DE102017216486A1 - Elektrisches Parallelschalten einer Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern - Google Patents

Elektrisches Parallelschalten einer Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern Download PDF

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Abstract

Elektrisches Parallelschalten einer Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern eines Energiespeichersystems, wobei ein Schaltzeitpunkt in Abhängigkeit eines Innenwiderstands eines elektrischen Energiespeichers und eines maximal fließenden Stroms berechnet wird.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Parallelschalten einer Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern eines Energiespeichersystems sowie einer Verwendung des Energiespeichersystems gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • In der Elektromobilität, für Industrieanwendungen und zum Speichern von Energie werden Batteriesysteme verwendet. Diese Batteriesysteme werden vorzugsweise in handhabbaren Einheiten hergestellt, transportiert und verbaut. Ab einer bestimmten Größe sind Energiespeicher nicht mehr transportabel, auch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wird ein Batteriesystem aus mehreren Batterien aufgebaut. Diese Batterien beinhalten üblicherweise mehrere seriell und parallel geschaltete Zellen. Auch finden sich modulare Batteriesysteme, beispielsweise um einen Ausfall einzelner Batterien zu kompensieren, eine Reichweitenerhöhung oder einer Vergrößerung der Speicherfähigkeit zu erreichen, die aus mehreren Einzelbatterien zusammengestellt werden.
  • Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zum elektrischen Parallelschalten von elektrischen Energiespeichern bekannt.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass in einem Schritt a) eine jeweilige Klemmenspannung der elektrischen Energiespeicher erfasst wird; in einem Schritt b) ein elektrischer Energiespeicher der Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern mit einer höchsten Klemmenspannung der erfassten Klemmenspannungen in einen elektrischen Stromkreis des Energiespeichersystems elektrisch zugeschaltet wird, wenn noch kein elektrischer Energiespeicher zugeschaltet ist; in einem Schritt c) ein elektrischer Stromfluss durch den zugeschalteten elektrischen Energiespeicher erfasst wird; in einem Schritt d) in Abhängigkeit des gemessenen Stromfluss und/oder der Klemmenspannung ein Innenwiderstand des zugeschalteten elektrischen Energiespeicher ermittelt wird; in einem Schritt e) eine innere elektrische Spannung des zugeschalteten Energiespeichers in Abhängigkeit des gemessenen Stromfluss und des ermittelten Innenwiderstands ermittelt wird; in einem Schritt f) eine Soll-Klemmenspannung des zugeschalteten Energiespeichers in Abhängigkeit des ermittelten Innenwiderstands und eines vorgegebenen maximalen Stroms, der durch die Energiespeicher fließen darf, berechnet wird; in einem Schritt g) eine an Anschlussklemmen des Energiespeichersystems entnommene Leistung zur Reduzierung des fließenden elektrischen Stroms auf den vorgegebenen maximalen Strom in Anhängigkeit der Soll-Klemmenspannung des zugeschalten Energiespeichers reduziert wird; in einem Schritt h) ein Schaltzeitpunkt zum elektrischen Parallelschalten des elektrischen Energiespeichers in Abhängigkeit einer vorgegebenen Spannungsdifferenz zwischen der fortlaufend erfassten Klemmenspannung und einer Soll-Klemmenspannung des weiteren Energiespeichers, und in Abhängigkeit von Latenzzeiten des Energiespeichersystems berechnet wird; und in einem Schritt i) der weitere elektrische Energiespeicher in den elektrischen Stromkreis des Energiespeichersystems zu dem berechneten Schaltzeitpunkt zugeschaltet wird.
  • Durch das erfindungsgemäße elektrische Parallelschalten einer Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern eines Energiespeichersystems zu einem in Abhängigkeit eines Innenwiderstands eines der Energiespeicher berechneten Schaltzeitpunkts wird eine Reduktion einer Schaltlast gegenüber dem Stand der Technik erreicht. Weiter wird eine notwendige Stromabsenkung zum Zeitpunkt des Parallelschaltens zeitlich verkürzt und vom notwendigen Wert verringert.
  • Die Schritte a) bis g) können in alternativen Reihenfolgen, zumindest teilweise parallel und/oder fortlaufend ausgeführt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Vorteilhafterweise umfasst ein Energiespeichersystem eine Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern, mindestens einen Spannungssensor, mindestens einen Stromsensor, mindestens einen elektrischen und/oder elektromechanischen Schalter zum Zu- oder Abschalten der elektrischen Energiespeichers zu oder von einem Stromkreis des Energiespeichersystems, mindestens zwei Anschlusspole zum elektrischen und/oder elektromechanischen Kontaktieren des Stromkreis des Energiespeichersystems sowie ein Steuergerät zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum elektrischen Parallelschalten einer Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern des Energiespeichersystems.
