DE112011102788T5

DE112011102788T5 - Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE112011102788T5
Application number: DE112011102788T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Ito
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2013-06-13
Also published as: US20130154572A1; CN103069683A; JP5725444B2; CN103069683B; JP2012050157A; WO2012026244A1; US9461494B2

Abstract

Eine Integrationssteuervorrichtung (11) eines Energiespeichersystems (1) fragt Zustandsinformationen in Bezug auf Energiespeichervorrichtungen (3A, 3B) von Steuervorrichtungen (4A, 4B) von Einheitsmodulen (2A, 2B) ab, vergleicht die abgefragten Zustandsinformationen miteinander und führt eine Betriebssteuerung eines elektrischen Verbrauchers (6) auf Basis eines schlechtesten Wertes der Zustandsinformationen durch.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem, und genauer ein Energiespeichersystem, das Energiespeichervorrichtungen aufweist, die parallel geschaltet sind, und das eine Verwaltungs- und Begrenzungssteuerung der Energiezufuhr eines elektrischen Verbrauchers durchführt.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Einige Energiespeichersysteme, die herkömmlicherweise als Notfall-Energiezufuhrvorrichtungen oder dergleichen verwendet werden, weisen eine Mehrzahl von Energiespeichervorrichtungen auf, die parallel geschaltet sind, um eine Energiespeicherkapazität zu erhöhen. Ein Strom wird auf solche Weise in dieses Energiespeichersystem eingegeben/von diesem Energiespeichersystem ausgegeben, dass die Energiefähigkeit der Energiespeichervorrichtungen nicht überschritten wird.
Ein parallel geschaltetes Energiespeichersystem gemäß dem Patentdokument 1 weist eine Mehrzahl von Schaltern, die entsprechende Energiespeicherelemente mit dem System verbinden/von dem System abschalten, eine Spannungsüberwachungseinrichtung, die einen Spannungsunterschied zwischen der Mehrzahl von Energiespeicherelementen erfasst, und eine Steuereinrichtung, die, wenn der erfasste Spannungsunterschied in einem oder mehreren der Energiespeicherelementreihen nicht über einem vorgegebenen Wert liegt, nur den/die Schalter umschaltet, der/die zu der/den relevanten Energiespeicherelementreihe(n) gehört/gehören, wodurch ein Problem, wie beispielsweise ein Überstrom während einer parallelen Stromzufuhr, vermieden wird.
Ein Verfahren zur Erfassung einer Störung, wenn parallele Batterien verwendet werden, gemäß dem Patentdokument 2 ist ein Verfahren, bei dem in einer parallel geschalteten Batterieschaltung, in der in Reihe geschaltete Sekundärbatterien parallel geschaltet sind, eine Temperatur von jeder der Batterien erfasst wird und auf Basis eines Temperaturunterschieds zwischen den Batterien eine Störung, beispielsweise eine Überspannung • ein Überstrom der Schaltung erfasst wird.
Eine Steuervorrichtung für eine Mehrzahl von parallelen Batterien mit einem gemeinsamen Laststrom gemäß dem Patentdokument 3 steuert die mehreren parallel geschalteten Batterien so, dass sie sich ein Lastelement gleichmäßig teilen.
In einem Spannungserfassungsverfahren und einer Spannungserfassungsvorrichtung für parallel geschaltete Batterien gemäß dem Patentdokument 4 werden ein Innenwiderstandswert einer Zelle, eine Spannung der Zelle unter einer Last und ein Stromwert der Zelle verwendet, um einen Leerspannungswert von jeder der parallel geschalteten elektrischen Zellen zu bestimmen.
In einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Berechnung einer maximalen Lade-/Entladeleistung eines Batteriesatzes, der parallel geschaltete Batterien aufweist, gemäß dem Patentdokument 5 wird zur Berechnung der maximalen Entladeleistung des Batteriesatzes die maximale Entladeleistung des Batteriesatzes gemäß einer Entladeleistung der parallelen Batterien, bei der eine maximale Entladeleistung jeder der parallel geschalteten Batterien am kleinsten wird, berechnet, und zur Berechnung der maximalen Ladeleistung dieses Batteriesatzes wird die maximale Ladeleistung des Batteriesatzes gemäß einer Entladeleistung der parallelen Batterien, bei der eine maximale Ladeleistung von jeder der parallelen Batterien am kleinsten wird, berechnet, wodurch die maximale Lade-/Entladeleistung so berechnet wird, dass die parallel geschalteten Batterien in einer geeigneten Region verwendet werden.
In einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Berechnung einer Kapazität eines parallel geschalteten Batteriesatzes gemäß dem Patentdokument 6 wird der Innenwiderstand von parallel geschalteten Batterien berechnet und ein Korrekturkoeffizient dazu addiert, wodurch die Kapazität der Batterie unter Berücksichtigung der Zustände von elektrischen Zellen berechnet wird.
In einem parallel geschalteten Batteriesatz gemäß dem Patentdokument 7 sind ein Schalter und eine Einrichtung zur Erfassung eines Innenwiderstands jeder Batterie in jeder Batteriereihe vorgesehen, und die Reihe, wo eine Zelle vorhanden ist, deren Innenwiderstandswert über einem voreingestellten Wert liegt, wird abgeschaltet, wodurch eine Verringerung einer nutzbaren Kapazität, die durch eine in ihrer Funktionsfähigkeit herabgesetzte Batterie bewirkt wird, vermieden wird.
