DE102019110293A1 - Verfahren zum Entladen und Laden eines wiederaufladbaren Energiespeichers und Energiespeichersystem - Google Patents

Verfahren zum Entladen und Laden eines wiederaufladbaren Energiespeichers und Energiespeichersystem Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Entladen und Laden eines wiederaufladbaren Energiespeichers (2) mit einem Entladestrom I0vorgeschlagen, wobei der Energiespeicher (2) eine Kontroll- und Steuereinrichtung (14) und einen Zellblock (20) mit einer Anzahl N von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) aufweist, von denen mindestens eine Batteriezelle (3) eine Hochstromzelle ist und von denen mindestens eine Batteriezelle (4, 5, 6, 7) eine Hochenergiezelle ist, und jede Batteriezelle (3, 4, 5, 6, 7) mit einer Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (9, 10, 11, 12, 13) ausgestattet ist. Dabei werden die Kapazitäten CNder einzelnen Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) in vorgegebenen zeitlichen Abständen bestimmt und in einem Speicher der Kontroll- und Steuereinrichtung (14) abgelegt. Für die einzelnen Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) werden charakteristischen Entladeströme IN;maxbestimmt. Ein Entladestrom-Schwellenwert ISwird vorgegeben. Die Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) werden mit dem Entladestrom I0≤ ISentladen, wobei für jede Batteriezelle (3, 4, 5, 6, 7) die Differenz zwischen dem Entladestrom I0und ihrem Entladestrom IN;maxdurch die ihr zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (9, 10, 11, 12, 13) kompensiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entladen eines wiederaufladbaren Energiespeichers mit einem Entladestrom I0, wobei der Energiespeicher eine Kontroll- und Steuereinrichtung und einen Zellblock mit einer Anzahl N von in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweist, von denen mindestens eine Batteriezelle eine Hochstromzelle ist und von denen mindestens eine Batteriezelle eine Hochenergiezelle ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Energiespeichersystem zur Durchführung des Verfahrens.
  • Ein Energiespeicher umfasst mehrere in Reihe oder parallel geschaltete galvanische Zellen, die als Batteriezellen bezeichnet werden. Bei der Entladung der Batteriezellen wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie kann von einem Verbraucher genutzt werden, der vom elektrischen Stromnetz unabhängig ist, beispielsweise von einem Elektrofahrzeug. Darüber hinaus kann die elektrische Energie des Energiespeichers von einem Verbraucher genutzt werden, der in ein Stromnetz eingebunden ist, um eine Unterbrechung der Stromversorgung durch das Stromnetz zu überbrücken. Der mit wiederaufladbaren Batteriezellen ausgestattete Energiespeicher wird nach einer Entladung wieder aufgeladen, um für den erneuten Einsatz zur Verfügung zu stehen.
  • Je nach Anwendungsfall umfasst der Energiespeicher Hochstromzellen oder Hochenergiezellen. Hochstromzellen werden auch Hochleistungszellen genannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie beim Entladen kurzzeitig hohe Ströme zur Verfügung stellen können. Dagegen verfügen sie über eine eher geringe Kapazität. Hochenergiezellen werden auch als Hochkapazitätszellen bezeichnet. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie beim Entladen eher geringe Ströme über einen langen Zeitraum zur Verfügung stellen.
  • Aus dem Stand der Technik der DE 10 2012 110 030 A1 ist ein Energiespeicher bekannt, bei dem Hochstromzellen und Hochenergiezellen parallel geschaltet sind, um sowohl kurzzeitig hohe Ströme als auch geringe Ströme über einen längeren Zeitraum zur Verfügung zu stellen. Bekannte Energiespeicher mit in Reihe geschalteten Batteriezellen sind dagegen mit Batteriezellen gleicher Kapazität ausgestattet, da alle Batteriezellen gleichzeitig geladen und entladen werden und dabei möglichst den gleichen Ladezustand aufweisen. Eine Kombination aus Hochstromzellen und Hochenergiezellen zum gezielten Entladen der Hochstromzellen im Bedarfsfall ist bei seriell angeordneten Batteriezellen nicht vorgesehen.
