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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung eines maximalen elektrischen Stroms, der einem elektrochemischen Energiespeichersystems mit zumindest zwei elektrochemischen Energiespeichern zugeführt und/oder entnommen werden kann, einem elektrochemischen Energiespeichersystem sowie einer Verwendung des elektrochemischen Energiespeichersystems.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Berechnung eines maximal zulässigen elektrischen Stroms für elektrochemische Energiespeichersysteme bekannt, bei denen jedoch nur geringe Ausgleichsströme und Temperaturunterschiede innerhalb des Energiespeichersystems berücksichtigt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Innenwiderstand des ersten Energiespeichers anhand eines mittels einer erfassten elektrischen Spannung des ersten Energiespeichers ermittelten Ladezustands und einer erfassten Temperatur des ersten Energiespeichers bestimmt wird, ein Innenwiderstand des zweiten Energiespeichers anhand eines mittels einer erfassten elektrischen Spannung des zweiten Energiespeichers ermittelten Ladezustands und einer erfassten Temperatur des zweiten Energiespeichers bestimmt wird, der erwartete elektrische Ausgleichsstrom beim Zuschalten der beiden Energiespeicher durch Division einer Spannungsdifferenz der erfassten elektrischen Spannungen durch eine Addition der bestimmten Innenwiderstände ermittelt wird, ein Korrekturfaktor mittels eines mehrdimensionalen Kennlinienfelds in Abhängigkeit der erfassten Temperatur des ersten Energiespeichers und/oder der erfassten Temperatur des zweiten Energiespeichers und/oder zumindest eine vorgegebene Parameter ermittelt wird, der maximale Strom durch Multiplikation des geringeren Endladestroms von erfassten Endladeströmen des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers mit dem ermittelten Korrekturfaktor und anschließender Subtraktion des erwarteten elektrischen Ausgleichstroms beim Zuschalten der beiden Energiespeicher in Abhängigkeit von zumindest einer Umgebungsbedingung bestimmt wird.
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Dadurch kann auf einfache Weise und mit einem im Vergleich zum Stand der Technik geringen Rechenaufwand der maximale elektrische Strom, der einem elektrochemischen Energiespeichersystem mit zumindest zwei elektrochemischen Energiespeichern zugeführt und/oder entnommen werden kann, bestimmt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt weiter nur eine geringe Anzahl von Eingangsparametern, wodurch eine Anzahl von Sensoren in dem elektrochemischen Energiespeichersystem gering gehalten werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine kritische Spannungsdifferenz zwischen den beiden Energiespeichern wird durch Auswahl einer kleineren Spannungsdifferenz einer ersten und zweiten Spannungsdifferenz bestimmt, wobei die erste Spannungsdifferenz mittels eines Kennlinienfelds anhand einer maximalen Temperatur der erfassten Temperaturen des ersten Energiespeichers und/oder zweiten Energiespeichers ermittelt wird und die zweite Spannungsdifferenz mittels eines Kennlinienfelds anhand einer minimalen Temperatur der erfassten Temperaturen des ersten Energiespeichers und/oder zweiten Energiespeichers ermittelt wird.
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Die kritische Spannungsdifferenz ist eine Umgebungsbedingung zur Bestimmung des maximalen Stroms, der einem elektrochemischen Energiespeichersystem mit zumindest zwei elektrochemischen Energiespeichern zugeführt und/oder entnommen werden kann. Dadurch kann ein erwarteter elektrischer Ausgleichstrom beim Zuschalten der beiden Energiespeicher von dem maximalen Strom subtrahiert werden, wodurch Abweichungen zwischen der Bestimmung des maximalen elektrischen Stroms und einem realen Verhalten des elektrochemischen Energiespeichersystems minimiert werden können.
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Ein elektrochemisches Energiespeichersystem umfasst mindestens zwei elektrochemische Energiespeicher, mindestens einen Spannungssensor, mindestens einen Stromsensor, mindestens einen Temperatursensor sowie ein Steuergerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines maximal elektrischen Stroms, der dem elektrochemischen Energiespeichersystem mit zumindest zwei elektrochemischen Energiespeichern zugeführt und/oder entnommen werden kann.
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Dadurch sind im Vergleich zum Stand der Technik eine Bestimmung des maximalen Stroms mit einer geringen Anzahl von Bauteilen und eine Einhaltung von sicherheitsrelevanten Vorgaben möglich.
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Vorteilhafterweise umfasst zumindest einer der elektrochemischen Energiespeicher des elektrochemischen Energiespeichersystems mindestens eine Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel, Lithium-Luft-, Lithium-Polymer-Zelle, eine Nickel-Metallhydrid-, Blei-Säure-Batterie, einen Kondensator und/oder eine Feststoffelektrolyt-Batterie.
