DE102018129426B3

DE102018129426B3 - Verfahren zum aktiven Ladungsausgleich in Energiespeichern

Info

Publication number: DE102018129426B3
Application number: DE102018129426.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Glasl
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2038-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Steuerung eines Energiespeichers. Der Energiespeicher weist ein oder mehrere in Serie geschaltete Module auf, wobei jedes Modul mehrere in Serie geschaltete Zellen, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, und eine steuerbare Ladungsausgleichseinrichtung, insbesondere mit einem Balancing-Widerstand, für jede Zelle aufweist. Zusätzlich ist jedes Modul ausgebildet, die Spannungen der Zellen und des Moduls zu messen und Daten mit der Ladeeinrichtung auszutauschen. Das Verfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus, die für jede Zelle eine Parameterschätzung durchgeführt wird, mit dessen Hilfe eine Funktionsgerade und eine Abweichung gegenüber einem Balancing-Pegel berechnet werden kann. Mittels des Balancing-Widerstands, die auf der Abweichung basiert, kann eine Selbstentladung der Zelle bis zum Balancing Pegel durchgeführt und eine Spannungssymmetrierung der Zellen erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aktiven Ladungsausgleich in einem Energiespeicher, eine Energiespeichervorrichtung, ein computerlesbares Speichermedium sowie eine Steuerelektronik für einen Energiespeicher, insbesondere mit Prozessoreinheit, Speicher, Interfaces etc. Hierbei handelt es sich insbesondere um Energiespeicher für Traktionsanwendungen bzw. -antriebe, wie z.B. Schienenfahrzeuge, wobei der Energiespeicher unter anderem für eine Energieeinsparung durch Speicherung der beim Bremsen rückgespeisten Energie (Rekuperation), für eine Reduktion des Netzstromes und/oder für ein Fahren ohne Oberleitung zum Einsatz kommen kann.
In dem Bereich der Traktionsanwendungen sind häufige und sehr kurze Lade- und Entladezyklen erforderlich, weshalb im Energiespeicher sogenannte Doppelschichtkondensatoren zum Einsatz kommen, die auch als Superkondensatoren (abgekürzt Supercap) oder Ultrakondensatoren bezeichnet werden. Sie zeichnen sich durch eine sehr hohe Kapazität aus und sind unempfindlich gegen häufige Lade- und Entladezyklen mit hohen Strömen. Allerdings ist die maximale Spannung einer Zelle auf wenige Volt begrenzt, so dass in einem Energiespeicher viele solcher Zellen in Serie geschaltet werden müssen.
Typische Kennwerte einer einzelnen Zelle sind z.B. eine maximal zulässige Zellspannung von 2.7 V bei einer Kapazität von 3000 F und zulässigen Lade- und Entladeströmen von 300 bis 400 A. Typischerweise ist der Energiespeicher aus vier in Serie geschalteten Modulen aufgebaut. In jedem Modul sind 48 Supercap-Zellen mit den oben genannten Daten in Serie geschaltet. Jedes Modul ist mit einer Überwachungs- und Steuerungselektronik ausgerüstet, der sogenannten Supercap-Monitoring-Unit (SMU). Sie misst und überwacht die Spannung jeder einzelnen Zelle und kann selektiv für jede Zelle einen Widerstand über einen Schalter parallel zur Zelle schalten. Die Steuerungselektronik der Module des Energiespeichers kommunizieren untereinander und mit der überlagerten Antriebssteuerung über einen CAN-Bus.
Die Eigenschaften der in Serie geschalteten Zellen unterscheiden sich bedingt durch Schwankungen in den Materialeigenschaften und der Fertigung innerhalb bestimmter Toleranzen. Dementsprechend sind die Kapazität, der Innenwiderstand und der Selbstentladungsstrom von Zelle zu Zelle verschieden. Dies führt dazu, dass die Zellen beim Laden und Entladen unterschiedliche Spannungen annehmen. Weil dabei auch die Verluste in den Zellen nicht identisch sind und zudem die Kühlungsverhältnisse abhängig vom Ort der Zelle innerhalb des Moduls nicht für alle Zellen gleich sind, erwärmen sich die Zellen unterschiedlich und nehmen verschiedene Temperaturen an.
Die Alterung der Zellen ist abhängig von der Temperatur und der Zellspannung und läuft bei höherer Temperatur und bei höherer Zellspannung rascher ab. Im Zuge der Alterung nimmt einerseits die Kapazität der Zelle ab, andererseits steigt ihr Innenwiderstand.
Wird die Zelle innerhalb einer bestimmten Zeit T mit dem Strom i(t) geladen, so ist sie am Ende des Ladevorganges mit der Ladung Q $Q = \int_{0}^{T} i (t) d t$
geladen. Alle in Serie geschalteten Zellen tragen dann wegen des identischen Ladestromes die gleiche Ladung Q. Zellen mit kleinerer Kapazität C = Q/U laden sich dabei auf eine höhere Spannung U = Q/C auf als Zellen mit höherer Kapazität. Zudem erwärmen sich bei gleichem Ladestrom Zellen mit einem höheren Innenwiderstand stärker als Zellen mit kleinerem Innenwiderstand und nehmen höhere Temperaturen an.
Mit der spannungs- und temperaturabhängigen Alterung verstärken sich beide Effekte im Laufe der Zeit. Zellen mit kleinerer Kapazität sind mit höherer Spannung beansprucht und altern rascher. Damit sinkt ihre Kapazität über die Alterung weiter und ihre Spannungsbeanspruchung steigt im Laufe der Zeit gegenüber Zellen mit höherer Ausgangskapazität immer stärker an. Ebenso erwärmen sich Zellen mit höherem Innenwiderstand stärker und altern rascher. Ihr Innenwiderstand steigt damit über die Alterung weiter an, so dass ihre Erwärmung und Temperatur gegenüber Zellen mit kleinerem Anfangs-Innenwiderstand immer stärker ansteigt. Die schwächsten Zellen (geringste Kapazität bzw. höchster Innenwiderstand) altern damit am schnellsten und bestimmen das Ende der Lebensdauer des gesamten Moduls.
Um einen zuverlässigen Betrieb über eine möglichst lange Lebensdauer zu gewährleisten, sind Maßnahmen erforderlich, um die Spannungs- und Temperaturbeanspruchung möglichst für alle Zellen gleich zu halten.
Aus dem Stand der Technik sind daher zahlreiche Verfahren zur Überwachung und Steuerung der Spannungsverteilung auf die einzelnen Zellen eines Energiespeichers bekannt. Weil die Spannung an einem Kondensator nur durch Änderung der Ladung des Kondensators möglich ist, spricht man bei derartigen Verfahren von einem „Ladungsausgleich“ (engl. „charge balance“) zwischen den Zellen.
Der gewünschte Ladungsausgleich kann auf einfache Weise mit passiven Bauteilen erreicht werden, die parallel zur Zelle geschaltet werden. Der Vorteil dieser Methoden beruht auf ihrem einfachen, robusten und zuverlässigen Aufbau. Nachteilig ist, dass ein guter Ausgleich nur erreicht wird, wenn relativ hohe Verluste und der damit einhergehende Kühlungsaufwand in Kauf genommen werden.
US 6 278 604 B1 gibt dazu eine Lösung mit einem diskreten oder in den Aufbau der Zelle integrierten Widerstand an, der parallel zur Zelle geschaltet ist und eine symmetrierende Wirkung hat. Die Wirkung beruht darauf, dass mit dem Parallelwiderstand die stationäre Spannungsaufteilung im Wesentlichen durch die Parallelwiderstände bestimmt wird und nicht mehr durch die Selbstentladung der Zellen. Das funktioniert jedoch nur, wenn der Parallelwiderstand deutlich kleiner (z.B. nur etwa 20%) ist, als der Selbstentladewiderstand der Zelle mit dem größten Selbstentladestrom.
Andere bekannte Verfahren arbeiten mit aktiven Schaltkreisen, die parallel zu den Zellen geschaltet werden und für einen Ladungsausgleich zwischen den Zellen sorgen. Dabei arbeitet jeder Schaltkreis autark von den anderen und ohne eine zentrale Steuereinheit. Dies ermöglicht einen einfachen Schaltungsaufbau sowie leichte Skalierbarkeit (Anpassung an verschiedene Zahl von in Serie geschalteten Zellen). Die Schaltungen arbeiten auf dem Spannungspotential der zugeordneten Zellen und benötigen keine Kommunikation, und damit auch keine Potentialtrennung, zu einer zentralen Steuereinheit.
WO 2011/ 012 233 A2 schlägt folgende Ansteuerung vor: Beim Überschreiten der Schwellspannung wird ein Zeitglied angesteuert, dass sicherstellt, dass der Widerstand für eine bestimmte Mindestzeit angesteuert bleibt. Damit wird verhindert, dass stets die gleichen Zellen an der oberen Spannungsgrenze arbeiten.
Im Stand der Technik wird i.a. keine übergeordnete Steuerstrategie angeben, welches Ziel durch den Ladungsausgleich erfolgen soll und wie es erreicht wird. Da die Angabe einer solchen Steuerstrategie nicht explizit genannt wird aber immer von einer Symmetrierung der Zellspannungen die Rede ist, kann man implizit davon ausgehen, dass es das Ziel der Verfahren ist, alle Zellen bei jedem Ladezustand des Energiespeichers auf die gleiche Spannung zu bringen.
Diese Strategie ist bei Anwendungen sinnvoll, bei denen sich der Ladezustand des Energiespeichers nicht häufig ändert, z.B. bei Anwendungen als unterbrechnungsfreie Spannungsversorgung.
Bei Traktionsanwendungen ändert sich der Ladezustand bei jedem Beschleunigung- und Bremsvorgang. Verfolgt man hier das Ziel alle Zellen bei jedem Ladezustand auf die gleiche Spannung zu bringen, so kommt der Ladungsausgleich nie zur Ruhe und erreicht auch nie das angestrebte Ziel.
WO 2011/ 113 580 A2 und WO 2012/ 006 115 A2 setzen sich das Ziel eine gleichmäßige Alterung der Zellen im Energiespeicher zu erreichen, um damit die Lebensdauer des Energiespeichers insgesamt zu erhöhen. Dazu werden Parameter der Zellen aus den Messdaten ermittelt, die Rückschlüsse auf ihre Alterung erlauben. Dies sind z. B. die Kapazität der Zellen und deren Serienwiderstand. Die Kapazität nimmt mit zunehmender Alterung der Zelle ab, während der Serienwiderstand steigt. Zudem kann eine Temperaturverteilung im Modul mit Temperaturfühlern erfasst werden. Mit steigender Temperatur altern die Zellen rascher.
Beide Verfahren arbeiten mit einem aktivem Widerstandsbalancing gesteuert von einer zentralen Steuerungseinheit. Dabei wird oberhalb einer einstellbaren Spannungsschwelle der Zelle Energie entzogen. Beide Veröffentlichungen geben an, diese Spannungsschwellen für jede Zelle abhängig von ihrer Kapazität, ihrem Serienwiderstand und ihrer Temperatur einzustellen. Dabei wird der Ladungsausgleich für Zellen, deren Parameter eine weiter fortgeschrittene Alterung anzeigen, derart gesteuert, dass sie im Mittel mit niedrigerer Spannung beansprucht werden. Weil Zellen mit höherer Spannung rascher altern als solche mit niedrigerer Spannung führt diese Strategie mit der Zeit zu einer gleichmäßig fortschreitenden Alterung bei allen Zellen.
EP 1 289 096 A2 beschreibt eine Batterievorrichtung zum Steuern mehrerer in Reihe geschalteter Hochenergiebatteriezellen und deren Steuerverfahren. Eine Kapazitätsanpassungsschaltung, die aus einem Widerstand R1 und einem Schaltelement S1 besteht, ist zwischen der positiven und der negativen Elektrode einer jeden Batteriezelle VB1, ..., VB4 vorgesehen und dient dazu, Potentialdifferenzen zwischen den Batteriezellen auszugleichen. Zusätzlich ist die Vorrichtung in der Lage, die Spannung jeder Batteriezelle zu messen.
Der Stand der Technik beschreibt jedoch kein Verfahren bzw. keinen konkreten Algorithmus, wie die Spannungsverteilung durch den Zellspannungsausgleich eingestellt werden soll, um eine vorzeitige oder beschleunigte Alterung des Energiespeichers zu verhindern.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ladungsausgleichsverfahren, auch Balancing-Verfahren genannt, bereitzustellen, das eine möglichst gleichmäßige Alterung aller Zellen sicherstellt. Dabei sollen die Verluste aufgrund des Ladungsausgleichs geringgehalten und eine hohe Modulspannung erreicht werden können. Des Weiteren soll das Verfahren den normalen Betrieb des Energiespeichers nicht oder kaum einschränken bzw. nicht merklich unterbrechen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren nach Anspruch 1 angegeben. Im Detail dient dieses Verfahren der Steuerung eines Energiespeichers, insbesondere mit einer Ladeeinrichtung. Der Energiespeicher weist ein oder mehrere in Serie geschaltete Module auf, wobei jedes Modul mehrere in Serie geschaltete Zellen, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, und eine steuerbare Ladungsausgleichseinrichtung, insbesondere mit einem Balancing-Widerstand, für jede Zelle aufweist. Zusätzlich ist jedes Modul ausgebildet, die Spannungen der Zellen und des Moduls zu messen und insbesondere Daten mit der Ladeeinrichtung auszutauschen. Die Ladeeinrichtung ist hierbei ausgebildet, eine Spannung für den Energiespeicher zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus, die für jede Zelle durchgeführt wird:

a) Bestimmen einer Referenz-Modulspannung als Balancing-Spannung für jedes Modul und eine für alle Zellen des Moduls gleiche Referenz-Zellspannung, die der Referenz-Modulspannung geteilt durch eine Anzahl der Zellen des Moduls entspricht;
b) Erfassen mindestens eines Messwertes einer Zellspannung von jeder Zelle (oder Messen mindestens einer Zellspannung von jeder Zelle) in Abhängigkeit von der Ist-Modulspannung und insbesondere ohne eingeschaltete Ladungsausgleichseinrichtung;
c) Bestimmen einer Funktionsgeraden für jede Zelle basierend auf dem mindestens einen Messwert;
d) Berechnen einer bei der Referenz-Modulspannung zu erwartenden Zellspannung mittels der Funktionsgeraden für jede Zelle;
e) Berechnen einer Abweichung, für jede Zelle, zwischen der zu erwartenden Zellspannung und der Referenz-Zellspannung;
f) Berechnen einer Ansteuerungsweise für die Ladungsausgleichseinrichtung jeder Zelle, die die Abweichung reduziert, insbesondere durch Berechnen und Festlegen des dafür notwendigen Balancing-Widerstands;
g) wenn die Abweichung größer als null ist, einschalten der Ladungsausgleichseinrichtung der entsprechenden Zelle gemäß der berechneten Ansteuerungsweise - ansonsten ausschalten der Ladungsausgleichseinrichtung;