LIST DER ENTGEGENHALTUNGEN

Patentdokument 1: japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-33936
Patentliteratur 2: japanisches Patent Nr. 4057193
Patentliteratur 3: japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-95163
Patentliteratur 4: japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-28861
Patentliteratur 5: japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-31014
Patentliteratur 6: japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-31123
Patentliteratur 7: japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2008-153150

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
In einer Energiespeichervorrichtung eines Hybridfahrzeugs, eines Elektrofahrzeugs und dergleichen, dessen Entwicklung in jüngster Zeit Fortschritte macht, wird unter einer Bedingung, wie beispielsweise einer Temperaturbedingung, die für die Energiespeichervorrichtung belastend ist, die Eingabe/Ausgabe eines starken Stroms nahe an der Energiegrenze erzwungen. Wenn beispielsweise ein Energiespeichersystem, in dem Energiespeichervorrichtungen parallel geschaltet sind, in ein Hybridfahrzeug eingebaut wird, ist es nötig, die Energiespeichervorrichtungen ständig zu überwachen, was zu dem Nachteil führt, dass die Steuerung des gesamten Systems kompliziert wird.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Energiespeichersystem zu schaffen, das die Verwaltung einer Mehrzahl von Energiespeichervorrichtungen erleichtern kann, ein System sein kann, das die Anzahl paralleler Schaltungen der Energiespeichervorrichtungen problemlos erhöhen/senken kann, und das in der Lage ist, eine übergeordnete bzw. Verwaltungssteuerung der Mehrzahl von Energiespeichervorrichtungen zu konfigurieren.
PROBLEMLÖSUNG
Die Erfindung ist ein Energiespeichersystem, das aufweist: eine Mehrzahl von parallel geschalteten Einheitsmodulen, wobei die Einheitsmodule jeweils aus einer Energiespeichervorrichtung und einer Steuervorrichtung bestehen, welche in der Lage ist, einen Zustand der Energiespeichervorrichtung zu verwalten; einen elektrischen Verbraucher, dessen Betrieb unter Verwendung von Energie aus den Energiespeichervorrichtungen gesteuert wird; und eine Integrationssteuervorrichtung, die mit dem elektrischen Verbraucher und den Steuervorrichtungen der Einheitsmodule verbunden ist, wobei die Integrationssteuervorrichtung Zustandsinformationen in Bezug auf jede der Speichervorrichtungen von der Steuervorrichtung jedes Einheitsmoduls abfragt und die abgefragten Zustandsinformationen miteinander vergleicht, um den Betrieb des elektrischen Verbrauchers auf Basis eines schlechtesten Zustandsinformationswerts zu steuern.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Das Energiespeichersystem der Erfindung kann die Verwaltung der mehreren Energiespeichervorrichtungen erleichtern, kann ein System sein, das in der Lage ist, die Anzahl der parallelen Schaltungen der Energiespeichervorrichtungen zu erhöhen/zu senken, und somit eine große Skalierbarkeit aufweisen, und kann eine Verwaltungssteuerung der mehreren Energiespeichervorrichtungen konfigurieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschema eines Energiespeichersystems (Beispiel).
2 ist ein Blockschema eines Energiespeichersystems (Modifikationsbeispiel).
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung verwirklicht die Ziele, die Verwaltung einer Mehrzahl von Energiespeichervorrichtungen zu erleichtern, ein System zu konfigurieren, das in der Lage ist, die Anzahl der parallelen Schaltungen der Energiespeichervorrichtungen problemlos zu erhöhen/zu senken, das somit eine große Skalierbarkeit aufweist, und eine Verwaltungssteuerung der mehreren Energiespeichervorrichtungen zu konfigurieren, durch Konfigurieren eines Steuersystems, in dem Energiespeichervorrichtungen parallel geschaltet sind, so dass eine Spezifikationsänderung, die von einer Kapazitätsänderung dargestellt wird, erleichtert werden kann.
BEISPIELE
1 zeigt ein Beispiel der Erfindung.
In 1 bezeichnet 1 ein Energiespeichersystem, das in einem Fortbewegungsmittel, beispielsweise einem Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug, eingebaut ist.
Das Energiespeichersystem 1 weist ein erstes Einheitsmodul 2A und ein zweites Einheitsmodul 2B als Mehrzahl von parallel geschalteten Einheitsmodulen auf.
Das erste Einheitsmodul 2A weist eine erste Energiespeichervorrichtung (Hochvoltbatterie) 3A, eine erste Steuervorrichtung (Batterie-Controller) 4A, die in der Lage ist, einen Zustand der ersten Energiespeichervorrichtung 3A zu verwalten, und eine erste Zustandsinformationen-Erfassungsvorrichtung (Sensor) 5A auf, die Zustandsinformationen erfasst. Die erste Zustandsinformationen-Erfassungsvorrichtung 5A erfasst einen Strom • eine Gesamtspannung • eine Zellenspannung • eine Temperatur usw. als Zustandsinformationen des ersten Einheitsmoduls 2A und gibt die erfassten Zustandsinformationen an die erste Steuervorrichtung 4A aus.
Das zweite Einheitsmodul 2B weist eine zweite Energiespeichervorrichtung (Hochvoltbatterie) 3B, eine zweite Steuervorrichtung (Batterie-Controller) 4B, die in der Lage ist, einen Zustand der zweiten Energiespeichervorrichtung 3B zu verwalten, und eine zweite Zustandsinformationen-Erfassungsvorrichtung (Sensor) 5B auf, die Zustandsinformationen erfasst. Die zweite Zustandsinformationen-Erfassungsvorrichtung 5B erfasst einen Strom • eine Gesamtspannung • eine Zellenspannung • eine Temperatur usw. als Zustandsinformationen des zweiten Einheitsmoduls 2B und gibt die erfassten Zustandsinformationen an die zweite Steuervorrichtung 4B aus.
Die erste Energiespeichervorrichtung 3A und die zweite Energiespeichervorrichtung 3B gehören zur selben Art, und das erste Einheitsmodul 2A und das zweite Einheitsmodul 2B sind parallel geschaltet. Daher sind Strommengen, die zur ersten Energiespeichervorrichtung 3A und zur zweiten Energiespeichervorrichtung 3B fließen, im Wesentlichen gleich.