  • Vorteilhafterweise kommunizieren der mindestens eine Spannungssensor, der mindestens eine Stromsensor, der mindestens eine elektrische und/oder elektromechanische Schalter sowie das Steuergerät kabelgebunden und/oder kabellos.
  • Vorteilhafterweise wird das 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.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems; und
    • 2 eine schematische Darstellung von Spannungsverläufen von Energiespeichern des Energiespeichersystems;
    • 3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Parallelschaltens.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems. Das elektrische Energiespeichersystem 100 umfasst eine Mehrzahl an elektrischen Energiespeichern B1, B2, ein Steuergerät 101, beispielsweise eine elektronische Schaltung für ein Batteriemanagementsystem, eine Mehrzahl an Schaltern, beispielsweise 102(a), 102(b), 102(c) zum elektrischen Kontaktieren oder Trennen der Energiespeicher B1, B2 von einem Stromkreis des Energiespeichersystems 100, Spannungssensoren 105, 106, Stromsensoren, beispielsweise 107, 108, 109 sowie Anschlusspolen 104(a), 104(b) zum elektrischen oder elektromechanischen Kontaktieren des Energiespeichersystem 100, beispielsweise mit einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs.
  • Werden die Schalter 102(a) und 102(c) geschlossen, so ist der Energiespeicher B1 mit einem Stromkreis zwischen den Anschlusspolen 104(a), 104(b) des Energiespeichersystems 100 elektrisch verbunden. Wird der Schalter 102(b) geschlossen, so ist der Energiespeicher B2 elektrisch parallel zu dem Energiespeicher B1 in den Stromkreis geschaltet.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform entfallen der Schalter 102(a) sowie der Stromsensor 109 im Vergleich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform.
  • Beim Parallelschalten von elektrischen Energiespeicher über eine Schalteinrichtung entsteht ein Ausgleichsstrom. Ist ein Spannungsniveau der Energiespeicher stark unterschiedlich, können sehr hohe Ausgleichströme fließen, die zu einer Zerstörung der Schalteinrichtung, von Verbindungstechnik oder dem Energiespeicher führen. Aus diesem Grund werden Energiespeichersysteme vor einem Zusammenschalten auf eine gleiche Spannung gebracht. In Energiespeichersystemen mit mehreren dynamisch zuschaltbaren Energiespeichern wird hierzu beispielsweise ein erster Energiespeicher mit einer höchsten Spannung eingeschaltet und das Energiespeichersystem betrieben, wodurch der Energiespeicher zu einer bestimmten Spannung entladen wird. Ein zweiter Energiespeicher weist einen geringeren Ladezustand und eine geringere elektrische Spannung auf. Erreicht nun die elektrische Spannung des zugeschalteten ersten Energiespeichers die elektrische Spannung des zweiten Energiespeichers, kann der zweite Energiespeicher zu geschaltet werden. Zum Schutz von Schalteinrichtungen kann ein Zuschalten einer und weiterer Energiespeicher nur bis zu einem vorgegebenen Strom durchgeführt werden, beispielsweise 10 Ampere. Energiespeicher, die in leichten Elektrofahrzeugen verwendet werden, können beispielsweise Ströme in einem Bereich von 100 bis 200 Ampere liefern. Ein Zuschalten weiterer Energiespeicher bei diesen Strömen darf nicht erfolgen, da die Schalteinrichtungen Schaden nehmen können. Zum Schalten muss der Entladestrom für eine kurze Zeit reduziert werden, dies kann durch Informationen des Energiespeichersystems an einen Strom beziehenden Verbraucher, beispielsweise ein Antriebssystem und/oder ein Fahrzeugsteuergerät, kabelgebunden und/oder kabellos erfolgen. In einer weiteren Ausgestaltung wird aus der Fahrdynamik des Fahrzeuges der ideale Zeitpunkt der Stromreduktion ermittelt. Bei großen Strömen tritt am Innenwiderstand der Energiespeicher ein Spannungsabfall auf, der in Näherung proportional zum fließenden elektrischen Strom ist, beispielsweise ist die Klemmenspannung um 3 Volt geringer als die innere Spannung des Energiespeichers, wenn der Innenwiderstand 30 Milliohm und der Strom 100 Ampere betragen. Bei einem Stromfluss von 0 Ampere entspricht die Klemmenspannung näherungsweise der inneren Spannung des Energiespeichers.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung von Spannungsverläufen von Energiespeichern des Energiespeichersystems.