  • Insbesondere Energiespeicher mit in Reihe geschalteten Batteriezellen sind häufig mit einem Batteriemanagement-System, kurz BMS, ausgestattet. Das BMS erfasst den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen und sorgt für einen Ladungsausgleich der Batteriezellen untereinander. Letzteres wird als Balancing bezeichnet. In der Regel beginnt der Ladungsausgleich erst, wenn mindestens eine Batteriezelle vollständig geladen ist. Diese Systeme führen zwar dazu, dass der Ladevorgang des Energiespeichers nicht durch diejenige Batteriezelle beendet wird, die ihre Ladeschlussspannung vor den anderen Batteriezellen erreicht und die Entladung des Energiespeichers nicht durch diejenige Batteriezelle beendet wird, die ihre Entladeschlussspannung vor den anderen Batteriezellen erreicht. Ein BMS ermöglicht jedoch nicht das Laden und Entladen einzelner Batteriezellen eines Energiespeichers mit in Reihe geschalteten Batteriezellen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Entladen eines Energiespeichers mit in Reihe geschalteten Batteriezellen zur Verfügung zu stellen, von denen mindestens eine Batteriezelle eine Hochstromzelle ist und mindestens eine Batteriezelle eine Hochenergiezelle, wobei der Energiespeicher bei seiner Entladung kurzfristig hohe Ströme und langfristig geringere Ströme zur Verfügung stellt.
  • Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In regelmäßigen Zeitabständen werden die Kapazitäten CN der N Batteriezellen eines Zellblockes bestimmt und in einem Speicher einer Kontroll- und Steuereinrichtung des Energiespeichers abgelegt. Aus den Kapazitäten CN und einem vorgegebenen C-Faktor wird für jede Batteriezelle der Entladestrom IN;max ermittelt. Der C-Faktor entspricht dabei dem Quotient von maximalem Entladestrom IN;max zur Kapazität CN der Batteriezelle. Ein Entladestrom-Schwellenwert IS wird vorgegeben und vorteilhafterweise in dem Speicher der Kontroll- und Steuereinrichtung abgelegt.
  • Die Batteriezellen werden mit dem Entladestrom I0 entladen. Ist der Entladestrom I0 kleiner oder gleich einem vorgegebenen Entladestrom-Schwellenwert IS, so werden diejenigen Batteriezellen, für die IN;max = I0 gilt, mit I0 entladen. Für diejenigen Batteriezellen, für die IN;max größer oder kleiner als I0 ist, wird die Differenz zwischen dem Entladestrom I0 und ihrem Entladestrom IN;max durch eine der jeweiligen Batteriezelle zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung kompensiert. Dabei werden durch die der Batteriezelle zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung überschüssige Hilfsentladeströme dem Zellblock zugeführt und fehlende Hilfsentladeströme dem Zellblock entnommen. Alternativ dazu können Hilfsentladeströme durch einen zusätzlichen DC/DC-Wandler oder einen zusätzlichen DC/AC-Wandler zur Verfügung gestellt oder kompensiert werden.
  • Ist der Entladestrom I0 größer als IS, so werden die Batteriezellen mit dem Entladestrom IS wie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben entladen. Dabei werden diejenigen Batteriezellen, für die IN;max = IS gilt, mit IS entladen. Bei Batteriezellen, für die IN;max größer oder kleiner als IS ist, wird die Differenz zwischen dem Entladestrom IS und ihrem Entladestrom IN;max durch eine der jeweiligen Batteriezelle zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung kompensiert. Zusätzlich dazu wird die mindestens eine Hochstromzelle über die ihr zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung mit dem zusätzlichen Entladestrom IN = I0 - IS entladen. In der Summe IN + IS = I0 steht damit der gewünschte Entladestrom I0 > IS zur Verfügung. Die Hochstromzelle stellt somit den notwendigen zusätzlichen Strom zur Verfügung. Eine gezielte zusätzliche Entladung der Hochstromzelle erfolgt über die der Hochstromzelle zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung.