Die erste Steuervorrichtung 4A des ersten Einheitsmoduls 2A • die zweite Steuervorrichtung 4B des zweiten Einheitsmoduls 2B fragen die Ströme • die Gesamtspannungen • die Zellenspannungen • die Temperaturen usw. als Zustandsinformationen in Bezug auf die ersten Energiespeichervorrichtung 3A • die zweiten Energiespeichervorrichtung 3B von der ersten Zustandsinformationen-Erfassungsvorrichtung (Sensor) 5A • der zweiten Zustandsinformationen-Erfassungsvorrichtung (Sensor) 5B ab, um die Zustandsinformationen an eine weiter unten beschriebene Integrationssteuervorrichtung 11 auszugeben.
Ferner sind im Energiespeichersystem 1 in paralleler Schaltung zum ersten Einheitsmodul 2A und zum zweiten Einheitsmodul 2B ein Antriebsmotor 7 und ein externes Ladegerät 8 als elektrische Verbraucher 6 vorgesehen, deren Betrieb unter Verwendung von Energie aus der ersten Energiespeichervorrichtung 3A • der zweiten Energiespeichervorrichtung 3B gesteuert wird, und außerdem sind auch ein Gleichspannungswandler 9 und ein Energieerzeuger bzw. Stromgenerator 10 vorgesehen.
Die erste Steuervorrichtung 4A des ersten Einheitsmoduls 2A, die zweite Steuervorrichtung 4B des zweiten Einheitsmoduls 2B, der Antriebsmotor 7, das externe Ladegerät 8, der Gleichspannungswandler 9 und der Stromgenerator 10 sind mit der Integrationssteuervorrichtung 11 verbunden.
Die Integrationssteuervorrichtung 11 fragt die Zustandsinformationen in Bezug auf die erste Energiespeichervorrichtung 3A des ersten Einheitsmoduls 2A • die zweite Energiespeichervorrichtung 3B des zweiten Einheitsmoduls 2B von der ersten Steuervorrichtung 4A des ersten Einheitsmoduls 2A • der zweiten Steuervorrichtung 4B des zweiten Einheitsmoduls 2B ab, um die erhaltenen Zustandsinformationen in Bezug auf die erste Energiespeichervorrichtung 3A • die zweite Energiespeichervorrichtung miteinander zu vergleichen, und steuert außerdem den Betrieb unter anderem des elektrischen Verbrauchers 6 auf Basis eines schlechtesten Zustandsinformationswerts.
Ein „schlechtester Wert” ist hier der „schlechteste Wert” in Bezug auf die erste Energiespeichervorrichtung 3A • die zweite Energiespeichervorrichtung 3B. Für die erste Energiespeichervorrichtung 3A • die zweite Energiespeichervorrichtung 3B sind reguläre Bereiche für die Zustandsinformationen, wie beispielsweise die Spannung, die Temperatur und dergleichen als Spezifikationen definiert. Von Variablen der Zustandsinformationen, wie beispielsweise der Spannung • der Temperatur und dergleichen, der parallel geschalteten ersten Energiespeichervorrichtung 3A • zweiten Energiespeichervorrichtung 3B wird diejenige, deren Abweichungsgrad am größten ist, der „schlechteste Wert”. Genauer ist einer, dessen Abweichungsgrad vom regulären Bereich (anwendbaren Bereich) am größten ist, als „schlechtester Wert” definiert. Das heißt, mit „schlechtester Wert” ist gemeint, dass die jeweilige Energiespeichervorrichtung 3A, 3B in einem Zustand ist, in dem sie einer Region nahekommt, wo die Begrenzung graduell angewendet wird (= einer Region, wo die Integrationssteuervorrichtung 11 eine Begrenzungssteuerung ausführen sollte (nachstehend beschrieben), die aber immer noch eine anwendbare Region ist), und bedeutet außerdem, dass sie in einem Zustand ist, wo sie nicht verwendet werden sollte, wenn sie von der Region abweicht, wo die Begrenzung graduell angewendet wird. Bei einem normalen Gebrauch werden einige Arten von Begrenzungen nicht wirksam, wenn sämtliche Zustandsinformationen der ersten Energiespeichervorrichtung 3A • der zweiten Energiespeichervorrichtung 3B in die regulären Bereiche fallen. Wenn die Variable der Zustandsinformationen eines Einheitsmoduls aus dem regulären Bereich fällt, wird die Begrenzung in einer der später beschriebenen Begrenzungssteuerungen wegen dieses Einheitsmoduls streng. Infolgedessen wird die Variable der Zustandsinformationen, die aus dem regulären Bereich dieses einen Einheitsmoduls herausfällt, der „schlechteste Wert”. Das Energiespeichersystem 1 betrachtet ein Einheitsmodul mit einem relativ hohen Zustandslevel als gleichwertig zu einem Einheitsmodul mit einem relativ niedrigen Zustandslevel und bewirkt daher eine Verringerung der Gesamtlast des Systems.
Wenn die Variablen mehrerer Zustandsinformationen aus den regulären Bereichen fallen, wird ein Wert mit dem größten Abweichungsgrad zum „schlechtesten Wert”. Im normalen Gebrauch ist die Abweichung der Variablen der Zustandsinformationen von den regulären Bereichen graduell, in Reihenfolge des Abweichungsgrads ab der Variablen mit dem „schlechtesten Wert”. Daher wird die Begrenzung in der entsprechenden Reihenfolge an die Einheitsmodule angelegt.
Konkret führt die Integrationssteuervorrichtung 11 die Begrenzungssteuerungen des elektrischen Verbrauchers 6 und dergleichen aus wie im Folgenden unter (1)–(7) dargestellt.
(1) Strombegrenzung
Stromgrenzwerte der ersten Steuervorrichtung 4A des ersten Einheitsmoduls 2A • der zweiten Steuervorrichtung 4B des zweiten Einheitsmoduls 2B beinhalten Stromentladungswerte und Stromladungswerte des ersten Einheitsmoduls 2A • des zweiten Einheitsmoduls 2B.