Schritt b) kann mehrmals hintereinander ausgeführt werden, um mehrere Messwerte und somit eine bessere bzw. präzisere Mittelung über diese Werte zu erhalten.
Schritt c) ermöglicht z.B. die Bestimmung einer Ursprungsgeraden anhand nur eines Messwerts.
Schritt g) ist der eigentliche Ladungsausgleichsschritt einer Zelle; mit jeder Wiederholung der Rechenschritte wird die Zelle mittels der Ladungsausgleichseinrichtung ein Stück z.B. durch ein aktives Widerstandsbalancing selbstentladen bzw. die Ladung der Zelle reduziert, bis die Abweichung der Zellspannung gegenüber der Balancing-Spannung einen bestimmten Wert erreicht hat, vorzugsweise auf null gesunken ist. Allerdings existieren auch andere Formen von Ladungsausgleichseinrichtungen, die ohmische, kapazitive und/oder induktive Schaltungen aufweisen und die Ladungen einer Zelle entfernen und/oder hinzufügen bzw. reduzieren und/oder erhöhen können. So kann eine Ladungsausgleichseinrichtung mit ein oder mehrere Zellen elektrisch verbunden bzw. verbindbar sein und einen Ladungsausgleich, insbesondere in Form einer Ladungsverschiebung von einer oder mehreren Zellen (mit Abweichung > null) zu einer oder mehreren anderen Zellen (mit Abweichung < null), ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat folgende Vorteile:

- Es handelt sich im Vergleich zum Stand der Technik um keinen zeitaufwendigen Balancing-Ablauf, während dem der Fahrbetrieb unterbrochen werden muss -> das Verfahren schränkt den Betrieb des Energiespeichers nicht ein.
- Das Einschalten der Ladungsausgleichseinrichtung, insbesondere der Balancing Widerstände, ist nur erforderlich, wenn die Asymmetrie zwischen den Spannungswerten der Zellen ein bestimmtes Ausmaß übersteigt. Bei fixen Spannungsschwellen wird das Verfahren immer aktiv, sobald eine Zelle die Schwellspannung übersteigt. -> Reduzierung von Ladungsverlusten und geringere Verlustwärme bzw. Wärmeentwicklung
- im statistischen Mittel werden die Balancing Widerstände nur bei der Hälfte der Zellen eingeschaltet -> Reduzierung der Wärmeentwicklung
- Zellen mit Spannungen unterhalb des Balancing-Pegels werden über die Spannungsregelung nachgeladen -> der von den Balancing-Widerständen abzubauende Spannungshub ist niedriger.
- wesentlich kleinere Balancing-Verluste, da Balancing-Widerstände nur vergleichsweise kurz zugeschaltet werden.
- Der Balancing Pegel kann frei gewählt werden. Wird die maximale Modulspannung verwendet, so übernehmen nach abgeschlossenem Balancing die Zellen mit der größeren Kapazität bei Teilladung eine höhere Spannung -> die spannungsabhängige Alterung wirkt dann langfristig symmetrierend.

Zusätzlich zum Schritt g) wird vorzugsweise ein Schritt ausgeführt, durch den überprüft wird, ob die Abweichung kleiner als null ist. In diesem Fall ist die entsprechende Zelle nicht ausreichend aufgeladen und wird mittels der Ladeeinrichtung auf die Referenz-Zellspannung geladen. Dadurch werden sowohl Zellen mit Überspannung (Abweichung größer null) als auch Zellen mit Unterspannung (Abweichung kleiner null) angesteuert und vor einer ungleichmäßigen Alterung geschützt. Das Laden einer einzelnen Zelle oder einer Gruppe von Zellen ist mit einer entsprechenden Ladungsausgleichseinrichtung möglich. Beim Beispiel „aktives Widerstandsbalancing“ gibt es kein spezifisches Laden einzelner Zellen. Hier werden alle Zellen gemeinsam geladen, indem der Spannungsregler der Ladeeinrichtung die Gesamtspannung des Energiespeichers konstant hält, während die Ladeeinrichtung einzelner Zellen Energie entzieht. Der geregelte Lade-/entladestrom ist für alle Zellen gleich. Die Regelung sorgt aber dafür, dass der gesamte Energiespeicher auf der gewünschten Spannung geladen bleibt, auch wenn einzelen Zellen entladen oder auch untereinander umgeladen werden. Das Laden passiert für alle Zellen gleich.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Modulspannung jedes Moduls als Daten an die anderen Module übertragen wird, und die Gesamtspannung des Energiespeichers in jedem Modul als Summe der Modulspannungen berechnet wird. Dies erlaubt einen besseren Überblick über die interne Spannungsverteilung und die zur Verfügung stehende elektrische Gesamtladung. Des Weiteren ermöglicht dies eine Symmetrierung der Spannung zwischen den Modulen. Beispielsweise kann die Referenz-Zellspannung auch auf die Spannung des gesamten Energiespeichers bezogen werden, d.h. das Verfahren arbeitet dann nicht Modul für Modul, sondern für alle Zellen im Energiespeicher und symmetriert sie bei der maximalen Gesamtspannung des Energiespeichers. Diese Vorgangsweise ist sinnvoll, wenn alle Module den gleichen Alterungszustand haben und damit symmetrische Verhältnisse im gesamten Energiespeicher vorliegen. Wenn ein einzelnes Modul getauscht wird und dann unterschiedlich gealterte Module im Energiespeicher verbaut sind, ist eine unsymmetrische Spannungsverteilung auf die Module sinnvoll.
Um die gesuchte Funktionsgerade zu berechnen, die das Ladeverhalten der Zelle am besten beschreibt, wird als die Referenz-Modulspannung vorzugsweise die maximal zulässige Modulspannung des jeweiligen Moduls gewählt. Nach abgeschlossenem Balancing übernehmen die Zellen mit der größeren Kapazität bei Teilladung eine höhere Spannung. Dadurch wirkt die spannungsabhängige Alterung längerfristig symmetrierend.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Referenz-Modulspannung der maximal zulässigen Spannung des Energiespeichers geteilt durch die Anzahl der in Serie geschalteten Module entspricht. Dann nehmen die Zellen aller Module bei der maximalen Ladespannung des Energiespeichers die gleiche Spannung an. Über die Wahl des Balancing-Pegels kann die Spannungsverteilung zwischen den Modulen gesteuert werden. Dies ist sinnvoll, wenn nicht alle Module im Energiespeicher den gleichen Alterungszustand haben, z.B. beim Austausch eines Moduls nach einiger Zeit. Dann ist es sinnvoll, zwischen den Modulen eine unsymmetrische Spannungsaufteilung zuzulassen. Vorzugsweise wird die Funktionsgerade mittels eines Recursive Least Square (RLS) Algorithmus berechnet. Dieser rekursive Algorithmus ist einfach zu implementieren und bedarf einer geringen Computer- bzw. Rechenkraft im Vergleich zu anderen Algorithmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfahren erst nach einer bestimmten Änderung der Ist-Modulspannung ausgeführt. Dadurch können negative Einflüsse wie z.B. Messrauschen herausgefiltert werden. Insbesondere das Bestimmen der Funktionsgeraden, z.B. durch einen RLS Algorithmus, wird nur ausgeführt, wenn sich die Modulspannung gegenüber dem letzten Messwert ausreichend stark verändert hat, also wenn der Energiespeicher geladen oder entladen wird. Gleichzeitig wird der Ladungsausgleich nur ausgeführt, wenn die Funktionsgerade bestimmt wurde.
Vorzugsweise wird die Ladungsausgleichseinrichtung mittels eines PI-Reglers und eines PWM-Signals angesteuert. Das PWM-Signal schaltet dabei einen bestimmten Widerstand für eine bestimmte Zeit parallel zu einer Zelle. Der Wert des Widerstandes kann dann nicht verändert werden. Es ist aber möglich, die Dauer des Ein- und Ausschaltens zeitlich über die nächste Abtastperiode und somit den mittleren bzw. effektiven Widerstandswert zu variieren (Pulsbreitenmodulation). Dieser Schritt ist Teil oder wird auch als „aktives Widerstandsbalancing“ bezeichnet.
Falls nicht alle Zellspannungen eines Moduls gleichzeitig abgetastet bzw. gemessen werden können, erfolgt dies zeitlich versetzt. Um die hieraus entstehenden Spannungsdifferenzen kleinzuhalten, ist der Verfahrensschritt - Messen mindestens einer Zellspannung, für jede Zelle, in Abhängigkeit von der Ist-Modulspannung - durch folgende Schritte vorzugsweise gekennzeichnet:

- Bestimmen einer Messzeitdauer, insbesondere von 20ms;
- Bestimmen mehrerer Teilmengen von Zellen für jedes Modul, insbesondere von 6 Zellen je Teilmenge, bis jede Zelle eines Moduls einer der Teilmengen zugeordnet ist;
- Gleichzeitiges Messen der Zellspannungen aus einer der Teilmengen; und
- Wiederholen des Messens innerhalb der Messzeitdauer, bis alle Teilmengen gemessen wurden.