  • Eine elektrische Klemmenspannung UK,B1 , beispielsweise 42 Volt, eines Energiespeichers B1 des Energiespeichersystems ist höher als eine elektrische Klemmenspannung UK,B2 , beispielsweise 40 Volt, eines Energiespeichers B2. Zu einem Zeitpunkt t1 wird der Energiespeicher B1 in einen Stromkreis des Energiespeichersystems elektrisch geschaltet, wodurch eine externe Last den Energiespeicher entlädt, beispielsweise mit einem Entladestrom von 100 Ampere, wodurch die Klemmenspannung UK, B1 , sinkt.
  • Der Energiespeicher B2 weist einen geringeren Ladezustand auf und kann nicht zu dem Energiespeichersystem zugeschaltet werden, da in diesem Fall sehr hohe Ausgleichströme fließen.
  • Vorgabe für das parallele Zuschalten von Energiespeichern sind beispielsweise ein maximaler Spannungsunterschied von 1 Volt zwischen Klemmenspannung UK und innerer Spannung Ui des elektrischen Energiespeichers B1, B2 und ein maximaler Strom Imax von 10 Ampere je Energiespeicher B1, B2.
  • Zu einem Zeitpunkt t2 weist der Energiespeicher B1 eine Klemmenspannung UK,B1 auf, die im Wesentlichen identisch mit der Klemmenspannung UK,B2 ist.
  • Der Energiespeicher B2 kann nicht zu dem Energiespeichersystem zugeschaltet werden, da in diesem Fall weiterhin hohe Ausgleichströme fließen, da der entnommene Ladestrom, beispielsweise 100 Ampere, auf beide Energiespeicher verteilt wird und über der Vorgabe des maximalen Stroms liegt.
  • Die Klemmenspannung UK,B1 sinkt weiter und weist zu einem Zeitpunkt t3 einen Wert von beispielsweise 38,3 Volt auf, die innere Spannung Ui beträgt beispielsweise 41,3 Volt. Dies ist der ideale Zeitpunkt zu Zuschalten von Energiespeicher B2. Es wird der Entladestrom reduziert, wodurch die Klemmenspannung UK,B1 wieder steigt. Zu einem Zeitpunkt t5 kann der Energiespeicher B2 elektrisch parallelgeschaltet werden. Da das Energiespeichersystem Latenzzeiten, beispielsweise Signallaufzeiten oder Schaltzeitverluste von 10 bis 50 Millisekunden aufweist, wird ein Schaltzeitpunkt t4 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren berechnet, so dass sichergestellt ist, dass zu dem Zeitpunkt t5 die Energiespeicher elektrisch parallelgeschaltet sind.
  • 3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Parallelschaltens. In einem Schritt S300 wird eine jeweilige Klemmenspannung UK der elektrischen Energiespeicher B1, B2 mittels zumindest eines Spannungssensors erfasst.
  • In Schritt S301 wir geprüft, ob ein elektrischer Energiespeicher B1, B2 in einen Stromkreis des Energiespeichersystems zugeschaltet ist. Wenn noch kein elektrischer Energiespeicher B1, B2 in den Stromkreis des Energiespeichersystems zugeschaltet ist, wird ein elektrischer Energiespeicher der Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern B1, B2 mit einer höchsten Klemmenspannung UK,max der erfassten Klemmenspannungen UK in einem Schritt S302 in den elektrischen Stromkreis des Energiespeichersystems zugeschaltet.
  • In Schritt S303 wird ein elektrischer Stromfluss I durch den zugeschalteten elektrischen Energiespeicher mittels eines Stromsensor erfasst.
  • In Schritt S304 wird ein Innenwiderstand Ri des zugeschalteten elektrischen Energiespeichers in Abhängigkeit des gemessenen Stromfluss I und/oder der Klemmenspannung UK ermittelt.
  • In Schritt S305 wird eine innere elektrische Spannung Ui des zugeschalteten Energiespeichers in Abhängigkeit des gemessenen Stromfluss I und des ermittelten Innenwiderstands Ri ermittelt.
  • In Schritt S306 wird eine Soll-Klemmenspannung UK1,soll des zugeschalteten Energiespeichers in Abhängigkeit des ermittelten Innenwiderstands Ri und eines vorgegebenen maximalen Stroms Imax berechnet, der durch die Energiespeicher (B1, B2) fließen darf.