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Vorteilhafterweise wird das elektrochemische Energiespeichersystem in Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen, Plug-In-Hybridfahrzeugen, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie verwendet.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems; und
- 2 ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines maximalen elektrischen Stroms; und
- 3 ein Blockschema einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines maximalen elektrischen Stroms; und
- 4 ein Diagramm zur Darstellung einer erfindungsgemäßen Berechnungsmethode eines Faktors in Abhängigkeit von zwei Temperaturen; und
- 5 ein Diagramm zur Darstellung einer erfindungsgemäßen Berechnungsmethode einer Spannungsdifferenz in Abhängigkeit einer Temperatur.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems. Das elektrochemische Energiespeichersystem 100 umfasst einen ersten Energiespeicher 101 und einen zweiten Energiespeicher 102, einen ersten Stromsensor 103 und einen zweiten Stromsensor 104 zur Erfassung eines durch das elektrochemische Energiespeichersystem 100 fließenden elektrischen Strom, einen ersten Spannungssensor 105 zur Erfassung einer elektrischen Spannung des ersten Energiespeichers 101 und einem zweiten Spannungssensor 106 zur Erfassung einer elektrischen Spannung des zweiten Energiespeichers 102, einen ersten Schalter 107, einen zweiten Schalter 108 sowie einen dritten Schalter 110 zum elektrischen Zuschalten und/oder elektrischen Wegschalten mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers 101, 102 mit zwei Anschlusspolen 109a, 109b des elektrochemischen Energiespeichersystems 100, einen ersten Temperatursensor 111 und einen zweiten Temperatursensor 112 zur Erfassung einer Temperatur des ersten Energiespeichers 101 und des zweiten Energiespeichers 102, und ein Steuergerät 113 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der erste Schalter
107, der zweite Schalter
108 und/oder der dritte Schalter
110 sind beispielsweise als Relais, als MOSFET und/oder mittels Halbleiterschaltern realisiert. Durch den ersten Schalter
107, den zweiten Schalter
108 und den dritten Schalter
107,
108 sind verschiedene Schaltzustände möglich, wie in Tabelle 1 näher dargestellt.
Tabelle 1
| Schaltzustand | Schalter 107 | Schalter 108 | Schalter 110 |
| Anschlusspole 109a, 109b spannungsfrei | geöffnet | geöffnet | geöffnet |
| Erster Energiespeicher 101 mit den Anschlusspolen 109a, 109b elektrisch verbunden | geschlossen | geöffnet | geöffnet |
| Erster Energiespeicher 101 und zweiter Energiespeicher 102 mit den Anschlusspolen 109a, 109b in Parallelschaltung elektrisch verbunden | geschlossen | geöffnet | geschlossen |
| Zweiter Energiespeicher 102 mit den Anschlusspolen 109a, 109b elektrisch verbunden | geöffnet | geschlossen | geöffnet |
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In der gezeigten ersten Ausführungsform kommuniziert der erste Stromsensor 103, der zweite Stromsensor 104, der erste Spannungssensor 105, der zweite Spannungssensor 106, der erste Temperatursensor 111 und/oder der zweite Temperatursensor 112 kabellos mit dem Steuergerät 113.
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In einer alternativen Ausführungsform ist auch eine kabelgebundene Kommunikation, beispielsweise über Strommodulation, realisierbar.
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Der erste Temperatursensor 111 und/oder der zweite Temperatursensor 112 sind räumlich in und/oder an dem ersten elektrischen Energiespeicher 101 und dem zweiten elektrischen Energiespeicher 102 angeordnet.
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Dadurch ist sowohl eine Erfassung einer Temperatur durch das Steuergerät 113 mittels der Temperatursensoren 111, 112 möglich, als auch eine Erfassung von Temperaturen durch die elektrochemischen Energiespeicher 101, 102, welche die Temperaturen an das Steuergerät 113 übermitteln.
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In einer alternativen Ausführungsform sind der erste Temperatursensor 111 und/oder der zweite Temperatursensor 112 räumlich an einer elektrochemischen Zelle des ersten elektrischen Energiespeichers 101 und des zweiten elektrischen Energiespeichers 102 angeordnet.
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Dadurch ist eine besonders genaue Temperaturerfassung möglich.
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Der erste elektrochemische Energiespeicher 101 und/oder der zweite elektrochemische Energiespeicher 102 umfassen mindestens eine Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel, Lithium-Luft-, Lithium-Polymer-Zelle, eine Nickel-Metallhydrid-, Blei-Säure-Batterie, einen Kondensator und/oder eine Feststoffelektrolyt-Batterie.