Der Verfahrensschritt - Bestimmen einer Funktionsgeraden für jede Zelle basierend auf dem mindestens einen Messwert - kann durch folgende Schritte gekennzeichnet sein, um die Funktionsgerade schneller und/oder genauer zu bestimmen:

- Bestimmen einer bereits gespeicherten und/oder berechneten Funktionsgerade als ursprüngliche Gerade; und
- Berechnen einer neuen Funktionsgeraden basierend auf dem mindestens einen Messwert und der ursprünglichen Geraden.

Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls einen computerlesbaren Speicher nach Anspruch 11 und eine Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 12 bereit.
Der computerlesbare Speicher weist Instruktionen zur Ausführung auf einer Prozessoreinheit auf, wobei die Instruktionen dazu angepasst sind, beim Ausführen die Prozessoreinheit zu veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, durchzuführen.
Die Energiespeichervorrichtung weist einen Energiespeicher auf, wobei der Energiespeicher ein oder mehrere in Serie geschaltete Module aufweist, wobei jedes Modul mehrere in Serie geschaltete Zellen, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, und eine steuerbare Ladungsausgleichseinrichtung, insbesondere mit einem Balancing-Widerstand, für jede Zelle aufweist, und jedes Modul ausgebildet ist, die Spannungen der Zellen und des Moduls zu messen und Daten mit einer Ladeeinrichtung auszutauschen. Dabei ist die Energiespeichervorrichtung ausgebildet, vorzugsweise mittels eines Mikrocontrollers eines Moduls, das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, durchzuführen.
Ebenso bezieht sich die Erfindung auf eine Steuerelektronik für ein Energiespeichermodul, wobei das Modul mehrere in Serie geschaltete Zellen, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, und eine steuerbare Ladungsausgleichseinrichtung, insbesondere mit einem Balancing-Widerstand, für jede Zelle aufweist, und die Steuerelektronik ausgebildet ist, die Spannungen der Zellen und des Moduls zu messen und die Ladungsausgleicheinrichtungen zu steuern. Dabei ist die Steuerelektronik ausgebildet, das Modul derart anzusteuern, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchgeführt wird
Die nachfolgend beschriebenen Figuren beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens als auch der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung, wobei diese Figuren nicht als Einschränkung, sondern im Wesentlichen der Veranschaulichung der Erfindung und ihrer Vorteile gegenüber bekannten Verfahren dienen. Elemente aus unterschiedlichen Figuren, aber mit denselben Bezugszeichen sind identisch; daher ist die Beschreibung eines Elements aus einer Figur für gleichbezeichnete bzw. gleichnummerierte Elemente aus anderen Figuren auch gültig.
Es zeigen

1 ein Systemschaltbild einer Energiespeichervorrichtung mit einem Energiespeicher und einer Ladeeinrichtung;
2 ein Ersatzschaltbild einer SuperCap-Zelle;
3 ein Ersatzschaltbild einer Serienschaltung von n Zellen;
4 ein Spannungsdiagramm von Zellen - die Zellspannungen abhängig von der Modulspannung -, wobei die Spannungsgeraden durch Balancing-Widerstände verschoben werden;
5 ein Spannungsdiagramm von Zellen - die Zellspannungen abhängig von der Zeit -, wobei Entladungsvorgänge mittels eingeschalteter Balancing-Widerstände erfolgen;
6 ein Spannungsdiagramm von Zellen - die Zellspannungen abhängig von der Zeit -, wobei Balancing-Vorgänge erfolgen;
7 ein Spannungsdiagramm für eine Zelle - die Zellspannung abhängig von der Modulspannung -, wobei eine Regressionsgerade aus einer Vielzahl von Messwerten bestimmt wird;
8 ein Spannungsdiagramm von Zellen - die Zellspannungen abhängig von der Modulspannung -, wobei bei einer Modul-Referenzspannung alle Zellspannungen gleich sind; und
9 ein Blockschaltbild eines Balancing-Algorithmus eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, der für jede Zelle auszuführen ist.

