen vorgeschlagen, wobei jedes Akkumulatormodul elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter aufweist, über welche zumindest die von dem Akkumulator an einen Verbraucher abgebbare elektrische Energie variiert werden kann, insbesondere indem die Anzahl von zur Energieerzeugung in Reihe geschalteten Akkumulatormodulen des Akkumulators variiert wird. Vorzugsweise ist dieser Akkumulator zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorhergehenden Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben eingerichtet. Damit sind die oben mit Bezug auf das Verfahren genannten Vorteile verbunden.
Mit Patentanspruch 7 wird ein Akkumulatorsystem mit einem Akkumulator und einer elektronischen Einrichtung, insbesondere zum Überwachen, Regeln und/oder Steuern des Zustandes des Akkumulators, vorgeschlagen, wobei der Akkumulator wenigstens zwei Akkumulatormodule aufweist, wobei jedes Akkumulatormodul wenigstens eine Akkumulatorzelle und elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter aufweist, wobei die Leistungshalbleiter derart über die elektronische Einrichtung ansteuerbar sind, dass die von dem Akkumulator an einen Verbraucher abgebbare elektrische Energie variiert werden kann, insbesondere indem die Anzahl von zur Energieerzeugung in Reihe geschalteten Akkumulatormodulen des Akkumulators variiert wird, wobei die elektronische Einrichtung eingerichtet ist, die von der Akkumulatorzelle oder den Akkumulatorzellen eines zu prüfenden Akkumulatormoduls in einem Entladetestzustand des Akkumulators abgegebene elektrische Ladung und die von der Akkumulatorzelle bzw. den Akkumulatorzellen des zu prüfenden Akkumulators in einen Ladetestzustand des Akkumulators aufgenommene elektrische Ladung zu ermitteln und zur Ermittlung des coulombschen Wirkungsgrades der Akkumulatorzelle bzw. der Akkumulatorzellen des zu prüfenden Akkumulatormoduls im Verhältnis zueinander zu setzen. Vorzugsweise ist die elektronische Einrichtung eingerichtet, die elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter der Akkumulatormodule derart anzusteuern, dass in dem Entladetestzustand und dem Ladetestzustand des Akkumulatormoduls alle Akkumulatormodule, zu deren Akkumulatorzelle bzw. Akkumulatorzellen nicht der coulombsche Wirkungsgrad ermittelt werden soll, mittels ihrer jeweiligen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter auf Stromdurchlass geschaltet werden, so dass der in dem Entladetestzustand des Akkumulators fließende Entladeteststrom und der in dem Ladetestzustand des Akkumulators fließende Ladeteststrom nicht durch die Akkumulatorzelle bzw. die Akkumulatorzellen dieser Akkumulatormodule fließt, und dass zumindest der durch die Akkumulatorzelle bzw. die Akkumulatorzellen des zu prüfenden Akkumulatormoduls fließende Entladeteststrom mittels wenigstens eines elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters des zu prüfenden Akkumulatormoduls geregelt wird, wobei der Akkumulator im Entladetestzustand und im Ladetestzustand von einem von dem Akkumulator mit elektrischer Energie zu versorgenden Verbraucherstromnetz getrennt ist.
Das Akkumulatorsystem nach Patentanspruch 7 ist insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben eingerichtet. Hierzu weist das Akkumulatorsystem eine elektronische Einrichtung auf, über welche die elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter der einzelnen Akkumulatormodule entsprechend ansteuerbar sind. Hiermit sind die oben mit Bezug auf das Verfahren genannten Vorteile verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektronische Einrichtung eingerichtet, wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter eines weiteren Akkumulatormoduls derart anzusteuern, dass der Ladeteststrom mittels des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters des weiteren Akkumulatormoduls regelbar ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die elektronische Einrichtung eingerichtet ist, den wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter des zu prüfenden Akkumulatormoduls und den wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter des weiteren Akkumulatormoduls derart anzusteuern, dass der durch die Akkumulatorzelle bzw. die Akkumulatorzellen des zu prüfenden Akkumulators fließende Entladeteststrom betragsmäßig gleich dem Ladeteststrom ist.