  • Im Unterschied zu den bekannten Verfahren wird das Entladen des Zellblocks nicht durch das Messen der Zellspannungen kontrolliert. Stattdessen werden in regelmäßigen Zeitabständen die Kapazitäten CN der N Batteriezellen eines Zellblockes bestimmt.
  • Alle Batteriezellen werden mit den genannten Entladeströmen während einer durch den C-Faktor vorgegebenen Ladezeit t mit t ≤ 1/C gleichzeitig entladen. Dabei werden die Batteriezellen, deren maximaler Entladestrom dem seriellen Ladestrom I0 entspricht, nur von dem seriellen Ladestrom I0 entladen. Batteriezellen, deren maximaler Entladestrom IN;max größer als der serielle Ladestrom I0 ist, werden gleichzeitig mit dem seriellen Ladestrom I0 entladen und über die ihnen zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen mit dem zusätzlichen Hilfsentladestrom IN entladen, für den gilt IN = IN;max - I0. IN fließt über die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung dem Zellblock zu. Batteriezellen, deren maximaler Entladestrom IN;max kleiner als der serielle Ladestrom I0 ist, werden mit ihrem maximalen Entladestrom IN;max entladen. Gleichzeitig wird durch die diesen Batteriezellen zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen die die maximalen Ladeströme IN;max übersteigenden Ströme IN = I0 - IN;max als Hilfsentladeströme dem Zellblock zugeführt.
  • Das Laden des Energiespeichers erfolgt entsprechend zu dem Entladen. Dabei kehren sich die Stromrichtungen um. Anstelle des Entladestroms I0 fließt beim Laden der Ladestrom I0'. Die über die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen den Batteriezellen beim Laden zufließenden oder von diesen abfließenden Strömen werden als Hilfsladeströme bezeichnet.
  • Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben alle Batteriezellen beim Laden oder Entladen jeweils den gleichen Ladungszustand bezogen auf ihre jeweilige Nutzkapazität. Damit ist es möglich, zu jedem Zeitpunkt, bezogen auf den maximal geladenen oder entladenen Zustand des Zellblockes, den jeweiligen Ladezustand jeder der Batteriezellen dieses Zellblockes anzugeben.
  • Die maximale Entlade- oder Ladezeit ergibt sich bei diesem Verfahren aus der Beziehung tmax = 1/C. Diese Zeit ist für alle Batteriezellen gleich. Erfolgt die Entladung innerhalb dieser Zeit, wird eine vorgegebene Untergrenze nicht unterschritten. Erfolgt die Ladung des Energiespeichers innerhalb dieser Zeit, wird eine vorgegebene Obergrenze nicht überschritten. Wiederaufladbare Batteriezellen werden je nach Ausgestaltung in der Regel bis zu maximal 20% ihrer Kapazität entladen, um eine Schädigung zu vermeiden. 20% der in der Batteriezelle gespeicherten Energie verbleiben beim Entladen in der Batteriezelle und stehen dem Verbraucher daher nicht zur Verfügung. Darüber hinaus werden Batteriezellen je nach Ausgestaltung in der Regel bis zu maximal 80% ihrer Kapazität geladen, da ein weiteres Aufladen wesentlich mehr Zeit beanspruchen würde. Die Untergrenze beim Entladen kann als Entladeschlussspannung der Batteriezelle vorgegeben sein. Die Obergrenze beim Laden kann als Ladeschlussspannung vorgegeben sein.