1 zeigt ein Systemschaltbild einer Energiespeichervorrichtung 1 mit einem Energiespeicher 2 und einer Ladeeinrichtung 3. Der Energiespeicher 2 ist mit vier Modulen 4, 5, 6 und 7, wobei die Kapazität jedes Moduls aus 48 in Serie geschalteten Zellen besteht. Des Weiteren ist jedes Modul mit einer Steuerelektronikbaugruppe 8, 9, 10 und 11 (SMU für SuperCap-MonitoringUnit) ausgestattet. Die SMU beschreibt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuerelektronik. Jede SMU 8, 9, 10 und 11 enthält einen Mikrocontroller, der das Balancing-Verfahren innerhalb des entsprechenden Moduls 4, 5, 6, 7 steuert. Die SMU erfasst die Teilspannungen aller 48 Zellen und kann parallel zu jeder Zelle selektiv einen Symmetrierwiderstand (nicht dargestellt) zu- oder wegschalten. Durch die geeignete Ansteuerung dieser Widerstände erzielt die SMU eine symmetrische Aufteilung der Spannung auf alle Zellen, d.h. die Zellen werden symmetriert („gebalanced“). Ebenso ist der Symmetrierwiderstand als Beispiel einer Ladungsausgleichseinrichtung zu verstehen. Über einen CAN-Bus VPort-SMU 18 werden von einem VPort 12 die Statusinformationen der vier Module 4, 5, 6 und 7 gesammelt und über den CAN-Bus VPort-ASG 19 weiter an ein ASG 13 der Ladereinrichtung 3 übertragen. Zudem werden über den CAN-Bus VPort-SMU 18 auch Daten zwischen den SMUs 8, 9, 10 und 11 der Energiespeichermodule ausgetauscht. Über die CAN-Bus Verbindungen können Daten zwischen den SMUs 8, 9, 10 und 11 und dem VPort 12 bzw. untereinander ausgetauscht werden (zwischen SMUs von Modulen, die mit der gleichen Halbbrücke 14 betrieben werden und über einen CAN-Bus verbunden sind). Im Wesentlichen geht es darum, über das VPort 12 einen Maximalwert für die Spannung an das ASG 13 zu senden, der als Begrenzungswert für die Regelung der Halbbrücke 14 heranzuziehen ist. Darüber hinaus werden Daten für ein detailliertes Monitoring sowie Statusinformationen übertragen, die im Fehlerfall der Diagnose dienen. Zusätzlich weist die Ladeeinrichtung 3 verschiedene Spannungsmesser 15, 17 und Strommesser 16 auf. Das ASG 13 kann über einen weiteren CAN-Bus 20 mit der übrigen Elektronik des Antriebs- bzw. Traktionssystems verbunden sind und Daten mit dieser austauschen. Jede SMU 8, 9, 10 und 11 kann die Messwerte von zwei Temperatursensoren (nicht dargestellt) des Moduls auswerten. Die SMU überwacht die Temperatur und gibt Steuerbefehle für eine Lüftersteuerung (nicht dargestellt) und im Falle einer Übertemperatur eine entsprechende Fehlermeldung an das VPort aus (via CAN-Bus und Statusausgang). Außerdem greift die SMU 8, 9, 10 und 11 über 49 Messleitungen die Spannungen aller 48 Zellen ab. Die SMU enthält eine Messschaltung, mit der nach Abfrage der SMU 8, 9, 10 und 11 je 6 Zellspannungen gleichzeitig gemessen werden können. Durch Multiplexen der abzufragenden Zellgruppe kann die SMU 8, 9, 10 und 11 alle 48 Zellspannungen eines Moduls mit einer Zykluszeit von 10ms periodisch erfassen. Das ASG 13 regelt die Gesamtspannung des Energiespeichers 2, wobei dem Spannungsregler eine Regelung des Ladestromes unterlagert ist. Die maximale Ladespannung des Energiespeichers wird vom ASG 13 auf einen Wert begrenzt, bei dem die Zelle mit der größten Spannung noch im zulässigen Spannungsbereich betrieben wird.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer SuperCap-Zelle 31 zur Veranschaulichung. Das Modell der Zelle 31 weist neben der Kapazität C 32 einen Parallelwiderstand Rp 33 und einen Serienwiderstand Rs 34 auf. Im geladenen Zustand sinkt die Spannung zufolge von Selbstentladungseffekten mit der Zeit ab, wenn der Kondensator von der speisenden Spannungsquelle getrennt ist. Dies wird im Ersatzschaltbild durch den Parallelwiderstand 33 modelliert. Beim Laden und Entladen kommt es zu Stromwärmeverlusten im Kondensator, die im Ersatzschaltbild durch den Serienwiderstand 34, abgebildet werden. Der Serienwiderstand 34 der Zelle hat nur, bei Stromfluss während des Ladens und Entladens einen Einfluss auf die Zell-Klemmenspannung. Für die hier angestellten grundsätzlichen Überlegungen kann in guter Näherung von linearem Verhalten, d.h. konstanten Werten von der Kapazität und den Widerständen ausgegangen werden.
3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Serienschaltung 35 von n Zellen 36, 37, 38 zur Veranschaulichung eines Moduls. Die Zellparameter unterliegen fertigungs- und materialbedingt Toleranzen. Daher teilt sich die Spannung bei Serienschaltung mehrerer Zellen nicht symmetrisch auf die Zellen auf. Um den Einfluss eines Parameters deutlich herauszuarbeiten, wird angenommen, dass alle Zellen bis auf diesen Parameter völlig identisch wären. Für eine vereinfachte Analyse wird also nur jeweils einer der drei Zellparameter C, Rp, Rs als variabel angenommen. Schaltet man n Zellen mit identischer Kapazität C in Serie, die anfangs alle auf die gleiche Spannung uc geladen sind, und legt das so gebildete Modul an eine konstante Spannungsquelle der Spannung u_M=n*u_C, so bleibt die anfangs symmetrische Spannungsaufteilung wegen der unterschiedlichen Entladeströme der Zellen nicht erhalten. Die Spannung der Zellen mit dem größeren Selbstentladestrom wird sinken, und die Zellen mit kleinerem Entladestrom werden steigen. Dabei wird die Gesamtspannung des Moduls durch die externe Spannungsquelle konstant gehalten. Durch die geänderte Spannungsaufteilung in den Zellen gleichen sich die Selbstentladeströme einander an und es stellt sich ein Stationärzustand ein. Dann fließt kein Entlade- bzw. Ladestrom mehr in die Kapazitäten der Zellen und ihre Spannung bleibt konstant. Der gleich große Entladestrom i_E aller Zellen fließt dann über die Parallelwiderstände der Ersatzschaltung und wird von der externen Spannungsquelle getrieben. Aus der Beziehung $u_{j} = i_{E} R_{p j} = u_{M} \frac{R_{p j}}{R_{M}}$
geht hervor, dass sich die Zellspannungen u_j proportional zur Modulspannung u_M verhalten. Die größte Zellspannungsunsymmetrie stellt sich daher bei maximaler Modulspannung u_M ein. Weil die Selbstentladung in jeder Zelle mit der extrem langen Zeitkonstante T_E = C*R_pj erfolgt, stellt sich der durch die unterschiedlichen Selbstentladungsströme verursachte stationäre Zustand erst nach sehr langer Zeit ein (T_E = ca. 18 Tage!).
Für die Berechnung des Einflusses der Kapazitätstoleranzen auf die kurzfristige Spannungsaufteilung müssen im Ersatzschaltbild nur mehr die Kapazitäten berücksichtigt werden. Wird das Modul ausgehend von vollständig entladenen Zellen (u_j=0 für alle Zellen j) über den Stellerstrom i_C der Halbbrücke (siehe 14 aus 1) geladen, so sind alle Zellen am Ende des Ladevorganges zum Zeitpunkt t=T mit der Ladung $Q = \int_{0}^{T} i_{C} d t$
geladen. Mit Q = C*u folgt daraus für die Spannungsverteilung auf die Zellen: $u_{j} = \frac{Q}{C_{j}}, u_{M} \frac{Q}{C_{M}}$
mit der Modulkapazität C_M $C_{M} = \frac{1}{\sum_{j = 1}^{n} \frac{1}{C_{j}}}$
Die Zellspannung verhält sich reziprok zu den Zellkapazitäten. Die Zelle mit der kleinsten Kapazität hat die größte Zellspannung und die Zelle mit der größten Kapazität hat die kleinste Zellspannung. Alle Zellen werden mit dem gleichen Strom i_C geladen und tragen die gleiche Ladung Q_C . Die Zelle mit der kleinsten Kapazität hat somit die größte Zellspannung und nimmt auch die größte Energie auf. Die Zellenergie berechnet sich zu W_j = ½ C_j*u_j ². Weil die Spannung u_j ² quadratisch und die Kapazität linear eingeht, nimmt das kleinere Cj mehr Energie auf als die Zelle mit der größten Kapazität.
4 zeigt ein Spannungsdiagramm von Zellen - die Zellspannungen abhängig von der Modulspannung -, wobei die Spannungsgeraden durch Balancing-Widerstände verschoben werden. Zwischen der Modulspannung (x-Achse) und der einzelnen Zellspannung (y-Achse) besteht immer ein linearer Zusammenhang (in guter Näherung). Trägt man die Zellspannung, für jede Zelle, über der Modulspannung auf, so erhält man die entsprechenden Gerade, in diesem Fall die Ursprungsgeraden bzw. Funktionsgeraden 41, 42 und 43. Die Steigung dieser Gerade ist zufolge der Toleranzen unter den Zellen für jede Zelle unterschiedlich. Die Steigung einer Geraden ist durch die Zellkapazität bestimmt und kann durch Parallelschalten eines Balancing-Widerstandes nicht verändert werden. Mit dem Balancing-Widerstand ist es aber möglich, die Gerade parallel nach unten zu verschieben. Damit wird klar, dass das Ziel einer völlig symmetrischen Spannungsaufteilung nur bei einem bestimmten Spannungsniveau, dem Balancing-Pegel 44, erreichbar ist. Sobald die erste Gerade 41 und die zweite Gerade 42 mittels der jeweiligen Widerstände die Verschiebung 45 bzw. 46 erfahren, schneiden sich die verschobenen Geraden 41, 42, 43 im Balancing-Pegel 44, bei dem eine vollständige Spannungssymmetrierung der Zellen möglich ist.
5 und 6 zeigen zwei Wirkungsweisen von bekannten Verfahren, bei denen die Balancing-Widerstände mit Schwellwertschaltern (mit einem unveränderbaren Schwellwert) EIN und AUS geschaltet werden.
5 zeigt ein Spannungsdiagramm von Zellen - die Zellspannungen 51, 52 und 53 abhängig von der Zeit -, wobei Entladungsvorgänge mittels eingeschalteter Balancing-Widerstände erfolgen. Sie werden von einer einfachen Hardwareschaltung eingeschaltet, sobald die Zellspannung größer als der fest durch die Hardware vorgegebene Balancing-Pegel 54 ist, der bei etwa 2V Zellspannung bzw. 96V Modulspannung liegt. Unterhalb des Balancing-Pegels sind die Balancing-Widerstände aller Zellen ausgeschaltet, darüber sind alle eingeschaltet. Die symmetrierende Wirkung (=geeignetes unsymmetrisches Zu- bzw. Abschalten der Balancing Widerstände) wird nur erreicht, wenn der Ladezustand im Bereich des Balancing Pegels, insbesondere über diesem Pegel, liegt. Hierbei wird der Energiespeicher auf ein Spannungsniveau deutlich über dem Balancing-Pegel geladen und anschließend der Steller gesperrt, d.h. die Ladeeinrichtung lädt der Energiespeicher nicht weiter und es wird kein Strom vom Energiespeicher entnommen. Durch die nun eingeschalteten Balancing-Widerstände (sowie die Selbstentladung der Zellen) entladen sich die Zellen so lange, bis die erste Zelle den Balancing-Pegel unterschreitet und ihr Balancing-Widerstand ausgeschaltet wird. Da bei dieser Zelle nun nur mehr die Selbstentladung wirkt, sinkt ihre Spannung wesentlich langsamer als die Zellen mit eingeschaltetem Balancing Widerstand. So wird eine Zelle nach der anderen bis zum Balancing-Pegel entladen und die anfängliche Asymmetrie verschwindet weitgehend. 5 zeigt das Prinzip am Beispiel der Simulation des Zeitverlaufes der Zellspannungen 51, 52 und 53 von drei in Serie geschalteten Zellen. Das Verfahren funktioniert umso besser, je größer der Unterschied zwischen dem Selbstentladestrom und dem Entladestrom durch den Balancing-Widerstand ist. Der Selbstentladestrom ist nach jedem Lade-/Entladevorgang zunächst deutlich größer und sinkt bei gesperrtem Steller (Ladestrom=0) erst allmählich auf den Nominalwert (ca. 5mA) ab. Daher sollte der Balancing-Vorgang nicht zu knapp oberhalb des Balancing-Pegels gestartet werden. Damit der Vorgang gut wirkt, sollte der Selbstentladestrom in allen Zellen auf seinen Nominalwert abgeklungen sein, bevor die erste Zelle den Balancing-Pegel erreicht. Die Dauer des Balancing-Vorganges erstreckt sich je nach Größe der anfänglichen Asymmetrie viele Stunden, in 5 sind es etwa 7,5 Stunden.
6 zeigt ein Spannungsdiagramm von Zellen - die Zellspannungen 61, 62 und 63 abhängig von der Zeit -, wobei Balancing-Vorgänge in Form von Entladungs- und Aufladungsvorgängen erfolgen. Ein naheliegender Ansatz ist es, den Spannungssollwert des Cap-Stellers gleich dem Balancing-Pegel 64 einzustellen und weiterhin die Balancing-Widerstände der Zellen abhängig vom Zellspannungswert zu schalten (EIN bei u_j>u_Balance und AUS bei u_j<u_Balance). Während des Balancing-Vorganges bleibt die Spannungsregelung des Cap-Stellers aktiv und hält die Gesamtspannung des Energiespeichers konstant. Statistisch gesehen wird die Hälfte der Zellen anfangs oberhalb des Balancing-Pegels liegen und ihre Balancing-Widerstände einschalten. Ihre Spannungen sinken somit. Weil die Spannungsregelung einen Nachladestrom einstellt, um die Gesamtspannung konstant zu halten, werden alle Zellen, deren Spannung unterhalb des Balancing Pegels liegen nachgeladen. Deren Widerstände sind ausgeschaltet und ihre Spannung steigt somit. Der Vorgang ist abgeschlossen, sobald alle Zellen den Balancing Pegel erreicht haben. 6 zeigt das Prinzip am Beispiel der Simulation des Zeitverlaufes der Zellspannungen 61, 62 und 63 von drei in Serie geschalteten Zellen. Weil der Selbstentladestrom hier keine Rolle spielt (er wird durch die Regelung laufend kompensiert) ist hier nur die Spannungsdifferenz zwischen der Zelle mit max. Spannung und dem Mittelwert der Spannungen aller Zellen vom Balancingvorgang abzubauen. Daher ist der Vorgang in kürzerer Zeit abgeschlossen, er dauert immer noch lange, in 6 sind es etwa 4 Stunden.
7 zeigt ein Spannungsdiagramm für eine Zelle - die Zellspannung abhängig von der Modulspannung -, wobei eine Regressionsgerade aus einer Vielzahl von Messwerten bestimmt wird. Die in den 5 und 6 diskutierten Verfahren aus dem Stand der Technik zeigen, dass das Balancing am wirksamsten funktioniert, wenn die Spannung des Energiespeichers dem Balancing-Pegel entspricht. Als Konsequenz ergeben sich Einschränkungen im Betrieb, bzw. die Notwendigkeit, diese Voraussetzung über eine ausreichend lange Dauer innerhalb der Betriebszeit sicherzustellen. Während des Balancing Vorganges, z.B. für 7,5 Stunden oder 4 Stunden, wie in den 5 und 6 gezeigt, kann der Energiespeicher nicht für den Fahrbetrieb genutzt werden.
Die vorliegende Erfindung kommt ohne diese Einschränkungen des Betriebs aus. Sie ermöglicht es, die Parameter der Spannungsaufteilung online während des Betriebes zu identifizieren. Dadurch lässt sich während des Fahrbetriebs bei jedem der sich zyklisch ändernden Ladezustände hochrechnen, welche Spannungsaufteilung sich beim gewünschten Balancing-Pegel ergeben wird. Basierend auf der erwarteten Spannungsaufteilung beim Balancing-Pegel können dann die Balancing-Widerstände während des zyklischen Fahrbetriebes in geeigneter Weise angesteuert werden. Dazu müssen vom Mikrocontroller für jede Zelle (j=1..48) die Parameter k_j und d_j der Geradengleichung $u_{j} = k_{j} u_{M} + d_{j}$
basierend auf den Messwerten u_j und u_M geschätzt werden. Es werden alle Messwerte als Menge 66 in ein Diagramm Zellspannung über Modulspannung eingetragen und die Parameter der Regressionsgeraden 67 berechnet. Das ist die Gerade, die im Sinne einer Minimierung der Fehlerquadrate die Messwerte am besten wiedergibt. Im Mikrocontroller können die Parameter k_j und d_j mit einem einfach zu implementierenden Rekursiven Least Square (RLS) Parameterschätzer rekursiv auf Basis der Parameterschätzung des letzten Abtastschrittes und den aktuellen Messwerten berechnet werden. Dazu ist keine Speicherung der Messwerte aus der Vergangenheit erforderlich. Da sich die Regressionsgerade bzw. ihre Parameter nur sehr langsam (bedingt durch zu- und abschalten von Balancing-Widerständen) ändert, und die Parameteridentifikation in der Lage ist dieser Änderung zu folgen, kann zu jedem Zeitpunkt unabhängig vom aktuellen Ladezustand hochgerechnet werden, welche Zellspannung sich bei einer bestimmten Modulspannung U_M,Ref einstellen wird: $u_{j, r e f} = K_{j} u_{M, R e f} + d_{j}$
Mit dem hochgerechneten Zellspannungswert u_j,Ref kann zu jedem Zeitpunkt - unabhängig vom aktuellen Betriebszustand - der gewünschte Schaltzustand für den Balancing-Widerstand der Zelle bestimmt werden. Ist $u_{j, R e f} > \frac{1}{n} u_{M, R e f}$
so muss der Balancing Widerstand eingeschaltet werden, um die Gerade in Richtung niedrigerer Zellspannungen parallel zu verschieben. Wenn u_j,Ref den Sollwert 1/n * U_M,Ref (bei n Zellen pro Modul) erreicht, ist das Balancing abgeschlossen und der Balancing Widerstand wird ausgeschaltet. Wenn die Balancing-Widerstände nur zu Zeiten eingeschaltet werden, während denen der Steller Impulsfreigabe hat und eine Identifikation der Regressionsgeraden möglich ist, werden alle Zellen über den Steller nachgeladen. Dabei steigt u_j,Ref bei den Zellen, deren uj,Ref < 1/n * U_M,Ref ist, und sinkt u_j,Ref bei den Zellen u_j,Ref > 1/n * U_M,Ref ist. Das Verhalten von u_j,Ref entspricht dabei grundsätzlich den Verläufen von 6, dort ist aber direkt die Zellspannung uj und nicht die erwartete Zellspannung u_j,Ref bei der Referenzspannung U_M,Ref über der Zeit dargestellt. mEs dauert nach wie vor Stunden, bis alle Zellen symmetriert sind. Der entscheidende Unterschied ist jedoch, dass während dieser Zeit normaler Fahrbetrieb mittels der Erfindung möglich ist bzw. stattfindet. Die einzelne Zelle wechselt dabei in Fahrzyklen im Minutenbereich zyklisch zwischen minimaler Ladung und maximaler Ladung. Wegen der Prädiktion mittels der Geradengleichung wird dabei u_j,Ref beim Balancing-Pegel zu jedem Zeitpunkt berechnet. Diese Größe ändert sich über den Fahrzyklus nicht (im Gegensatz zur Zellspannung u_j ) und eignet sich daher besonders gut zur Ansteuerung der Ladeausgleichseinrichtung.
8 zeigt ein Spannungsdiagramm von Zellen - die Zellspannungen abhängig von der Modulspannung -, wobei bei einer Modul-Referenzspannung alle Zellspannungen gleich sind. Hierbei wird die Modul-Referenzspannung U_M,Ref = n*u_C,max gleich der höchstzulässigen Modulspannung gewählt. Dadurch führt das Balancing-Verfahren solange einen erfindungsgemäßen Ladungsausgleich zwischen den Zellen des Moduls aus, bis alle Zellen beim maximalen Ladezustand des Moduls die gleiche Spannung haben. Zellen mit höherer Kapazität werden dann bei kleineren Modulspannungen mit einer höheren Zellspannung beansprucht als Zellen mit niedrigerer Kapazität. Der rekursive Schätzalgorithmus funktioniert gut, solange in den Messwerten eine ausreichend starke Information über die gesuchte Gerade enthalten ist. Im stromlosen Zustand ändern sich die Modul- und Zellspannungen nicht, durch das Messrauschen ändern sich die Werte aber stets in geringem Umfang. Da in diesen Daten keine neue Information steckt, dürfen sie nicht in die Schätzung einbezogen werden, um diesen Punkt der Geraden in der Schätzung der Parameter nicht zu stark zu gewichten. Daher wird der RLS-AIgorithmus nur ausgeführt, wenn sich die Modulspannung gegenüber dem letzten Messwert ausreichend stark verändert hat, also wenn der Energiespeicher geladen oder entladen wird (seine Spannung ändert). Da nur während dieser Zeit das erforderliche Feedback des RLS-Schätzalgorithmus gegeben ist, darf auch das Balancing selbst nur in dieser Zeit durchgeführt werden.
9 zeigt ein Blockschaltbild eines Balancing-Algorithmus eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahren, wobei der Algorithmus für jede Zelle auszuführen ist. Das Verfahren soll in einer SMU (siehe 1), insbesondere mit zeitdiskreten Differenzengleichungen am Mikrocontroller einer SMU eines Moduls, implementierbar sein. Dabei werden drei unterschiedliche Abarbeitungszyklen A (100,400), B (200) und C (300) benötigt, die unterschiedliche Arbeitszeitdauern aufweisen. Es werden die folgenden Funktionen (in der Reihenfolge des Signalflusses) abgearbeitet:

Zyklus A (100), Abtastzeit TA
- - Messen aller Zellspannungen u_j (j=1 bis n) und Berechnung der Modulgesamtspannung u_M (100).
- - Aufsummieren der Messwerte (101) in Summenregistern ∫u_j dt und ∫u_M dt für die integrative Messwertauswertung (203) im langsameren Zyklus B.
Zyklus B (200), Abtastzeit T_B
- - Berechnung der Zeitlichen Mittelwerte von u_j und u_M über das vergangene Abtastintervall durch Differenzenbildung der ∫u_j dt und ∫u_M dt Werte und Multiplikation mit dem konstanten Faktor TA/TB (203).
- - Schätzung der Parameter k_j und k_d der Regressionsgeraden aus den Messwerten für alle Zellen j=1 bis n mit Hilfe des Recursive Least Square (RLS) Identifikationsverfahrens (201).
- - Berechnung der erwarteten Zellspannung u_jRef beim Balancing-Pegel (Modulspannung = uMRef) (202).
- - Aufsummieren der erwarteten Zellspannungen (210) in Summenregistern ∫u_jRef dt für die integrative Auswertung (303) im langsameren Zyklus C.
Zyklus C (300), Abtastzeit T_C
- - Berechnung der zeitlichen Mittelwerte von u_jRef über das vergangene Abtastintervall durch Differenzenbildung der ∫u_jRef dt Werte und Multiplikation mit dem konstanten Faktor T_B/T_C (303).
- - Berechnung der Regelabweichung Δ_j zwischen dem erwarteten Zellspannungswert beim Balancing-Pegel und seinem Sollwert 1/n*U_MRef (n ist die Anzahl der Zellen im Modul) (300).
- - Berechnung des Einschaltverhältnisses α_j (Aussteuerung des Balancing-Widerstandes) über einen PI-Regler mit Anti-Windup-Maßnahme (301), dessen Ausgang auf -1 < α_j < 1 begrenzt wird, insbesondere durch eine Sigmoidfunktion (302).
Zyklus A (400), Abtastzeit T_A
- - Liegt das Einschaltverhältnis α_j zwischen 0 und 1, so soll der Balancing-Widerstand zeitanteilig im Verhältnis α_j , eingeschaltet werden, d.h. bei z.B. α_j=0.5 soll der Widerstand für 50% der Zeit eingeschaltet und den Rest der Zeit ausgeschaltet werden. Dieses Einschaltverhältnis wird durch pulsen des Widerstandes (max. Schaltfrequenz = 1/20ms = 50Hz) realisiert. Dazu werden die α_j Werte aufsummiert. Sobald die Summe ∫α_j dt > = 1 ist, wird der Widerstand im nächsten 20ms Zeitintervall eingeschaltet und die Summe ∫α_j dt um den Wert 1 reduziert. Bei ∫α_j dt <1 bleibt der Widerstand ausgeschaltet.
- - Im Block 401 wird α_j auf das Intervall 0 < α_j < 1 begrenzt und Block 402 übernimmt die beschriebene Pulsung des digitalen Schaltsignales s_j am Ausgang.

