-
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer ersten Energiespeicherzelle und mit zumindest einer zweiten Energiespeicherzelle, wobei die erste Energiespeicherzelle und die zweite Energiespeicherzelle in Reihe miteinander verschaltet sind, und mit zumindest einer Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren.
-
Die derzeit bei Kraftfahrzeugen, welche insbesondere zumindest teilweise elektrisch betreibbar, insbesondere vollkommen elektrisch betreibbar, sind, üblichen elektrischen Energiespeicher beruhen meist auf in Reihe oder einer Kombination aus in Reihen- und Parallelschaltung geschaltete Batteriezellen. Dies rührt daher, dass die Zellspannung in der Größenordnung 1 bis 5 Volt liegt und somit für Leistungen im 10-Kilowatt-Bereich Ströme von 10.000 Ampere und mehr erforderlich wären, was zu riesigen Leitungsquerschnitten führen würde. Durch die Reihenschaltung werden in der Regel Spannungen um 400 Volt bis 1.000 Volt erreicht, sodass die Ströme deutlich verringert werden. Eine Herausforderung der Reihenschaltung liegt allerdings darin, dass die Zellen nur noch zusammen geladen und entladen werden können. Wenn zum Beispiel eine Batteriezelle aufgrund einer höheren Selbstentladungsrate, was auch als Nebenreaktion bezeichnet werden kann, einen niedrigeren Ladungszustand als die anderen Zellen hat, limitiert diese Zelle die noch zu entnehmende Ladungsmenge des gesamten Speichers. Dies liegt daran, dass, wenn diese eine Zelle entladen ist, die anderen Zellen durchaus noch weiter entladen werden könnten. Bei der Lithium-Ionen-Technik wird deswegen ein sogenanntes Balancing durchgeführt, bei dem der Ladezustand der Zellen in der Reihenschaltung einander angeglichen wird. Dabei wird insbesondere zwischen dem aktiven Balancing, bei dem die Zellen gegenseitig umgeladen werden, und dem passiven Balancing, bei dem die Zellen mit höherem Ladezustand einzeln entladen werden, unterschieden. Aufgrund der aufwendigen Elektronik und Verkabelung wird meist auf das aktive Balancing verzichtet. Beim passiven Balancing wird meist über einen Widerstand, insbesondere einen ohmschen Widerstand, und einem Schaltelement bei Bedarf die Zelle entladen. Bei dieser Methode wird die bei der Entladung der Zelle frei werdende Energie am Widerstand in Wärme umgewandelt, was zu einer hohen Belastung des ohmschen Widerstands führt und gegebenenfalls sogar eine Kühlung des ohmschen Widerstands erforderlich macht.
-
Aus der
DE 10 2013 019 759 A1 ist eine Ausgleichssteuerschaltung für eine Batteriezelle unter Verwendung einer LC-Reihenresonanzschaltung bekannt. Es wird eine Batteriezellen-Ausgleichsschaltung bereitgestellt, die ein Batteriezellenmodul, das mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen umfasst, aufweist. Ferner weist die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung eine Reihenresonanzschaltung auf, die eine Spuleneinheit und eine Kondensatoreinheit umfasst, die in Reihe geschaltet sind, um elektrische Energie zum Speichern, die aus einer entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnen wurde, und die gespeicherte elektrische Energie an eine entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern. Ferner umfasst die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung eine Schaltereinheit, die dafür eingerichtet ist, einen Rückgewinnungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die aus der entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnene elektrische Energie in der Kondensatoreinheit der Reihenresonanzschaltung zu speichern, und einen Zuführungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die gespeicherte elektrische Energie an die entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem ein verbessertes Batteriezellen-Balancing durchgeführt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Energiespeicher sowie durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer ersten Energiespeicherzelle und mit zumindest einer zweiten Energiespeicherzelle oder einer ersten logischen Energiespeicherzelle aus parallelgeschalteten Zellen und mit zumindest einer zweiten logischen Energiespeicherzelle aus parallelgeschalteten Zellen. Die erste (logische) Energiespeicherzelle und die zweite (logische) Energiespeicherzelle sind in Reihe miteinander verschaltet. Ferner weist der elektrische Energiespeicher zumindest eine erste Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung auf.