Um die Strombegrenzung als Begrenzungssteuerung zu verwirklichen, führt die Integrationssteuervorrichtung 11 dann die Steuerung so aus, dass ein Durchschnittsstrom, welcher der Summe sämtlicher Ströme des ersten Einheitsmoduls 2A • des zweiten Einheitsmoduls 2B, geteilt durch die Zahl der Einheitsmodule gleich ist, zwischen einem höchsten Wert für die Entladungsstrom-Grenzwerte bei einer Strombegrenzung und einem niedrigsten Wert für die Ladungsstrom-Grenzwerte bei einer aktuellen Steuerung liegen.
Das heißt, die Integrationssteuervorrichtung 11 führt die Steuerung so aus, dass die folgende Beziehung erfüllt ist, wo Id_n und Ic_n der Entladungsstrom-Grenzwert bzw. der Ladungsstrom-Grenzwert des Einheitsmoduls n sind, und I die Summe der Ströme sämtlicher Einheitsmodule ist. (Id₁, Id₂, ... Id_n)_max ≤ I/n ≤ (Ic₁, Ic₂, ... Ic_n)_min
Man beachte, dass eine Ladungsrichtung des Stromwerts + ist und eine Entladungsrichtung – ist.
Diese Begrenzungssteuerung macht es möglich, den Umfang des Systems zu vergrößern und zu verkleinern, wodurch die Skalierbarkeit einer Kapazität gewährleistet werden kann. Ferner sind die erste Energiespeichervorrichtung 3A • die zweite Energiespeichervorrichtung 3B parallel geschaltet, und daher kann jede von ihnen unabhängig abgeschaltet werden. Daher wird dieses Energiespeichersystem 1 ein Multiplex-System, das bedienungsfreundlich und fehlertolerant ist (Redundanz).
(2) Begrenzung der Gesamtspannung
Die Integrationssteuervorrichtung 11 führt die Steuerung so durch, dass die folgenden Beziehungen erfüllt sind, wo Vh und V1 ein höchster Gesamtspannungs-Grenzwert bzw. ein niedrigster Gesamtspannungs-Grenzwert als Gesamtsystem sind, und Vn eine Gesamtspannung des Einheitsmoduls n ist. (V₁, V₂, ... V_n) max ≤ Vh (V₁, V₂, ... V_n)_min ≥ V1
(3) Begrenzung der Zellenspannung
Die Integrationssteuervorrichtung 11 führt die Steuerung so aus, dass die folgenden Beziehungen erfüllt sind, wo Vch und Vc1 ein höchster Wert für die Spannungsbegrenzung bzw. ein niedrigster Wert für die Spannungsbegrenzung für Zellen der ersten Energiespeichervorrichtung 3A • der zweiten Energiespeichervorrichtung 3B sind. Vch_n und Vcl_n sind eine höchste Zellenspannung und eine niedrigste Zellenspannung des Einheitsmoduls n. (Vch₁, Vch₂, ... Vch_n)_max ≤ Vch (VCl₁, Vcl₂, ... VCl_n)_max ≥ Vc1
(4) Begrenzung des SOC ((State of Charge) Ladezustand: Wert für den aktuell verwendbaren Ladezustand)
Die erste Steuervorrichtung 4A des ersten Einheitsmoduls 2A • die zweite Steuervorrichtung 4B des zweiten Einheitsmoduls 2B berechnen jeweils den Stromgrenzwert und einen SOC aus den Zustandsinformationen, welche den Strom, die Spannung und die Temperatur beinhalten, und geben die Zustandsinformationen und den errechneten Stromgrenzwert und SOC an die Integrationssteuervorrichtung 11 aus.
Dann vergleicht die Integrationssteuervorrichtung 11 die Zustandsinformationen, die Stromgrenzwerte und die SOCs des ersten Einheitsmoduls 2A und des zweiten Einheitsmoduls 2B miteinander, um den schlechtesten Wert zu extrahieren, und führt die Begrenzungssteuerung für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers 6 auf Basis des schlechtesten Werts durch.
Das heißt, die erste Steuervorrichtung 4A • die zweite Steuervorrichtung 4B berechnen die SOCs der Zellen im ersten Einheitsmodul 2A • im zweiten Einheitsmodul 2B aus den Zustandsinformationen wie beispielsweise den Strömen, den Spannungen und so weiter, und geben diese Daten an die Integrationssteuervorrichtung 11 aus. Die Integrationssteuervorrichtung 11 fragt die Daten ab, um sie zu erkennen.
Die SOCs der ersten Steuervorrichtung 4A • der zweiten Steuervorrichtung 4B • des ersten Einheitsmoduls 2A • des zweiten Einheitsmoduls 2B beinhalten die höchsten SOCs und die niedrigsten SOCs des ersten Einheitsmoduls 2A • des zweiten Einheitsmoduls 2B.
Um die SOC-Begrenzung als Begrenzungssteuerung zu verwirklichen, setzt die Integrationssteuervorrichtung 11 dann vorab einen höchsten SOC-Grenzwert und einen niedrigsten SOC-Grenzwert des ersten Einheitsmoduls 2A • des zweiten Einheitsmoduls 2B und führt die Steuerung so aus, dass ein höchster Wert von den höchsten SOCs des ersten Einheitsmoduls 2A • des zweiten Einheitsmoduls 2B kleiner wird als der höchste SOC-Grenzwert und ein kleinster Wert von den niedrigsten SOCs des ersten Einheitsmoduls 2A • des zweiten Einheitsmoduls 2B größer wird als der niedrigste SOC-Grenzwert.