Das Verfahren wurde in der Software des Mikrocontrollers der SMU eines Moduls als Energiespeicher implementiert und wurde mit einem EmCon DI1000-5AR Stromrichter als Ladeeinrichtung in einem internen Systemprüffeld erfolgreich in Betrieb genommen und getestet.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeichervorrichtung
2: Energiespeicher
3: Ladeeinrichtung (für den Energiespeicher)
4 1.: Modul
5 2.: Modul
6 3.: Modul
7 4.: Modul
8: SMU des 1. Moduls (SMU for SuperCap-MonitoringUnit)
9: SMU des 2. Moduls
10: SMU des 3. Moduls
11: SMU des 4. Moduls
12: VPort
13: ASG
14: Halbbrücke
15: Spannungsmesser
16: Strommesser
17: Spannungsmesser
18: CAN-Bus VPort-SMU
19: CAN-Bus VPort-ASG
20: CAN-Bus
31: SuperCap-Zelle bzw. Doppelschicht-, Super- oder Ultra-Kondensator
32: Kapazität
33: Parallelwiderstand
34: Serienwiderstand
35: Serienschaltung von n Zellen
361.: SuperCap-Zelle
372.: SuperCap-Zelle
383.: SuperCap-Zelle
41: Funktionsgerade einer 1. Zelle
42: Funktionsgerade einer 2. Zelle
43: Funktionsgerade einer 3. Zelle
44: Balancing-Pegel/Spannung bei einer Modulspannung
45: Parallelverschiebung der Funktionsgeraden der 1. Zelle
46: Parallelverschiebung der Funktionsgeraden der 2. Zelle
51: Entladungsverlauf einer 1. Zelle
52: Entladungsverlauf einer 2. Zelle
53: Entladungsverlauf einer 3. Zelle
54: Balancing-Pegel/Spannung
61: Entladungsverlauf einer 1. Zelle
62: Aufladungsverlauf einer 2. Zelle
63: Aufladungsverlauf einer 3. Zelle
64: Balancing-Pegel/Spannung
66: Messwerte/-punkte, als Haufen bzw. Menge
67: Regressionsgerade
71: Funktionsgerade einer 1. Zelle
72: Funktionsgerade einer 2. Zelle
73: Funktionsgerade einer 3. Zelle
74: Balancing-Pegel/Spannung bei einer Modulspannung
100: Zyklusblock A
101: Aufsummierung bzw. Integration der Messwerte
200: Zyklusblock B
201: Parameterschätzung
202: Berechnung der zu erwartenden Zellspannung
203: Integrative Messwertauswertung
210: Aufsummierung bzw. Integration der zu erwartenden Zellspannungen
300: Zyklusblock C
301: Anti-Windup-Maßnahme (des PI-Reglers)
302: Sigmoid-Begrenzung (des PI-Reglers)
303: Integrative Auswertung
400: Zyklusblock D
401: Sigmoid-Begrenzung
402: PWM-Signalerzeugung