-
Im Folgenden wird der Einfachheit halber lediglich von Energiespeicherzellen gesprochen. Damit können jedoch jeweils auch logische Energiespeicherzellen gemeint sein. Als logische Energiespeicherzelle wird insbesondere eine Energiespeicherzelle angesehen, bei welcher zwei Spannungsquellen parallel zueinander verschaltet sind. Insbesondere kann eine logische Energiespeicherzelle auch mehr als zwei parallel verschaltete Spannungsquellen aufweisen.
-
Es ist vorgesehen, dass der elektrische Energiespeicher eine zweite Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung aufweist und die erste Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung parallel zu der ersten Energiespeicherzelle und die zweite Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung parallel zu der zweiten Energiespeicherzelle verschaltet sind.
-
Dadurch ist es ermöglicht, dass eine jeweilige Energiespeicherzelle separat geregelt werden kann. Dadurch kann ein verbessertes Batteriezellen-Balancing durchgeführt werden kann. Insbesondere kann ein verbessertes passives Batteriezellen-Balancing durchgeführt werden.
-
Insbesondere ist somit vorgesehen, dass der Innenwiderstand der jeweiligen Energiespeicherzelle genutzt wird, um die Verlustleistung beim Entladen der Energiespeicherzelle in das Kühlsystem des elektrischen Energiespeichers abführen zu können. Zusätzlich kann die Vorrichtung auch als Batterieheizung verwendet werden, da die Energie des Speichers, zumindest teilweise, direkt zur Erwärmung der Energiespeicherzellen genutzt werden kann. Dadurch kann beispielsweise eine Leistungssteigerung des elektrischen Energiespeichers im Temperaturbereich von zirka - 20 Grad Celsius bis 15 Grad Celsius erreicht werden.
-
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der elektrische Energiespeicher eine Vielzahl von Energiespeicherzellen aufweist, wobei Vielzahl in diesem Fall insbesondere mehr als zwei Energiespeicherzellen bedeutet, welche dann wiederum ebenfalls in Reihe verschaltet sind. Insbesondere ist dann vorgesehen, dass eine jede der Vielzahl der Energiespeicherzellen eine einzelne separate Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung aufweist. Mit anderen Worten weist jede der Energiespeicherzellen eine separate dieser Energiespeicherzelle zugewiesene Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung auf.
-
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung als Teil eines Batterie-Management-Systems ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung insbesondere über eine elektronische Recheneinrichtung des Batterie-Management-Systems regelbar beziehungsweise steuerbar.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform sind die erste Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung und die zweite Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung als elektrischer Schwingkreis mit zumindest jeweils einem Schaltelement ausgebildet. Mit anderen Worten erfolgt die Entladung der Energiespeicherzelle über einen Schwingkreis. Der Vorteil liegt darin, dass das Schaltelement nur dann schaltet, wenn der Stromfluss gleich Null ist. Damit wird das Schaltelement deutlich weniger belastet. Durch die Spannung der Energiespeicherzelle von beispielsweise 4 Volt kommt es zu einer gedämpften Schwingung des Schwingkreises, bis die Spannung innerhalb des Schwingkreises gleich der Zellspannung ist. Bei jeder Schwingung entsteht, insbesondere bei idealen Bauteilen des Schwingkreises, beim Stromfluss durch die Zelle wie gewünscht ausschließlich dort Verlustleistung. Schwingt das System nicht mehr, kann das Schaltelement wieder an die Grundposition gebracht werden, wodurch sich der Schwingkreis entlädt. Die Dimensionierung der Bauteile ermöglicht es, die Schwingfrequenz des Schwingkreises so einzustellen, dass die Energiespeicherzelle ausschließlich ohmsches Verhalten zeigt. Beispielsweise kann dann die Frequenz des Schwingkreises aus einer Impedanzmessung der Energiespeicherzelle bestimmt werden.