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2 zeigt ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines maximalen elektrischen Stroms. In einem Verfahrensschritt S100 wird das erfindungsgemäße Verfahrung zur Bestimmung eines maximalen elektrischen Stroms, der einen elektrochemischen Energiespeichersystem 100 mit zumindest zwei elektrochemischen Energiespeichern 101, 102 zugeführt und/oder entnommen werden kann, gestartet. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn zumindest einer der beiden elektrochemischen Energiespeicher 101, 102 mittels eines der elektrischen Schalter 107, 108, 110 mit den Anschlusspolen 109a, 109b des elektrochemischen Energiespeichersystems 100 verbunden werden soll.
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In einem ersten Schritt S101a wird eine elektrische Spannung U1 des ersten Energiespeichers 101 erfasst. Dies kann beispielsweise durch den Spannungssensor 105 erfolgen. In einem zweiten Verfahrensschritt S102a wird ein Ladezustand SOC1 des ersten Energiespeichers 101 mittels der erfassten elektrischen Spannung U1 ermittelt.
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In einem Verfahrensschritt S103a wird eine Temperatur T1 des ersten Energiespeichers 101 erfasst.
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In einem Verfahrensschritt S104a wird ein Innenwiderstand Ri1 des ersten Energiespeichers anhand des ermittelten Ladezustands SOC1 und der erfassten Temperatur T1 bestimmt.
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In einem Verfahrensschritt S101b wird eine elektrische Spannung U2 des zweiten Energiespeichers 102 erfasst, beispielsweise mittels des Stromsensors 106. Anhand der erfassten elektrischen Spannung U2 des zweiten Energiespeichers 102 wird ein Ladezustand SOC2 des zweiten Energiespeichers 102 in einem Verfahrensschritt S102b ermittelt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S103b wird eine Temperatur T2 des zweiten Energiespeichers 101 erfasst.
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In einem Verfahrensschritt S104b wird ein Innenwiderstand Ri2 des zweiten Energiespeichers 102 anhand des ermittelten Ladezustands S0C2 und der erfassten Temperatur T2 bestimmt.
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In der gezeigten Ausführungsform werden die Verfahrensschritte S101a, S102a, S103a, S104a und die Verfahrensschritte S101b, S102b, S103b, S104b unabhängig voneinander ausgeführt, beispielsweise in zeitlich im Wesentlichen paralleler Ausführung.
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In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen werden die Verfahrensschritte S101a und S101b, S102a und S102b, S103a und S103b, S104a und S104b nacheinander durchgeführt oder die Verfahrensschritte S103a, S103b werden vor den Verfahrensschritten S101a, S101b ausgeführt.
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In einem Verfahrensschritt S105 wird ein erwarteter elektrischer Ausgleichsstrom la beim Zuschalten der beiden Energiespeicher 101, 102 ermittelt. Hierzu wird eine Spannungsdifferenz, beispielsweise die betragsmäßige Differenz |U1-U2| zwischen der ersten Spannung U1 und der zweiten Spannung U2, der erfassten elektrischen Spannung U1, U2 durch eine Summe der bestimmten Innenwiderstände Ri1, Ri2 geteilt.
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In dem Verfahrensschritt S106a wird ein Entladestrom Ie1 des ersten Energiespeichers 101 erfasst. In einem Verfahrensschritt S106b wird ein Entladestrom Ie2 des zweiten Energiespeichers 102 erfasst.
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In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen werden die Verfahrensschritte S106a und S106b nacheinander durchgeführt, wodurch sich am Ergebnis des Verfahrens nichts ändert.
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In einem Verfahrensschritt S107 wird mittels eines mehrdimensionalen Kennlinienfelds in Abhängigkeit der erfassten Temperatur T1 des ersten Energiespeichers 101 und/oder der erfassten Temperatur T2 des zweiten Energiespeichers 102 und/oder in Abhängigkeit von zumindest einem vorgegebenen Parameter P ein Korrekturfaktor Fk ermittelt.
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In einem Verfahrensschritt S108 wird der maximale Strom Imax durch Multiplikation eines geringeren Entladestroms lemin der erfassten Entladeströme Ie1, Ie2 des ersten Energiespeichers 101 und des zweiten Energiespeichers 102 mit dem ermittelten Korrekturfaktor Fk berechnet.
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In einem Verfahrensschritt S109 wird eine kritische Spannungsdifferenz Udk zwischen den beiden Spannungen U1, U2 der Energiespeicher
101,
102 bestimmt.
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Hierzu wird eine erste Spannungsdifferenz U1 mittels eines Kennlinienfelds anhand einer maximalen Temperatur Tmax der erfassten Temperaturen T1, T2 des der und/oder zweiten Energiespeichers 101, 102 ermittelt. Weiter wird eine zweite Spannungsdifferenz Udif2 mittels eines Kennlinienfelds anhand einer minimalen Temperatur Tmin der erfassten Temperaturen T1, T2 des ersten und/oder zweiten Energiespeichers 101, 102 ermittelt. Die kritische Spannungsdifferenz Udk wird durch Auswahl einer kleineren Spannungsdifferenz der beiden ermittelten ersten und zweiten Spannungsdifferenzen Udiff1, Udiff2 bestimmt.