  • In Schritt S307 wird eine an Anschlussklemmen des Energiespeichersystems entnommenen Leistung zur Reduzierung des fließenden elektrischen Stroms I auf den vorgegebenen maximalen Strom Imax in Abhängigkeit der Soll-Klemmenspannung UK1,soll des zugeschalteten Energiespeichers reduziert.
  • In Schritt S308 wird ein Schaltzeitpunkt zum elektrischen Parallelschalten des weiteren elektrischen Energiespeichers in Abhängigkeit einer vorgegebenen Spannungsdifferenz zwischen der fortlaufend erfassten Klemmenspannung UK und einer Soll-Klemmenspannung UK2,soll des weiteren Energiespeichers, und von Latenzzeiten des Energiespeichersystems.
  • In Schritt S309 wird geprüft, ob der Schaltzeitpunkt erreicht ist um in Schritt S310 den weiteren elektrischen Energiespeicher in den elektrischen Stromkreis des Energiespeichersystems parallel zu dem elektrischen Energiespeicher zu schalten.

Claims (4)

  1. Elektrisches Parallelschalten einer Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern (B1, B2) eines Energiespeichersystems (100), umfassend folgende Schritte: a) Erfassen einer jeweiligen Klemmenspannung (UK) (S300) der elektrischen Energiespeicher (B1, B2); b) Elektrisches Zuschalten eines elektrischen Energiespeichers (B1) (S302) der Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern (B1, B2) mit einer höchsten Klemmenspannung (UK,max) der erfassten Klemmenspannungen (UK) in einem elektrischen Stromkreis des Energiespeichersystems (100), wenn noch kein elektrischer Energiespeicher (B1, B2) zugeschaltet ist; c) Erfassen ein elektrischer Stromfluss (I) (S303) durch den zugeschalteten elektrischen Energiespeicher (B1); d) Ermitteln eines Innenwiderstands (Ri) (S304) des zugeschalteten elektrischen Energiespeichers (B1) in Abhängigkeit des gemessenen Stromfluss (I) und/oder der Klemmenspannung (UK); e) Ermitteln einer inneren elektrischen Spannung (Ui) (S305) des zugeschalteten Energiespeichers (B1) in Abhängigkeit des gemessenen Stromfluss (I) und des ermittelten Innenwiderstands (Ri); f) Berechnen einer Soll-Klemmenspannung (UK1,soll) (S306) des zugeschalteten Energiespeichers (B1) in Abhängigkeit des ermittelten Innenwiderstands (Ri) und eines vorgegebenen maximalen Stroms (Imax), der durch die Energiespeicher (B1, B2) fließen darf; g) Reduzieren einer an Anschlussklemmen des Energiespeichersystems (100) entnommenen Leistung (S307) zur Reduzierung des fließenden elektrischen Stroms (I) auf den vorgegebenen maximalen Strom (Imax) in Abhängigkeit der Soll-Klemmenspannung (UK1,soll) des zugeschalteten Energiespeichers (B1); h) Berechnen eines Schaltzeitpunkt (S308) zum elektrischen Parallelschalten des weiteren elektrischen Energiespeichers (B2) in Abhängigkeit einer vorgegebenen Spannungsdifferenz zwischen der fortlaufend erfassten Klemmenspannung (UK) und einer Soll-Klemmenspannung (UK2,soll) des weiteren Energiespeichers (B2), und von Latenzzeiten des Energiespeichersystems (100); i) Paralleles Zuschalten (S310) des weiteren elektrischen Energiespeichers (B2) in den elektrischen Stromkreis des Energiespeichersystems (100) zu dem berechneten Schaltzeitpunkt (t4).
  2. Energiespeichersystem (100) mit einer Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern (B1, B2), mindestens einem Spannungssensor (105, 106), mindestens einem Stromsensor (107, 108, 109), mindestens einem elektrischen und/oder elektromechanischen Schalter (102(a), 102(b), 102(c)) zum Zu- oder Abschalten der elektrischen Energiespeicher (B1, B2) zu oder von einem Stromkreis des Energiespeichersystems (100), mindestens zwei Anschlusspolen (104(a), 104(b)) zum elektrischen und/oder elektromechanischen Kontaktieren des Stromkreis des Energiespeichersystems (100) sowie einem Steuergerät (101) zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1.
  3. Energiespeichersystem (100) nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Spannungssensor (105, 106), der mindestens eine Stromsensor (105, 106, 107), der mindestens eine elektrische und/oder elektromechanische Schalter (102(a), 102(b), 102(c)) sowie das Steuergerät (101) kabelgebunden und/oder kabellos kommunizieren.
  4. Verwendung eines Energiespeichersystems (100) gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3 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.
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