Hierbei führt die Integrationssteuervorrichtung 11 die Steuerung so durch, dass die folgenden Beziehungen erfüllt sind, wobei SOCh und SOCl der höchste SOC-Grenzwert und der niedrigste SOC-Grenzwert des gesamten Systems sind, SOCh_n der höchste SOC ist, der den höchsten SOC-Wert des Einheitsmoduls n darstellt, und SOCl_n der niedrigste SOC ist, der den niedrigsten SOC-Wert des Einheitsmoduls n darstellt. (SOCh₁, SOCh₂, SOCh_n)_max ≤ SOCh (SOCl₁, SOCl₂, ... SOCl_n)_max ≥ SOCl
Eine solche Begrenzungssteuerung macht es möglich, eine Exaktheit der Störungserfassung der ersten Energiespeichervorrichtung 3A • der zweiten Energiespeichervorrichtung 3B zu gewährleisten.
(5) Temperaturbegrenzung
Die Integrationssteuervorrichtung 11 führt die Steuerung so aus, dass die folgende Beziehung erfüllt ist, wobei Th ein höchster Temperaturgrenzwert für das gesamte System ist und Th_n eine höchste Zellentemperatur des Einheitsmoduls n ist (Antriebsmotorleistungsbegrenzung und dergleichen). (Th₁, Th₂, ... Th_n)max ≤ Th
(6) Stromunterschiedsbegrenzung
Die Integrationssteuervorrichtung 11 führt die Steuerung so durch, dass die folgende Beziehung erfüllt ist, wobei ΔI_max ein maximaler Toleranzwert für den Unterschied des Stroms zwischen der ersten Energiespeichervorrichtung 3A und der zweiten Energiespeichervorrichtung 3B ist, und I_n der Strom des Einheitsmoduls n ist (Antriebsmotorleistungsbegrenzung und dergleichen) (I₁, I₂, ... I_n)_max – (I₁, I₂, ... I_n)_min ≤ ΔI_max
Wenn der Stromunterschied dabei übermäßig groß ist, bestimmt die Integrationssteuervorrichtung 11, dass das System gestört ist.
(7) Begrenzung des Temperaturunterschieds
Die Integrationssteuervorrichtung 11 führt die Steuerung so durch, dass die folgende Beziehung erfüllt ist, wobei ΔT_max ein maximaler Toleranzwert des Temperaturunterschieds zwischen der ersten Energiespeichervorrichtung 3A und der zweiten Temperatursteuervorrichtung 3B ist, und Th_n eine höchste Zellentemperatur des Einheitsmoduls n ist (Antriebsmotorleistungsbegrenzung und dergleichen). (Th₁, Th₂, ... Th_n)_max – (Th₁, Th₂, ... Th_n)_min ≤ ΔT_max
(8) Kühlgebläsesteuerung
Wenn die erste Energiespeichervorrichtung 3A • die zweite Energiespeichervorrichtung 3B unabhängig voneinander jeweils kein Kühlsystem aufweisen, steuert die Integrationssteuervorrichtung 11 ein Kühlgebläse auf Basis eines höchsten Werts (T₁, T₂, ... Th_n)_max der höchsten Zelltemperaturen.
Damit sämtliche Beziehungen des Stroms • der Spannung • des Ladungsverhältnisses usw. in den Begrenzungssteuerungen (1)–(7) außer der Kühlgebläsesteuerung (8) erfüllt werden, führt die Integrationssteuervorrichtung 11 die Steuerung in den oben beschriebenen Begrenzungssteuerungen so aus, dass sie das Kühlsystem, hier das Kühlgebläse, (gemäß der Spezifikation) betätigt, nachdem sie das System auf die regulären Bereiche des Ladungsverhältnisses • des Stroms der Batteriespezifikation gesteuert hat.
Infolgedessen nimmt eine Häufigkeit der Anwendung der anderen Begrenzungen (der Begrenzungen (1)–(7)) ab. Da eine externe Ladung jedoch häufig auf Basis der Spannung gesteuert wird, werden die Spannungen der Energiespeichervorrichtung manchmal zwangsweise für die Steuerung verwendet.
Die Begrenzungssteuerungen gemäß diesem Beispiel werden ausführlicher beschrieben.
Als Begrenzungssteuerung führt die Integrationssteuervorrichtung 11 hauptsächlich eine Drehmomentbegrenzung des Antriebsmotors 7 durch, wenn irgendeine der oben genannten Begrenzungen (1) bis (7) nicht verwirklicht ist, wenn ein Betrieb des Antriebsmotors 7 gefordert wird.
Normalerweise arbeitet der Antriebsmotor 7, der in dem als Beispiel genannten Hybridfahrzeug verwendet wird, unter einer Drehmomentsteuerung, und daher ist ein Maß für die verschiedenen Arten von Begrenzungen nur die Drehmomentbegrenzung. Die Art und Weise, wie die Drehmomentbegrenzung angewendet wird, variiert und beinhaltet eine strikte Anpassung an einen Grenzwert, eine Begrenzung mit zulässigem Spielraum usw. Die Art und Weise, wie die Drehmomentbegrenzung angewendet wird, wird nachstehend einhergehend mit den oben beschriebenen Begrenzungssteuerungen (1)–(7) beschrieben.
(1) Strombegrenzung
Die Integrationssteuervorrichtung 11 berechnet eine nutzbare Energie aus den Stromgrenzwerten und den Spannungen, teilt die nutzbare Energie durch eine Motordrehzahl, um einen Drehmomentgrenzwert zu bestimmen, und steuert ein aktuelles Drehmoment für die Energiezufuhr/Regenerierung so, dass es den Grenzwert nicht überschreitet. Ein Drehmomentsteuerwert ist dabei höchstens so groß wie der Drehmomentgrenzwert und wird ein Sollwert, der eine Absicht eines Fahrers wiedergibt und der höchstens so groß ist wie der Drehmomentgrenzwert.