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Energiespeichers (2), insbesondere mit einer Ladeeinrichtung, wobei der Energiespeicher (2) ein oder mehrere in Serie geschaltete Module (4; 5; 6; 7) aufweist, wobei jedes Modul mehrere in Serie geschaltete Zellen, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, und eine steuerbare Ladungsausgleichseinrichtung, insbesondere mit einem Balancing-Widerstand, für jede Zelle aufweist, und jedes Modul ausgebildet ist, die Spannungen der Zellen und des Moduls zu messen und Daten mit der Ladeeinrichtung auszutauschen, wobei die Ladeeinrichtung ausgebildet ist, eine Spannung für den Energiespeicher zur Verfügung zu stellen, das Verfahren mit folgenden Schritten: - Phase 1 a) Bestimmen einer Referenz-Modulspannung als Balancing-Spannung für jedes Modul und eine für alle Zellen des Moduls gleiche Referenz-Zellspannung, die der Referenz-Modulspannung geteilt durch eine Anzahl der Zellen des Moduls entspricht; - Phase 2 b) Erfassen mindestens eines Messwertes einer Zellspannung von jeder Zelle in Abhängigkeit von der Ist-Modulspannung und ohne eingeschaltete Ladungsausgleichseinrichtung; - Phase 3 c) Bestimmen einer Funktionsgeraden für jede Zelle basierend auf dem mindestens einen Messwert; d) Berechnen einer bei der Referenz-Modulspannung zu erwartenden Zellspannung mittels der Funktionsgeraden für jede Zelle; - Phase 4 e) Berechnen einer Abweichung, für jede Zelle, zwischen der zu erwartenden Zellspannung und der Referenz-Zellspannung; f) Berechnen einer Ansteuerungsweise für die Ladungsausgleichseinrichtung jeder Zelle, die die Abweichung reduziert, insbesondere durch Berechnen und Festlegen des dafür notwendigen Balancing-Widerstands; - Phase 5 g) wenn die Abweichung größer als null ist, einschalten der Ladungsausgleichseinrichtung der entsprechenden Zelle gemäß der berechneten Ansteuerungsweise - ansonsten ausschalten der Ladungsausgleichseinrichtung; wobei die Schritte ab Schritt b) solange nacheinander wiederholt werden, bis jede Abweichung, die größer null ist, kleiner als ein bestimmter Wert ist, wobei danach alle Ladungsausgleicheinrichtungen ausgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: h) wenn die Abweichung kleiner als null ist, laden der entsprechenden Zelle auf die Referenz-Zellspannung mittels der Ladeeinrichtung und/oder der Ladungsausgleichseinrichtung/en.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulspannung jedes Moduls als Daten an die anderen Module übertragen wird, und die Gesamtspannung des Energiespeichers in jedem Modul als Summe der Modulspannungen berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Modulspannung der maximal zulässigen Modulspannung des jeweiligen Moduls entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Modulspannung der maximal zulässigen Spannung des Energiespeichers geteilt durch die Anzahl der in Serie geschalteten Module entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsgerade mittels eines Recursive Least Square Algorithmus berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren erst nach einer bestimmten Änderung der Ist-Modulspannung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsausgleichseinrichtung mittels eines PI-Reglers und eines PWM-Signals angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Messen mindestens einer Zellenspannung, für jede Zelle, in Abhängigkeit von der Ist-Modulspannung durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: a) Bestimmen einer Messzeitdauer, insbesondere von 20ms; b) Bestimmen mehrerer Teilmengen von Zellen für jedes Modul, insbesondere von 6 Zellen je Teilmenge, bis jede Zelle eines Moduls einer der Teilmengen zugeordnet ist; c) Gleichzeitiges Messen der Zellspannungen aus einer der Teilmengen; d) Wiederholen des Schritts c) innerhalb der Messzeitdauer, bis alle Teilmengen gemessen wurden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Bestimmen einer Funktionsgeraden für jede Zelle basierend auf dem mindestens einen Messwert durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: a) Bestimmen einer bereits gespeicherten und/oder berechneten Funktionsgerade als ursprüngliche Gerade; und b) Berechnen einer neuen Funktionsgeraden basierend auf dem mindestens einen Messwert und der ursprünglichen Geraden.
Computerlesbarer Speicher mit Instruktionen zur Ausführung auf einer Prozessoreinheit, wobei die Instruktionen dazu angepasst sind, beim Ausführen die Prozessoreinheit zu veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
Energiespeichervorrichtung (1) mit einem Energiespeicher (2), wobei der Energiespeicher (2) ein oder mehrere in Serie geschaltete Module (4; 5; 6; 7) aufweist, wobei jedes Modul mehrere in Serie geschaltete Zellen, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, und eine steuerbare Ladungsausgleichseinrichtung, insbesondere mit einem Balancing-Widerstand, für jede Zelle aufweist, und jedes Modul ausgebildet ist, die Spannungen der Zellen und des Moduls zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichervorrichtung (1) ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
Steuerelektronik für ein Energiespeichermodul (4; 5; 6; 7), wobei das Modul mehrere in Serie geschaltete Zellen, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, und eine steuerbare Ladungsausgleichseinrichtung, insbesondere mit einem Balancing-Widerstand, für jede Zelle aufweist, und die Steuerelektronik ausgebildet ist, die Spannungen der Zellen und des Moduls zu messen und die Ladungsausgleicheinrichtungen zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik ausgebildet ist, das Modul derart anzusteuern, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchgeführt wird.