  • Da alle Batteriezellen, unabhängig von ihrer jeweiligen Kapazität, nach der maximalen Ladezeit tmax jeweils den gleichen Ladungszustand bezogen auf ihre jeweilige Nutzkapazität, aufweisen, kann auf ein zusätzliches aktives oder passives Balancing verzichtet werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Entladestrom I0 so vorgegeben, dass er dem kleinsten Entladestrom IN;max aller N Batteriezellen entspricht. In diesem Fall geben die übrigen N-1 Batteriezellen, deren Entladestrom IN;max größer ist, über die ihnen zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen Hilfsentladeströme IN ab, für die gilt: IN = IN;max -I0. Diese Hilfsentladeströme fließen dem Zellblock zu.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Entladestrom I0 derart vorgegeben, dass er einem mittleren Entladestrom IN;max aller Batteriezellen entspricht.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Entladestrom I0 derart vorgegeben, dass er dem größten Entladestrom IN;max aller N Batteriezellen entspricht.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem Entladestrom I0 > IS die Hochstromzelle nur solange über die ihr zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung mit dem zusätzlichen Entladestrom IN = I0 - IS entladen, wie die Bedingung I0 > IS erfüllt ist. Sobald der Entladestrom I0 kleiner oder gleich dem Entladestrom-Schwellenwert IS ist, wird die zusätzliche Entladung der Hochstromzelle beendet. Dadurch wird erreicht, dass die Hochstromzelle nur im Bedarfsfall zusätzlich entladen wird und diese zusätzliche Entladung sofort beendet wird, wenn der Bedarf nicht mehr besteht. Eine zu rasche Entladung der Hochstromzelle kann dadurch verhindert werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Hochstromzelle nach Beendigung einer zusätzlichen Entladung während der noch andauernden Entladung des Energiespeichers mit dem Entladestrom I0 < IS über die der Hochstromzelle zugeordnete Hilfs-Lade-/ Entladeeinrichtung durch den Zellblock aufgeladen. Dadurch wird erreicht, dass die Hochstromzelle trotz ihrer zusätzlichen Entladung und trotz der andauernden Entladung des Energiespeichers nach einer gewissen Zeit wieder den gleichen Ladungszustand bezogen auf ihre Nutzkapazität erreicht wie die anderen Batteriezellen.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum Aufladen des Zellblocks mit dem Ladestrom I0' aus den ermittelten Kapazitäten CN der Batteriezellen für jede Batteriezelle der maximale Ladestrom IN;max' bestimmt. Alle Batteriezellen werden gleichzeitig mit dem Ladestrom I0' geladen. Dabei wird für jede Batteriezelle die Differenz zwischen dem Ladestrom I0' und ihrem Ladestrom IN;max' durch die ihr zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung kompensiert. Dies erfolgt derart, dass die der Batteriezelle zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung überschüssige Hilfsladeströme dem Zellblock zuführt und fehlende Hilfsladeströme dem Zellblock entnimmt.
  • Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem mit einem wiederaufladbaren Energiespeicher zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass es mit einem Energiespeicher mit einem Zellblock ausgestattet ist, der eine Anzahl N von in Reihe geschalteten Batteriezellen mit unterschiedlichen Kapazitäten CN aufweist. Dabei ist mindestens eine Batteriezelle eine Hochstromzelle und mindestens eine Batteriezelle eine Hochenergiezelle. Jede Batteriezelle ist mit einer Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung ausgestattet, welche beim Entladen des Zellblocks mit dem Entladestrom I0 die Differenz zwischen dem Entladestrom I0 und dem aus der Kapazität CN resultierenden maximalen Entladestrom IN;max der Batteriezelle kompensiert, indem sie einen überschüssigen Hilfsentladestrom dem Zellblock zuführt und einen fehlenden Hilfsentladestrom dem Zellblock entnimmt. Das Energiespeichersystem weist darüber hinaus eine Kontroll- und Steuerungseinrichtung auf, welche aus den Kapazitäten CN der Batteriezellen ihren maximalen Entladestrom IN;max bestimmt. In einem Speicher der Kontroll- und Steuerungseinrichtung sind die Kapazitäten CN der einzelnen Batteriezellen und ein vorgegebener Entladestrom-Schwellenwert IS abgelegt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen mit jeweils einem steuerbaren bidirektionalen DC/DC-Wandler ausgestattet.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Energiespeichersystem mit einer Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung ausgestattet. Über diese Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung wird der Zellblock geladen und entladen.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Energiespeichersystem mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler ausgestattet, welcher an der Hochvoltseite angeschlossen ist. Über diesen DC/DC-Wandler werden den Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen der Batteriezellen Hilfsladeströme oder Hilfsentladeströme zur Verfügung gestellt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Energiespeichersystem mit einem bidirektionalen DC/AC-Wandler ausgestattet, welcher an der Hochvoltseite angeschlossen ist. Über diesen DC/AC-Wandler werden den Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen der Batteriezellen Hilfsladeströme oder Hilfsentladeströme zur Verfügung gestellt.