-
Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass der jeweilige elektrische Schwingkreis einen Kondensator und eine in Reihe dazu geschaltete Induktivität aufweist, wobei parallel zum Kondensator zumindest ein ohmscher Widerstand verschaltet ist. Dadurch ist ein einfacher elektrischer Schwingkreis gegeben, mittels welchem zuverlässig das Entladen der Energiespeicherzelle durchgeführt werden kann. Somit ist ein verbesserter Betrieb des elektrischen Energiespeichers ermöglicht.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform sind die erste Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung und die zweite Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung durch eine jeweilige Schalteinrichtung und einen jeweiligen Innenwiderstand der jeweiligen Energiespeicherzelle ausgebildet. Dadurch ist es ermöglicht, dass die Energiespeicherzelle direkt über das Schaltelement für kurze Zeit nur kurzgeschlossen wird. Da der Innenwiderstand einer insbesondere Lithium-Ionen-Zelle im Bereich von wenigen Ohm liegt, treten dabei Ströme in einer hohen Größenordnung auf, sodass das Schaltelement entsprechend robust ausgebildet sein muss. Dadurch ist es auf einfache Art und Weise ermöglicht, das Balancing für den elektrischen. Energiespeichers zu verbessern.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der elektrische Energiespeicher als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet. Insbesondere im Kraftfahrzeugbau, insbesondere bei zumindest teilweise elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugen, werden Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, um den elektrischen Energiespeicher für beispielsweise eine Motoreinheit des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Insbesondere kann dann die Lithium-Ionen-Batterie als Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Dadurch ist es ermöglicht, dass die Lithium-Ionen-Batterie auf Basis des passiven Balancings mittels der ersten Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung und der zweiten Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung verbessert betrieben werden kann.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher nach dem vorhergehenden Aspekt. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.
-
Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers nach dem vorhergehenden Aspekt. Insbesondere wird die Energiespeicherzelle des elektrischen Energiespeichers für kurze Zeit geschlossen.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des elektrischen Energiespeichers sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Kraftfahrzeugs und des Verfahrens anzusehen. Der elektrische Energiespeicher und das Kraftfahrzeug weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens ermöglichen.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers; und
- 2 eine weitere schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers.
-
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers 10. Der elektrische Energiespeicher 10 ist insbesondere für ein nicht gezeigtes Kraftfahrzeug ausgebildet. Der elektrische Energiespeicher 10 weist eine erste Energiespeicherzelle 34 und zumindest eine zweite Energiespeicherzelle 36. Die erste Energiespeicherzelle 34 und die zweite Energiespeicherzelle 36 sind insbesondere in Reihe miteinander verschaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist nur eine Energiespeicherzelle 34, 36 gezeigt, jedoch ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Energiespeicherzelle 34 und die zweite Energiespeicherzelle 36 in Reihe verschaltet sind. Ferner weist der elektrische Energiespeicher 10 eine Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung 16, 18 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jeweils nur eine Energiespeicherzelle 34, 36 und eine Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung 16, 18 gezeigt.
-
Es ist vorgesehen, dass der elektrische Energiespeicher 10 eine zweite Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung 18 aufweist und eine erste Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung 16 parallel zu der ersten Energiespeicherzelle 34 und die zweite Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung 18 parallel zu der zweiten Energiespeicherzelle 36 verschaltet sind.
-
1 zeigt insbesondere, dass die erste Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung 16 und die zweite Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung 18 durch eine jeweilige Schalteinrichtung 20 und einen jeweiligen Innenwiderstand 22 der jeweiligen Energiespeicherzelle 34, 36 ausgebildet ist. Die erste Energiespeicherzelle 34 ist insbesondere durch eine erste Spannungsquelle 12 und dem Innenwiderstand 22 und die zweite Energiespeicherzelle 36 ist insbesondere aus einer zweiten Spannungsquelle 14 und dem Innenwiderstand gebildet.
-
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Energiespeicherzelle 34, 36 direkt über die Schalteinrichtung 20 für kurze Zeit nur kurzgeschlossen wird. Da der Innenwiderstand 22, insbesondere einer als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildeten Energiespeicherzelle 34, 36 im Bereich von beispielsweise 1 Milliohm liegt, treten dabei Ströme der Größenordnung von I = 4 Volt/1 Milliohm = 4.000 Ampere auf, sodass die Schalteinrichtung 20 sehr robust ausgestaltet sein muss.
-
Insbesondere ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Energiespeicherzelle 34, 36 derart ausgebildet, dass sie als ideale Spannungsquelle 12, 14 mit dem Innenwiderstand 22 dargestellt ist.