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In einer alternativen Ausführungsform wird in dem Verfahrensschritt S109 in Abhängigkeit der kritischen Spannungsdifferenz Udk der erwartete elektrische Ausgleichsstrom la beim Zuschalten der beiden Energiespeicher 101, 102 von dem maximalen Strom Imax subtrahiert.
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Das Verfahren wird nach Ausführung des Verfahrensschritts S109 beendet.
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3 zeigt ein Blockschema einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines maximalen elektrischen Stroms. Die gezeigte Ausführungsform umfasst im Wesentlichen drei Funktionen F1, F2, F3. Mittels der Funktion F1 wird in Abhängigkeit einer ersten Temperatur T1 eines ersten Energiespeichers 101, einer zweiten Temperatur T2 eines zweiten Energiespeichers 102 sowie zumindest eines Parameters P ein Korrekturfaktor Fk bestimmt.
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Anhand der ersten Temperatur T1 und der zweiten Temperatur T2 wird anhand eines mehrdimensionalen Kennlinienfelds ein Faktor ermittelt, der mit einem ersten Parameter P1 addiert wird. Dieser Faktor wird von einem zweiten Parameter P2, insbesondere einer Konstanten mit dem Wert
2, subtrahiert. Das Ergebnis ist der Korrekturfaktor Fk, der in einem weiteren Schritt mit einem minimalen Endladestrom lemin von zwei erfassten Endladeströmen Ie1, Ie2 des ersten Energiespeichers
101 und des zweiten Energiespeichers
102 multipliziert wird und als ein vorläufiger maximaler Strom I'
max zur Berechnung der Funktionen F3 herangezogen wird.
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Mittels der Funktion F2 wird in Abhängigkeit einer maximalen Temperatur Tmax der Energiespeicher 101 und 102 mittels eines Kennlinienfelds eine erste Spannungsdifferenz Udiff1, sowie in Abhängigkeit einer minimalen Temperatur Tmin der Energiespeicher 101 und 102 mittels des Kennlinienfelds eine zweite Spannungsdifferenz Udiff2 ermittelt.
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Eine minimale Spannungsdifferenz Udk der ermittelten Spannungsdifferenzen Udiff1, Udiff2 geht in die Berechnung der Funktion F3 ein.
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Der maximale Strom Imax ist die Differenz des Ausgleichstroms la und des vorläufigen maximalen Stroms I'
mαx .
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4 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer erfindungsgemäßen Berechnungsmethode eines Faktors in Abhängigkeit von zwei Temperaturen. Auf einer ersten Abszissenachs ist eine Temperatur T1 des ersten Energiespeichers 101 und auf einer zweiten Abszissenachs eine zweite Temperatur T2 des zweiten Energiespeichers 102 aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist ein Faktor Fk' dargestellt.
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Aus dem Diagramm ist entnehmbar, dass bei einer geringen Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur T1 und der zweiten Temperatur T2, der Faktor Fk' einen geringeren Wert annimmt, in der gezeigten Ausführungsform einen Wert im Wesentlichen von Null.
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Je größer eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur T1 und der zweiten Temperatur T2 ist, desto größer ist der Faktor Fk', beispielsweise bei einer Temperatur T1 von 50°C und bei einer Temperatur T2 von -10°C beträgt der Faktor nahezu 1,8. Dieser Faktor geht in die Berechnung des Korrekturfaktors Fk mittels der Funktion F1 ein. Weitere Einflussgrößen, beispielsweise Leitungslängen, können mittels des Parameters P1 berücksichtigt werden.
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5 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer erfindungsgemäßen Berechnungsmethode einer Spannungsdifferenz in Abhängigkeit einer Temperatur. Auf der Abszissenachse ist eine Temperatur T eines elektrochemischen Energiespeichers 101, 102 aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist eine Spannungsdifferenz Udiff zwischen den elektrochemischen Energiespeichern 101, 102 aufgetragen. Aus dem Diagramm ist der Zusammenhang zu entnehmen, dass bei einer Temperatur zwischen 20 und 30°C eine maximale Spannungsdifferenz Udiff vorliegt. Bei wesentlich niedrigeren Temperaturen, beispielsweise unterhalb von -10°C sowie sehr hohen Temperaturen, beispielsweise über 50°C, nimmt die Spannungsdifferenz Udiff ab und erreicht ein Wert von im Wesentlichen 0 Volt. Diese Spannungsdifferenz wird zur Berechnung der kritischen Spannungsdifferenz Udk mittels der Funktion F2 verwendet.