  • Weitere Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen entnehmbar.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems dargestellt und im Folgenden das mit dem Energiespeichersystem durchgeführte Verfahren zum Entladen und Laden des Energiespeichers beschrieben. Es zeigen:
    • 1 Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels eines Energiespeichersystems,
    • 2 Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Energiespeichersystems,
    • 3 Schaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels eines Energiespeichersystems.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In 1 ist der Schaltplan eines Energiespeichersystems 1 mit einem Energiespeicher 2, welcher einen Zellblock 20 umfasst, mit einer Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung 8 und einer Kontroll- und Steuereinrichtung 14 dargestellt. Der Zellblock 20 ist mit N = 5 in Reihe geschalteten, wiederaufladbaren Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 ausgestattet. Die Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 werden über eine Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung 8 und einen bidirektionalen AC/DC-Wandler 100 geladen und entladen. Jede Batteriezelle 3, 4, 5, 6, 7 ist darüber hinaus mit einer Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung 9, 10, 11, 12, 13 verbunden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen als DC/DC-Wandler ausgebildet. Die Hilfs-Lade-Entladeeinrichtungen sind untereinander und mit der Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung 8 verbunden. Die Kontroll- und Steuereinrichtung 14 ist über Datenleitungen 15 mit den Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen 9, 10, 11, 12, 13 und mit der Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung 8 verbunden. Mit Hilfe der Kontroll- und Steuereinrichtung 14 werden die Kapazitäten CN der Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 bestimmt und in einem Speicher der Kontroll- und Steuereinrichtung 14 abgelegt. In dem Speicher der Kontroll- und Steuereinrichtung sind darüber hinaus die C-Faktoren der Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 und ein Entladestrom-Schwellenwert IS abgespeichert.
  • Die Batteriezelle 3 ist eine Hochstromzelle. Die Batteriezellen 4, 5, 6, 7 sind Hochenergiezellen.
  • Zum Entladen des Energiespeichers 2 werden zunächst die Kapazitäten C3, C4, C5, C6 und C7 der Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 bestimmt und in dem Speicher der Kontroll- und Speichereinrichtung 14 abgespeichert. Die Kontroll- und Speichereinrichtung 14 berechnet aus den Kapazitäten CN und den C-Faktoren zu jeder Batteriezelle den maximalen Entladestrom IN;max.
  • Wird nun über die Haupt-Lade-Entladeeinrichtung 8 und den AC/DC-Wandler 100 ein Entladestrom I0 zur Verfügung gestellt, sorgt die Kontroll- und Steuereinrichtung 14 zusammen mit den Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen 9, 10, 11, 12, 13 dafür, dass jede der Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 mit ihrem Entladestrom IN;max entladen wird. Die Differenz zwischen dem Entladestrom I0 und dem Entladestrom IN;max wird über die der jeweiligen Batteriezelle zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung zur Verfügung gestellt oder abgeführt. Überschüssige Entladeströme werden als Hilfsentladeströme dem Zellblock 20 zugeführt. Fehlende Entladeströme werden als Hilfsentladeströme dem Zellblock 20 entzogen.