-
2 zeigt in einer schematischen Ansicht eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers 10. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung 16 und die zweite Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung 18 als elektrischer Schwingkreis 24 mit jeweils einem Schaltelement 26 ausgebildet.
-
Der jeweilige elektrische Schwingkreis 24 weist insbesondere einen Kondensator 28 und eine in Reihe zum Kondensator 28 geschaltete Induktivität 30 auf, wobei parallel zum Kondensator 28 zumindest ein ohmscher Widerstand 32 verschaltet ist.
-
Insbesondere zeigt 2, dass die Entladung über den Schwingkreis 24 erfolgt. Der Vorteil liegt darin, dass das Schaltelement 26 nur dann schaltet, wenn der Stromfluss gleich Null ist. Damit wird das Schaltelement 26 deutlich weniger belastet.
-
Beispielsweise kann bei dem Verfahren zum Betrieb des elektrischen Energiespeichers 10 vorgesehen sein, dass vor dem Balancing das Schaltelement 26 in der Position 1 ist. Zum Entladen der Zelle geht das Schaltelement 26 in die Position 2. Durch die Spannung der Energiespeicherzelle 34, 36 von zirka 4 Volt kommt es zu einer gedämpften Schwingung des Schwingkreises 24, bis die Spannung am Kondensator 28 gleich der Zellspannung ist. Bei jeder Schwingung entsteht, bei idealen Bauteilen, beim Stromfluss durch die Energiespeicherzelle 34, 36, wie gewünscht, ausschließlich dort Verlustleistung. Schwingt das System nicht mehr, kann das Schaltelement 26 wieder in Position 1 gebracht werden und der Kondensator 28 entlädt sich über den ohmschen Widerstand 32.
-
Nach erfolgter Entladung kann erneut das Schaltelement 26 umgelegt werden und ein weiterer Balancing-Vorgang erfolgen.
-
Die Dimensionierung der Bauteile ermöglicht es, die Schwingfrequenz des Schwingkreises 24 so einzustellen, dass die Energiespeicherzelle 34,36 ausschließlich ohmsches Verhalten zeigt. Insbesondere kann die Frequenz aus einer Impedanzspektroskopie abgelesen werden.
-
Es hat sich beispielsweise bei einer Zellspannung von 4,2 Volt, einem Innenwiderstand 22 der Energiespeicherzelle 34, 36 von 1 Milliohm und einer Frequenz von 1 Kilohertz gezeigt, dass mit einer Induktivität 30 von 22 Mikrohenry, einem Kondensator 28 von einem Millifarad und einem ohmschen Widerstand 32 von 1 Ohm eine Wärme von 8,5 Milliwattsekunden am Innenwiderstand 22 der Energiespeicherzelle 12, 14 entsteht, am ohmschen Widerstand 32 hingegen 10 Milliwattsekunden pro Balancing-Vorgang. Der Vorgang selbst dauert etwa .0,11 Sekunden. Die Wärme teilt sich also in etwa zur Hälfte auf die Energiespeicherzelle 34,36 und auf den ohmschen Widerstand 32 auf, sodass der Effekt der Verlagerung der Wärme vom Balancing- oder Entladewiderstand auf den Innenwiderstand 22 der Energiespeicherzelle 34, 36 erreicht wird. Ferner wirkt sich vorteilhaft aus, dass trotz des Schwingkreisvorgangs mit Spannungen von bis zu 8 Volt am Kondensator 28 die Energiespeicherzelle 34, 36 nur eine um zirka 10 Millivolt höhere Spannung erfährt, sodass keine Gefahr der Überladung und somit Schädigung der Energiespeicherzelle 34,36 besteht.
-
Insgesamt zeigt die Erfindung einen elektrischen Energiespeicher 10 mit Schwingkreis-Balancing.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- elektrischer Energiespeicher
- 12
- erste Spannungsquelle
- 14
- zweite Spannungsquelle
- 16
- erste Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung
- 18
- zweite Energiespeicherzellen-Ausgleichsschaltung
- 20
- Schalteinrichtung
- 22
- Innenwiderstand
- 24
- Schwingkreis
- 26
- Schaltelement
- 28
- Kondensator
- 30
- Induktivität
- 32
- ohmscher Widerstand
- 34
- erste Energiespeicherzelle
- 36
- zweite Energiespeicherzelle
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013019759 A1 [0003]