Des Weiteren wird als vorteilhaft erachtet, wenn die elektronische Einrichtung eingerichtet ist, den wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter des zu prüfenden Akkumulatormoduls und den wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter des weiteren Akkumulatormoduls derart anzusteuern, dass die Stärke des Entladeteststroms und die Stärke des Ladeteststroms sehr klein im Verhältnis zur Stärke des im Normalbetrieb des Akkumulators fließenden elektrischen Stroms sind.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das zu prüfende Akkumulatormodul einen Stromsensor aufweist und/oder dass ein außerhalb des Akkumulators angeordneter Stromsensor vorhanden ist, mittels dem bzw. denen der durch die Akkumulatorzelle bzw. die Akkumulatorzellen des zu prüfenden Akkumulatormoduls fließende Entladeteststrom und Ladestrom erfassbar sind.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen
1: ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Akkumulator in einem neutralen Zustand,
2: das Schaltbild des in 1 gezeigten Akkumulators in einem Entladetestzustand, und
3: das Schaltbild des in 1 gezeigten Akkumulators in einem Ladetestzustand.
1 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Akkumulator 1. Der Akkumulator 1 weist n ≥ 2 Akkumulatormodule 1-1 bis 1-n auf, die zu einem Strang in Reihe schaltbar sind. Jedes Akkumulatormodul 1-1 bis 1-n weist m ≥ 1 Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-n-m auf, welche in Reihe geschaltet sind. Des Weiteren weist jedes Akkumulatormodul 1-1 bis 1-n eine H-Brücke auf, die zwei elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter 2-1-1 bis 2-n-2 und zwei Freilaufdioden 3-1-1 bis 3-n-2 aufweist. Die elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter 2-1-1 bis 2-n-2 sind auf Transistorbasis hergestellt. Ansteuerleitungen wie auch Messleitungen sind im Schaltbild in 1 nicht gezeigt. Die elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter 2-1-1 bis 2-n-2 sind in der gezeigten Weise jeweils mit m Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-n-m verschaltet. Der durch die Reihenschaltung der Akkumulatormodule 1-1 bis 1-n gebildete Strang kann über den Lastwiderstand 103 und das Entladeschütz 102 kontrolliert entladen werden. Ein Verbraucher bzw. ein nicht näher dargestelltes Hochvolt-Fahrzeugnetz wird an den Punkten 12 und 13 über die Hauptschütze 10 und 11 an den Akkumulator 1 angeschlossen. An den Punkten 100 und 105 wird ein nicht dargestelltes Ladegerät angeschlossen, wobei der Pluspol des Ladegeräts am Punkt 100 über den Ladeschütz 101 und der Minuspol des Ladegeräts an Punkt 105 über den Ladeschütz 104 mit dem Akkumulator 1 verbindbar ist. Der jeweilig fließende elektrische Strom wird mittels des außerhalb der Akkumulatormodule 1-1 bis 1-n angeordneten Stromsensors 200 erfasst, wobei jedes Akkumulatormodul 1-1 bis 1-n zusätzlich noch einen nicht dargestellten eigenen Stromsensor enthalten kann. Die Zellspannungen der einzelnen Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-n-m werden in den einzelnen Akkumulatormodulen 1-1 bis 1-n durch nicht gezeigte Messchips erfasst.
Durch Schaltungen der elektronisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter 2-1-1 bis 2-n-2 wird der Strom in einem Akkumulatormodul 1-1 bis 1-n geregelt. Ist beispielsweise der elektronisch ansteuerbare Leistungshalbleiter 2-n-1 des Akkumulatormoduls 1-n gesperrt und der Leistungshalbleiter 2-n-2 leitend (Bypass-Modus), so fließt im Entladezustand des Akkumulators 1 (die übrigen Akkumulatorzellen 1-(n-1) werden entladen) der Strom an Punkt b in das Akkumulatormodul 1-n hinein, dann durch die Freilaufdiode 3-n-2 zum Punkt d und wieder aus dem Akkumulatormodul 1-n hinaus. Die Akkumulatorzellen 1-n-1 bis 1-n-m des Akkumulatormoduls 1-n sind effektiv aus dem Strang herausgelöst, der durch eine Reihenschaltung der Akkumulatormodule 1-1 bis 1-n gebildet wird. Wird der elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter 2-n-1 auf Stromdurchlass geschaltet, befinden sich die Akkumulatorzellen 1-n-1 bis 1-n-m im Stromkreis und der Stromverlauf ist durch die Punkte b und a, dann durch die Akkumulatorzellen 1-n-1 bis 1-n-m, durch Punkt e, durch den elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter 2-n-1, durch Punkt c und bei Punkt d aus dem Akkumulatormodul 1-n heraus zum nächsten Akkumulatormodul 1-(n + 1) oder zu einem Endpunkt. Dies ist somit der aktive Modus des Akkumulatormoduls 1-n. Bei der Ladung des Akkumulatormoduls 1-n sind die elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter 2-n-1 und 2-n-2 gesperrt und der Stromfluss ist durch Punkt d, durch die Freilaufdiode 3-n-1, durch Punkt e, durch die Akkumulatorzellen 1-n-1 bis 1-n-m, durch Punkt a und durch Punkt b zum nächsten Akkumulatormodul 1-(n – 1).