  • Übersteigt der Entladestrom I0 den vorgegebenen Entladestrom-Schwellenwert IS, so wird die Hochstromzelle 3 über die ihr zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung 9 zusätzlich entladen und stellt dabei einen gewünschten zusätzlichen Strom IN = I0 - IS zur Verfügung.
  • Das Laden des Energiespeichers erfolgt entsprechend nur mit umgekehrter Stromrichtung.
  • Um die Kapazitäten der Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 in vorgegebenen zeitlichen Abständen, beispielsweise nach jeweils 100 Lade-/Entladezyklen, automatisch mit den in Serie geschalteten Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 zu ermitteln, wird zunächst der Zellblock 20 bis auf seine Ladeschlussspannung geladen und anschließend jede einzelne Batteriezelle 3, 4, 5, 6, 7 mit Hilfe der ihr zugeordneten Hilfs-Lade/Entladeeinrichtungen 9, 10, 11, 12, 13 bis zum Erreichen ihrer Ladeschlussspannung weiter geladen. Nach dem Aufladen aller Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 erfolgt dann mittels der Vorrichtung 1 ein definiertes Entladen der Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7. Dabei wird zunächst der gesamte Zellblock 20 über mit einem von der Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung 8 vorgegebenen seriellen Entladestrom I0 bis zu einer Entladetiefe (DoD) von 80% entladen. Anschließend wird jede einzelne Batteriezelle 3, 4, 5, 6, 7 über die ihr zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung 9, 10, 11, 12, 13 auf ihre jeweilige Entladeschlussspannung entladen. Aus dem gemessenen Verlauf des seriellen Entladestromes I0 und eventuell fließender Hilfsentladeströme In zwischen dem Beginn der Entladung aller Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 und dem Erreichen der Entladeschlussspannung der jeweiligen Batteriezelle kann dann die Kapazität CN der entsprechenden Batteriezelle ermittelt werden.
  • Allerdings kann zur Bestimmung der Kapazitäten CN der Batteriezellen auch der zeitliche Verlauf des jeweiligen Ladevorganges herangezogen werden, oder es kann ein Mittelwert zwischen den bei der Ladung und Entladung der Batterien ermittelten Kapazitätswerten benutzt werden.
  • Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorliegende Ausführungsbeispiel beschränkt.
  • Alternativ dazu kann die Bestimmung der Kapazitäten CN der Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 auch dadurch erfolgen, dass zunächst alle Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 bis zum Erreichen ihrer Ladeschlussspannung mit Hilfe eines von der Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung 8 erzeugten seriellen Ladestroms I0' geladen werden. Um dabei ein Überladen derjenigen Batteriezellen, die eine geringere Kapazität bzw. Ladeschlussspannung als die Batteriezelle(n) mit einer höheren bzw. der maximalen Kapazität besitzen, zu verhindern, wird der überschüssige Strom über die ihnen jeweils zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung 9, 10, 11, 12, 13 dem Zellblock 20 entnommen oder zugeführt. Nach dem Aufladen aller Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 erfolgt dann ein definiertes Entladen der Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7. Hierzu erfolgt die Entladung der Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 mit einem von der Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung 8 vorgegebenen seriellen Entladestrom I0, und zwar so lange, bis die Entladeschlussspannung der ersten Batteriezelle mit der geringsten Kapazität erreicht ist. Um zu vermeiden, dass diejenigen Batteriezellen, die vor der Batterie mit der geringsten Kapazität ihre Entladeschlussspannungen erreicht haben, unterladen werden, wird diesen Batteriezellen nach Erreichen ihrer Entladeschlussspannungen mittels der ihnen zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung aus dem Zellblock 20 ein Hilfsentladestrom zugeführt.
    Aus dem gemessenen Verlauf des seriellen Entladestromes I0 und eventuell fließender Hilfsentladeströme In zwischen dem Beginn der Entladung aller Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7 und dem Erreichen der Entladeschlussspannung der jeweiligen Batteriezelle kann dann die Kapazität CN der entsprechenden Batteriezelle ermittelt werden.