(2) Begrenzung der Gesamtspannung
Es wird ein Kennfeld der nutzbaren Energie für die Gesamtspannung erstellt. Das Kennfeld wird so erstellt, dass eine Ladeleistung klein wird, wenn die Gesamtspannung hoch ist, und eine Entladeleistung klein wird, wenn die Gesamtspannung niedrig ist. Die Integrationssteuervorrichtung 11 teilt einen Wert (Energie), den sie aus dem Kennfeld ausliest, durch die Motordrehzahl, um den Drehmomentgrenzwert zu bestimmen, und steuert das aktuelle Antriebsdrehmoment für die Energiezufuhr/Regenerierung so, dass es den Drehmomentgrenzwert nicht überschreitet. Ein Drehmomentsteuerwert ist dabei höchstens so groß wie der Drehmomentgrenzwert und wird ein Sollwert, der eine Absicht des Fahrers wiedergibt und der höchstens so groß ist wie der Drehmomentgrenzwert.
(3) Begrenzung der Zellenspannung
Es wird ein Kennfeld der nutzbaren Energie für die Zellenspannung erstellt. Das Kennfeld wird so erstellt, dass eine Ladeleistung klein wird, wenn die Zellenspannung hoch ist, und eine Entladeleistung klein wird, wenn die Zellenspannung niedrig ist. Die Integrationssteuervorrichtung 11 teilt einen Wert (Energie), den sie aus dem Kennfeld ausliest, durch die Motordrehzahl, um den Drehmomentgrenzwert zu bestimmen, und steuert das aktuelle Antriebsdrehmoment für die Energiezufuhr/Regenerierung so, dass es den Drehmomentgrenzwert nicht überschreitet. Ein Drehmomentsteuerwert ist dabei höchstens so groß wie der Drehmomentgrenzwert und wird ein Sollwert, der eine Absicht des Fahrers wiedergibt und der höchstens so groß ist wie der Drehmomentgrenzwert.
(4) Begrenzung des SOC
Es wird ein Kennfeld der Energiezufuhr-/Regenerierung-Begrenzungsverhältnisse für den SOC erstellt. Das Kennfeld wird so erstellt, dass das Regenerierung-Begrenzungsverhältnis groß ist, wenn der SOC hoch ist, und das Energiezufuhr-Begrenzungsverhältnis groß ist, wenn der SOC niedrig ist. Die Integrationssteuervorrichtung 11 multipliziert eine Drehmomentforderung mit einem Wert (Energiezufuhr-/Regulierung-Begrenzungsverhältnis), den sie aus dem Kennfeld ausliest, und setzt den resultierenden Wert als endgültige Drehmomentforderung. Dabei wird ein Drehmomentsteuerwert zu einem Drehmomentgrenzwert.
In diesem Fall passt die Integrationssteuervorrichtung 11 den SOC normalerweise auf einen Bereich an, wo diese Begrenzung nicht angewendet wird. Beispielsweise erhöht die Integrationssteuervorrichtung 11 eine erzeugte Energiemenge, wenn der SOC niedrig wird, und wenn der SOC hoch wird, führt sie dagegen eine Steuerung durch, mit der die Energieerzeugung verhindert wird.
(5) Temperaturbegrenzung
Es wird ein Kennfeld eines absoluten Werts der nutzbaren Energie für die Temperatur des ersten Einheitsmoduls 2A • des zweiten Einheitsmoduls 2B erstellt. Das Kennfeld wird so erstellt, dass die Ladeleistung und die Entladeleistung klein werden, wenn die Zellenspannung hoch ist. Die Integrationssteuervorrichtung 11 teilt einen Wert (Energie), den sie aus dem Kennfeld ausliest, durch die Motordrehzahl, um den Drehmomentgrenzwert zu bestimmen, und steuert das aktuelle Antriebsdrehmoment für die Energiezufuhr/Regenerierung so, dass es den Drehmomentgrenzwert nicht überschreitet. Ein Drehmomentsteuerwert ist dabei höchstens so groß wie der Drehmomentgrenzwert und wird ein Sollwert, der eine Absicht des Fahrers wiedergibt und der höchstens so groß ist wie der Drehmomentgrenzwert.
In diesem Fall steuert die Integrationssteuervorrichtung 11 das Kühlgebläse normalerweise so, dass diese Begrenzung nicht angewendet wird.
(6) Stromunterschiedsbegrenzung
Es wird ein Kennfeld der nutzbaren Energie für den Stromunterschied (beispielsweise eine Stromabweichung in Kombination mit der größten gegenseitigen Stromabweichung) erstellt. Dieses Kennfeld wird so erstellt, dass die Ladeleistung und die Entladeleistung klein werden, wenn der Unterschied groß ist. Die Integrationssteuervorrichtung 11 teilt einen Wert (Energie), den sie aus dem Kennfeld ausliest, durch die Motordrehzahl, um den Drehmomentgrenzwert zu bestimmen, und steuert das aktuelle Antriebsdrehmoment für die Energiezufuhr/Regenerierung so, dass es den Drehmomentgrenzwert nicht überschreitet. Ein Drehmomentsteuerwert ist dabei höchstens so groß wie der Drehmomentgrenzwert und wird ein Sollwert, der eine Absicht des Fahrers wiedergibt und der höchstens so groß ist wie der Drehmomentgrenzwert.
Wenn der Stromunterschied übermäßig groß ist, weisen die Energiespeichervorrichtungen eine Störung auf, und daher bestimmt die Integrationssteuervorrichtung 11, dass das System eine Störung aufweist. Es wird darauf hingewirkt, das System anzuhalten, wodurch eine Ausbreitung der Störung verhindert wird.