2 zeigt das Schaltbild des Akkumulators 1 entsprechend 1, wobei sich der Akkumulator 1 in einem Entladetestzustand befindet. Der Stromfluss in dem Entladetestzustand soll durch die gezeigten Pfeile verdeutlicht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise dann durchgeführt, wenn sich der Akkumulator 1 in einem Ruhezustand befindet, in dem er nicht mit einem Verbraucherstromnetz verbunden ist. In diesem Ruhezustand kann der Akkumulator 1 an ein nicht dargestelltes Ladegerät angeschlossen sein, beispielsweise wenn ein nächtliches Aufladen eines entsprechend ausgestatteten Elektrofahrzeugs erfolgt. Zunächst wird ein einzelnes Akkumulatormodul 1-1 des Akkumulators 1 ausgewählt, für dessen Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-1-m der coulombsche Wirkungsgrad bestimmt werden soll. Die Akkumulatormodule 1-1 bis 1-n des Akkumulators 1 werden so betrieben, dass sich beim Entladen der Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-1-m der in 2 durch die Pfeile wiedergegebene Stromverlauf ergibt, wobei sich Akkumulatormodul 1-1 im aktiven Modus befindet, während sich alle anderen Akkumulatormodule 1-2 bis 1-n im Bypass-Modus befinden. Das Entladeschütz 102 ist geschlossen, so dass die Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-1-m über den Lastwiderstand 103 entladen werden können. Die Schütze 10, 11, 101 und 104 sind geöffnet. Der elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter 2-1-2 ist gesperrt. Im Akkumulatormodul 1-1 wird mit Hilfe des im Linearbetrieb arbeitenden, elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters 2-1-1 der Strom in den Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-1-m sehr genau geregelt, was möglich ist, da der zur Bestimmung des coulombschen Wirkungsgrades erforderliche Entladeteststrom sehr klein im Vergleich zum im Normalbetrieb fließenden Strom gewählt werden kann. Somit bleiben auch die Verluste im elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter 2-1-1 sehr gering.
Nachdem die Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-1-m des Akumulatormoduls 1-1 so weit wie gewünscht entladen wurden, werden die Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-1-m über das an den Punkten 100 und 105 angeschlossene Ladegerät wieder geladen, was in 3 dargestellt. In diesem Ladetestzustand des Akkumulators 1 sind die Schütze 101 und 104 geschlossen und das Entladeschütz 102 geöffnet. Die Akkumulatormodule 1-1 bis 1-n des Akkumulators 1 werden so betrieben, dass sich der in 3 dargestellte Stromverlauf ergibt. Hierbei sind alle elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter 2-1-1 bis 2-n-1 gesperrt und die elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter 2-2-2 bis 2-(n – 1)-2 auf Stromdurchlass geschaltet. Der elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter 2-n-2 wird im Linearbetrieb betrieben und regelt den elektrischen Strom im Kreis, welcher wiederum mit den im Akkumulatormodul 1-1 eingebauten, nicht gezeigten Stromsensoren oder dem externen Stromsensor 200 gemessen wird.