  • Ferner brauchen die Kapazitäten nicht aller Batteriezellen in einem Lade-/Entladezyklus ermittelt werden. Vielmehr kann es auch vorteilhaft sein, die Kapazitäten der Batteriezellen nacheinander in mehreren Lade-/Entladezyklen zu bestimmen.
  • Außerdem muss der serielle Lade- oder Entladestrom selbstverständlich nicht zwingend derart gewählt werden, dass er dem maximalen Lade- oder Entladestrom der Batteriezelle mit der geringsten Kapazität entspricht. Vielmehr kann er beispielsweise auch derart gewählt werden, dass er dem maximalen Lade- oder Entladestrom einer Batteriezelle mit einer mittleren Kapazität oder einer Batteriezelle mit der höchsten Kapazität entspricht etc.
    Schließlich kann der Energiespeicher auch aus mehreren, serielle Batteriespeicher umfassenden Zellblöcken bestehen.
  • In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Energiespeichersystems dargestellt. Es unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 dadurch, dass es mit einem zusätzlichen bidirektionalen DC/AC-Wandler ausgestattet ist, der an die Hilfs-Lade/Entladeeinrichtungen der Batteriezellen angeschlossen ist. Über diesen zusätzlichen DC/AC-Wandler werden den Hilfs-Lade/ Entladeeinrichtungen der Batteriezellen Hilfsladeströme und Hilfsentladeströme zur Verfügung gestellt.
  • In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Energiespeichersystems dargestellt. Es unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 dadurch, dass es mit einem zusätzlichen bidirektionalen DC/DC-Wandler ausgestattet ist, der an die Hilfs-Lade/Entladeeinrichtungen der Batteriezellen angeschlossen ist. Über diesen zusätzlichen DC/DC-Wandler werden den Hilfs-Lade/ Entladeeinrichtungen der Batteriezellen Hilfsladeströme und Hilfsentladeströme zur Verfügung gestellt.
  • Sämtliche Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Energiespeichersystem
    2
    Energiespeicher
    3
    Batteriezelle, Hochstromzelle
    4
    Batteriezelle, Hochenergiezelle
    5
    Batteriezelle, Hochenergiezelle
    6
    Batteriezelle, Hochenergiezelle
    7
    Batteriezelle, Hochenergiezelle
    8
    Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung
    9
    Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
    10
    Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
    11
    Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
    12
    Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
    13
    Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
    14
    Kontroll- und Steuereinrichtung
    15
    Datenleitung
    20
    Zellblock
    100
    AC/DC-Wandler
  • 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 102012110030 A1 [0004]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Entladen eines wiederaufladbaren Energiespeichers (2) mit einem Entladestrom I0, wobei der Energiespeicher (2) eine Kontroll- und Steuereinrichtung (14) und einen Zellblock (20) mit einer Anzahl N von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) aufweist, von denen mindestens eine Batteriezelle (3) eine Hochstromzelle ist und von denen mindestens eine Batteriezelle (4, 5, 6, 7) eine Hochenergiezelle ist, und jede Batteriezelle (3, 4, 5, 6, 7) mit einer Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (9, 10, 11, 12, 13) ausgestattet ist, mit folgenden Verfahrensschritten: - Bestimmen der Kapazitäten CN der einzelnen Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) in vorgegebenen zeitlichen Abständen und Ablegen der Kapazitäten in einem Speicher der Kontroll- und Steuereinrichtung (14), - Bestimmen der für die einzelnen Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) charakteristischen Entladeströme IN;max aus der Kapazität CN durch die Kontroll- und Steuereinrichtung (14), - Vorgeben eines Entladestrom-Schwellenwertes IS, - Entladen der Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) mit dem Entladestrom I0 ≤ IS wobei für jede Batteriezelle (3, 4, 5, 6, 7) die Differenz zwischen dem Entladestrom I0 und ihrem Entladestrom IN;max durch die ihr zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (9, 10, 11, 12, 13) kompensiert wird, derart