(7) Begrenzung des Temperaturunterschieds
Es wird ein Kennfeld der nutzbaren Energie für den Temperaturunterschied (beispielsweise eine Temperaturabweichung in Kombination mit der größten gegenseitigen Temperaturabweichung) erstellt. Dieses Kennfeld wird so erstellt, dass die Ladeleistung und die Entladeleistung klein werden, wenn der Unterschied groß ist. Die Integrationssteuervorrichtung 11 teilt einen Wert (Energie), den sie aus dem Kennfeld ausliest, durch die Motordrehzahl, um den Drehmomentgrenzwert zu bestimmen, und steuert das aktuelle Antriebsdrehmoment für die Energiezufuhr/Regenerierung so, dass es den Drehmomentgrenzwert nicht überschreitet. Ein Drehmomentsteuerwert ist dabei höchstens so groß wie der Drehmomentgrenzwert und wird ein Sollwert, der eine Absicht des Fahrers wiedergibt und der höchstens so groß ist wie der Drehmomentgrenzwert.
In diesem Beispiel kann die Integrationssteuervorrichtung 11 außerdem eine Energieerzeugungsbegrenzung für den Stromgenerator 10 und eine externe Ladungsbegrenzung für das externe Ladegerät 8 zusätzlich zur Antriebsmomentbegrenzung des Antriebsmotors 7 durchführen. Von diesen begrenzen die Energieerzeugungsbegrenzung des Stromgenerators 10 und die externe Ladungsbegrenzung des externen Ladegeräts 8 die Ladung der ersten Energiespeichervorrichtung 3A • der zweiten Energiespeichervorrichtung 3B.
Eine Mehrzahl von Hardware-Einheiten als Vorrichtungen, welche das System bilden, kann bewirken, dass diese Begrenzungen verwirklicht werden oder nicht, und es besteht die Möglichkeit, dass die Begrenzungen an diesen Hardware-Einheiten stattfinden. Ferner finden die mehreren Begrenzungen manchmal kombiniert nach Art einer Matrix statt, wobei die Zahl der Hardware-Einheiten und jede der oben beschriebenen Begrenzungen (1)–(7) auf den Achsen eingezeichnet werden. Wenn die Integrationssteuervorrichtung 11 die „Kombination” der Hardware-Einheiten auf diese Weise steuert, wird die Steuerung umso komplizierter, je größer die Zahl der Hardware-Einheiten ist. Daher erstellt die Integrationssteuervorrichtung 11 hier die genannten Kennfelder für jede der Hardware-Einheiten und verwendet die Kennfelder für die Steuerung. Ferner kann die Integrationssteuervorrichtung 11 die optimale Begrenzung der „Kombination” der Hardware-Einheiten durchführen. In diesem Fall ist die komplizierte Steuerung notwendig, aber andererseits kann durch Vereinfachung eines Teils des Systembetriebs zur Rationalisierung auf die Kennfelder verzichtet werden.
Wenn mehrere Begrenzungen von den oben beschriebenen Begrenzungen (1)–(7) nicht verwirklicht werden, verwendet die Integrationssteuervorrichtung 11 den schlechtesten Wert von den mehreren Grenzwerten.
Wenn beispielsweise der Energiezufuhr-Drehmomentgrenzwert τi (> 0) durch die Gesamtspannungsbegrenzung und der Energiezufuhr-Drehmomentgrenzwert τt (> 0) durch den Temperaturunterschied beide gleichzeitig verwirklicht werden, setzt die Integrationssteuervorrichtung 11 den kleinsten Wert von τi und τt als endgültigen Energiezufuhr-Drehmomentgrenzwert. Das heißt, die Integrationssteuervorrichtung 11 wählt den Drehmomentsteuerwert mit einem kleineren Wert, der eine größere Begrenzung anzeigt, aus den Drehmomentsteuerwerten aus und führt die Steuerung auf dessen Basis durch.
Wenn ferner eines der Einheitsmodule durch das Öffnen/Schließen eines Schalters (einer Schaltvorrichtung) wegen einer Störung abgeschaltet wird, können Informationen (numerischer Wert) in Bezug auf dieses Einheitsmodul einfach weggelassen werden. Jedoch ist ein Zustand, wo eines der Einheitsmodule aufgrund einer Störung abgeschaltet werden muss, eine Notfallsituation. Daher ändert in einem solchen Fall ein System (beispielsweise ein Fahrzeugsystem), an das dieses Energiespeichersystem 1 angewendet wird, den Zustand von der Steuerung für normale Zeiten in eine Steuerung für außergewöhnliche Zeiten gemäß seinen Kennwerten. In diesem als Beispiel verwendeten Fahrzeugsystem wird der Zustand in dem Augenblick, wo eines der Einheitsmodule abgeschaltet wird, auf Escape-Betrieb, beispielsweise einen „Limp Home”-Betrieb, umgestellt.
Das Energiesteuersystem 1 in diesem Beispiel ist so aufgebaut, dass ein Komplex aus der Energiespeichervorrichtung 3A, der Steuervorrichtung 4A und dem anderen Bestandteil (hier beispielsweise der Zustandsinformations-Erfassungsvorrichtung 5A) oder ein Komplex aus der Energiespeichervorrichtung 3B, der Steuervorrichtung 4B und dem anderen Bestandteil (hier beispielsweise der Zustandsinformations-Erfassungsvorrichtung 5B) als Einheitsmodul vorgesehen ist, und gleichartige Einheitsmodule parallel geschaltet sind. Daher kann das Energiespeichersystem in diesem Beispiel eine Systemeinrichtung mit einer minimalen Steuerungsänderung aufrechterhalten, auch wenn die Zahl der parallelen Schaltungen der Einheitsmodule erhöht wird. Ferner besteht das Energiespeichersystem 1 dieses Beispiels aus einem Aufbau, wo die Einheitsmodule, die jeweils als Energiespeichervorrichtung dienen, parallel geschaltet sind wie sie sind, und dem Steuerelement, das sie integral überwacht. Daher kann das Energiespeichersystem 1 in diesem Beispiel die Energiespeicherungskapazität ohne Weiteres ändern.