Die Entladung bzw. Ladung des Akkumulatormoduls 1-1 in den 2 und 3 ist lediglich exemplarisch zu sehen. Die beschriebene Stromregelung kann mit jedem der Akkumulatormodule 1-1 bis 1-n realisiert werden. Mit Hilfe der beschriebenen genauen Stromregelung bzw. -messung kann die den Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-n-m zugeführte bzw. entnommene Ladung durch einfache Integration des elektrischen Stroms über der Zeit sehr genau bestimmt werden. Die von den Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-n-m erzeugte elektrische Spannung lässt sich mit Hilfe der üblicherweise vorgesehenen Spannungsmessung ebenfalls genau ermitteln. Insgesamt sind die Voraussetzungen zur möglichst exakten Ermittlung des coulombschen Wirkungsgrades der Akkumulatorzellen 1-1-1 bis 1-n-m eines Akkumulatormoduls 1-1 bis 1-n erfüllt.

Claims

Verfahren zum Ermitteln des coulombschen Wirkungsgrades der Akkumulatorzelle (1-1-1,..., 1-n-m) oder der Akkumulatorzellen (1-1-1,..., 1n-m) von wenigstens einem zu prüfenden Akkumulatormodul (1-1, ..., 1-n) eines mindestens zwei Akkumulatormodule (1-1, ..., 1-n) aufweisenden Akkumulators (1), wobei jedes Akkumulatormodul (1-1, ..., 1-n) elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-2) aufweist, über welche zumindest die von dem Akkumulator (1) an einen Verbraucher abgebbare elektrische Energie variiert werden kann, insbesondere indem die Anzahl von zur Energieerzeugung in Reihe geschalteten Akkumulatormodulen (1-1, ..., 1-n) des Akkumulators (1) variiert wird, wobei die von der Akkumulatorzelle (1-1-1,..., 1-n-m) bzw. den Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1n-m) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) in einem Entladetestzustand des Akkumulators (1) abgegebene elektrische Ladung und die von der Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. den Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) in einem Ladetestzustand des Akkumulators (1) aufgenommene elektrische Ladung ermittelt und zur Ermittlung des coulombschen Wirkungsgrades der Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. der Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) in Verhältnis zueinander gesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Entladetestzustand und dem Ladetestzustand des Akkumulators (1) alle Akkumulatormodule (1-1, ..., 1-n), zu deren Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) nicht der coulombsche Wirkungsgrad ermittelt werden soll, mittels ihrer jeweiligen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-2) derart auf Stromdurchlass geschaltet werden, dass der in dem Entladetestzustand des Akkumulators (1) fließende Entladeteststrom und der in dem Ladetestzustand des Akkumulators (1) fließende Ladeteststrom nicht durch die Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. die Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) dieser Akkumulatormodule (1-1, ..., 1-n) fließen, wobei zumindest der durch die Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. die Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) fließende Entladeteststrom mittels wenigstens eines elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters (2-1-1, ..., 2-n-1) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) geregelt wird, wobei der Akkumulator (1) im Entladetestzustand und im Ladetestzustand von einem von dem Akkumulator (1) mit elektrischer Energie zu versorgenden Verbraucherstromnetz getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeteststrom mittels wenigstens eines elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters (2-1-2, ..., 2-n-2) eines weiteren Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladeteststrom mittels des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters (2-1-1, ..., 2-n-1) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) und der Ladeteststrom mittels des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters (2-1-2, ..., 2-n-2) des weiteren Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) derart geregelt werden, dass der Entladeteststrom betragsmäßig gleich dem Ladeteststrom ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladeteststrom mittels des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters (2-1-1, ..., 2-n-1) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) und der Ladeteststrom mittels des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters (2-1-2, ..., 2-n-2) des weiteren Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) derart geregelt werden, dass die Stärke des Entladeteststroms und dir Stärke des Ladeteststroms sehr klein im Verhältnis zum im Normalbetrieb des Akkumulators (1) fließenden elektrischen Strom sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladeteststrom und der Ladeteststrom mittels eines Stromsensors des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) und/oder mittels eines außerhalb des Akkumulators (1) angeordneten Stromsensors (200) erfasst werden.