dass diese überschüssige Hilfsentladeströme dem Zellblock (20) oder einem zusätzlichen DC/DC-Wandler oder einem zusätzlichen DC/AC Wandler zuführt und fehlende Hilfsentladeströme dem Zellblock (20) oder einem zusätzlichen DC/DC-Wandler oder einem zusätzlichen DC/AC-Wandler entnimmt, - Bei Überschreiten des vorgegebenen Entladestrom-Schwellenwertes IS mit I0 > IS wird die mindestens eine Hochstromzelle (3) zusätzlich über die ihr zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (9) mit dem zusätzlichen Entladestrom IN = I0 - IS entladen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochstromzelle (3) nur solange über die ihr zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (9) mit dem zusätzlichen Entladestrom IN = I0 - IS entladen wird, wie die Bedingung I0 > IS erfüllt ist und dass bei Unterschreiten des Entladestrom-Schwellenwertes IS die zusätzliche Entladung der Hochstromzelle (3) beendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochstromzelle nach Beendigung einer zusätzlichen Entladung während der andauernden Entladung des Energiespeichers (2) mit dem Entladestrom I0 < IS über die der Hochstromzelle (3) zugeordnete Hilfs-Lade-/ Entladeeinrichtung (9) durch den Zellblock (20) aufgeladen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufladen des Zellblocks (20) mit dem Ladestrom I0' aus den ermittelten Kapazitäten CN der Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) für jede Batteriezelle (3, 4, 5, 6, 7) der maximale Ladestrom IN;max' bestimmt wird, und dass alle Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) gleichzeitig mit dem Ladestrom I0' geladen werden, wobei für jede Batteriezelle (3, 4, 5, 6, 7) die Differenz zwischen dem Ladestrom I0' und ihrem Ladestrom IN;max' durch die ihr zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (9, 10, 11, 12, 13) kompensiert wird, derart dass diese überschüssige Hilfsladeströme dem Zellblock (20) zuführt und fehlende Hilfsladeströme dem Zellblock (20) oder einem zusätzlichen DC/DC-Wandler oder einem zusätzlichen DC/AC-Wandler entnimmt.
  5. Energiespeichersystem mit einem wiederaufladbaren Energiespeicher (2), welcher mit einem Zellblock (20) ausgestattet ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Anzahl N von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) des Zellblocks (20) mit unterschiedlichen Kapazitäten CN, wobei mindestens eine Batteriezelle (3) eine Hochstromzelle ist und mindestens eine Batteriezelle (4, 5, 6, 7) eine Hochenergiezelle, wobei jede Batteriezelle (3, 4, 5, 6, 7) mit einer Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (9, 10, 11, 12, 13) ausgestattet ist, welche beim Entladen des Zellblocks (20) mit dem Entladestrom I0 die Differenz zwischen dem Entladestrom I0 und dem aus der Kapazität CN resultierenden maximalen Entladestrom IN;max der Batteriezelle (3, 4, 5, 6, 7) kompensiert indem sie einen überschüssigen Hilfsentladestrom dem Zellblock (20) zuführt und einen fehlenden Hilfsentladestrom dem Zellblock (20) entnimmt, mit einer Kontroll- und Steuerungseinrichtung (14), welche aus den Kapazitäten CN der Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) ihren maximalen Entladestrom IN;max bestimmt, und mit einem Speicher der Kontroll- und Steuerungseinrichtung (14), in welchem die Kapazitäten CN der einzelnen Batteriezellen (3, 4, 5, 6, 7) und ein vorgegebener Entladestrom-Schwellenwert IS abgelegt ist.
  6. Energiespeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen (9, 10, 11, 12, 13) mit jeweils einem steuerbaren bidirektionalen DC/DC-Wandler ausgestattet sind.
  7. Energiespeichersystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer regelbaren Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung (8) ausgestattet ist.
  8. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler ausgestattet ist, welcher an der Hochvoltseite angeschlossen ist.
  9. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem bidirektionalen DC/AC-Wandler ausgestattet ist, welcher an der Hochvoltseite angeschlossen ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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