Akkumulator (1) mit wenigstens zwei jeweils eine Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) oder Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) aufweisenden Akkumulatormodulen (1-1, ..., 1-n), wobei jedes Akkumulatormodul (1-1, ..., 1n) elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-2) aufweist, über welche zumindest die von dem Akkumulator (1) an einen Verbraucher abgebbare elektrische Energie variiert werden kann, insbesondere indem die Anzahl von zur Energieerzeugung in Reihe geschalteten Akkumulatormodulen (1-1, ..., 1-n) des Akkumulators (1) variiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (1) zur Durchführung des Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Akkumulatorsystem mit einem Akkumulator (1) und einer elektronischen Einrichtung, insbesondere zum Überwachen, Regeln und/oder Steuern des Zustandes des Akkumulators (1), wobei der Akkumulator (1) wenigstens zwei Akkumulatormodule (1-1, ..., 1-n) aufweist, wobei jedes Akkumulatormodul (1-1, ..., 1-n) wenigstens eine Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) und elektrisch ansteuerbare Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-2) aufweist, wobei die Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-2) derart über die elektronische Einrichtung ansteuerbar sind, dass die von dem Akkumulator (1) an einen Verbraucher abgebbare elektrische Energie variiert werden kann, insbesondere indem die Anzahl von zur Energieerzeugung in Reihe geschalteten Akkumulatormodulen (1-1, ..., 1-n) des Akkumulators (1) variiert wird, wobei die elektronische Einrichtung eingerichtet ist, die von der Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) oder den Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) eines zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) in einem Entladetestzustand des Akkumulators (1) abgegebene elektrische Ladung und die von der Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. den Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1n-m) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) in einem Ladetestzustand des Akkumulators (1) aufgenommene elektrische Ladung zu ermitteln und zur Ermittlung des coulombschen Wirkungsgrades der Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. der Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1n-m) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) in Verhältnis zueinander zu setzen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einrichtung eingerichtet ist, die elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-2) der Akkumulatormodule (1-1, ..., 1-n) derart anzusteuern, dass in dem Entladetestzustand und dem Ladetestzustand des Akkumulators (1) alle Akkumulatormodule (1-1, ..., 1-n), zu deren Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-nm) bzw. Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) nicht der coulombsche Wirkungsgrad ermittelt werden soll, mittels ihrer jeweiligen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-2) auf Stromdurchlass ge- schaltet werden, so dass der in dem Entladetestzustand des Akkumulators (1) fließende Entladeteststrom und der in dem Ladetestzustand des Akkumulators (1) fließende Ladeteststrom nicht durch die Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. die Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) dieser Akkumulatormodule (1-1, ..., 1-n) fließen, und dass zumindest der durch die Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. die Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1n-m) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) fließende Entladeteststrom mittels wenigstens einem elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-1) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) geregelt wird, wobei der Akkumulator (1) im Entladetestzustand und im Ladetestzustand von einem von dem Akkumulator (1) mit elektrischer Energie zu versorgenden Verbraucherstromnetz getrennt ist.
Akkumulatorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einrichtung eingerichtet ist, wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter (2-1-2, ..., 2-n-2) eines weiteren Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) derart anzusteuern, dass der Ladeteststrom mittels des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiters (2-1-2, ..., 2-n-2) des weiteren Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) regelbar ist.
Akkumulatorsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einrichtung eingerichtet ist, den wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-1) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) und den wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter (2-1-2, ..., 2-n-2) des weiteren Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) derart anzusteuern, dass der durch die Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. die Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1n-m) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) fließende Entladeteststrom betragsmäßig gleich dem Ladeteststrom ist.
Akkumulatorsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einrichtung eingerichtet ist, den wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter (2-1-1, ..., 2-n-1) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) und den wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Leistungshalbleiter (2-1-2, ..., 2-n-2) des weiteren Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) derart anzusteuern, dass die Stärke des Entladeteststroms und die Stärke des Ladeteststroms sehr klein im Verhältnis zum im Normalbetrieb des Akkumulators (1) fließenden elektrischen Strom sind.
Akkumulatorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zu prüfende Akkumulatormodul (1-1, ..., 1-n) einen Stromsensor aufweist und/oder dass ein außerhalb des Akkumulators (1) angeordneter Stromsensor (200) vorhanden ist, mittels dem bzw. denen der durch die Akkumulatorzelle (1-1-1, ..., 1-n-m) bzw. die Akkumulatorzellen (1-1-1, ..., 1-n-m) des zu prüfenden Akkumulatormoduls (1-1, ..., 1-n) fließende Entladeteststrom und Ladeteststrom erfassbar sind.