Daher kann das Energiespeichersystem dieses Beispiels die Verwaltung der mehreren Energiespeichervorrichtungen erleichtern, ein System sein, das in der Lage ist, die Zahl der parallelen Schaltungen der Energiespeichervorrichtungen ohne Weiteres zu erhöhen/zu senken, und kann eine Verwaltungssteuerung der mehreren Energiespeichervorrichtungen konfigurieren.
2 zeigt ein Modifizierungsbeispiel dieses Beispiels.
Ein Energiespeichersystem 1 ist nicht nur mit einem ersten Einheitsmodul 2A und einem zweiten Einheitsmodul 2B ausgestattet, sondern auch mit einer Energieanpassungsvorrichtung 12, einem Kondensator 13, einem Stromgenerator 10 und einem elektrischen Verbraucher 6. Das erste Einheitsmodul 2A, das zweite Einheitsmodul 2B und die Energieanpassungsvorrichtung 12 sind mit der Integrationssteuervorrichtung 11 verbunden.
Infolgedessen können die gleichen Wirkungen wie im oben beschriebenen Beispiel erzielt werden, und außerdem kann die Notwendigkeit der Steuerung des gesamten Systems wegfallen, wodurch die Steuerung vereinfacht wird.
In dieser Erfindung können die Ströme • Spannungen des ersten Einheitsmoduls und des zweiten Einheitsmoduls auch durch die Integrationssteuervorrichtung überwacht werden.
Ferner können die erste Steuervorrichtung • die zweite Steuervorrichtung des ersten Einheitsmoduls • des zweiten Einheitsmoduls auch miteinander kommunizieren, um einen Teil der Überwachungs- • Steuerfunktion durch die Integrationssteuervorrichtung zu übernehmen.
Ferner können in dem Energiespeichersystem Kondensatoren anstelle der ersten Energiespeichervorrichtung • der zweiten Energiespeichervorrichtung des ersten Einheitsmoduls • des zweiten Einheitsmoduls verwendet werden. Wenn ein Einheitsmodul der Energiespeichervorrichtung und ein Einheitsmodul des Kondensators jedoch im gleichen Systeme nebeneinander vorhanden sind, führt die Integrationssteuervorrichtung die Steuerung unter Berücksichtigung des Umstands durch, dass das Einheitsmodul der Energiespeichervorrichtung und das Einheitsmodul des Kondensators Einheitsmodule unterschiedlicher Art sind.
Ferner können verschiedenartige Einheitsmodule in dem System auch in Mehrzahl vorgesehen sein.
Ferner ist es auch möglich, eine Steuervorrichtung vorzusehen, die die Mehrzahl an Einheitsmodulen auf einem Hierarchie-Level unter der Integrationssteuervorrichtung steuert.
Es sei klargestellt, dass sämtliche oben beschriebenen Ausführungsformen nur konkrete Beispiele für die Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen. Der technische Bereich der vorliegenden Erfindung sollte nicht als begrenzt auf die oben beschriebenen Beispiele aufgefasst werden. Das heißt, die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne von ihrem Gedanken abzuweichen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Das Energiespeichersystem der Erfindung ist nicht nur auf Automobile anwendbar, sondern auch auf ein System, in dem ein Stromgenerator und Energiespeichervorrichtungen eingebaut sind, wie einen Verbrennungsmotor, ein Hilfs-Energieversorgungssystem, wie eine nicht-unterbrechbare Energieversorgungsvorrichtung, in einem Zwischenspeichersystem eines kleinen Kraftwerks und dergleichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-33936 [0010]
JP 4057193 [0010]
JP 2001-95163 [0010]
JP 2004-28861 [0010]
JP 2004-31014 [0010]
JP 2004-31123 [0010]
JP 2008-153150 [0010]

Claims

Energiespeichersystem, aufweisend: eine Mehrzahl von Einheitsmodulen, die parallel geschaltet sind, wobei jedes der Einheitsmodule aus einer Energiespeichervorrichtung und einer Steuervorrichtung, die in der Lage ist, einen Zustand der Energiespeichervorrichtung zu verwalten, besteht; einen elektrischen Verbraucher, dessen Betrieb unter Verwendung der Energie der Energiespeichervorrichtungen gesteuert wird; und eine Integrationssteuervorrichtung, die mit dem elektrischen Verbraucher und den Steuervorrichtungen der Einheitsmodule verbunden ist, wobei die Integrationssteuervorrichtung Zustandsinformationen in Bezug auf die einzelnen Energiespeichervorrichtungen von der Steuervorrichtung jedes Einheitsmoduls abfragt und die abgefragten Zustandsinformationen miteinander vergleicht, um den Betrieb des elektrischen Verbrauchers auf Basis eines schlechtesten Wertes der Zustandsinformationen zu steuern.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, wobei: die Steuervorrichtung jedes der Einheitsmodule einen Strom, eine Spannung, eine Temperatur als Zustandsinformationen in Bezug auf die Energiespeichervorrichtung abfragt, einen Stromgrenzwert und einen SOC aus den abgefragten Zustandsinformationen berechnet und die abgefragten Zustandsinformationen und den errechneten Stromgrenzwert und SOC an die Integrationssteuervorrichtung ausgibt; und die Integrationssteuervorrichtung die Zustandsinformationen, die Stromgrenzwerte und die SOCs in Bezug auf die Einheitsmodule miteinander vergleicht und auf Basis von deren schlechtestem Wert eine Begrenzungssteuerung des Betriebs des elektrischen Verbrauchers durchführt.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, wobei: der Stromgrenzwert, der von der Steuervorrichtung der einzelnen Einheitsmodule berechnet wird, einen Entladestrom-Grenzwert und einen Ladestrom-Grenzwert von jedem der Einheitsmodule beinhaltet; und die Integrationssteuervorrichtung die Steuerung so durchführt, dass die Ströme sämtlicher Einheitsmodule, geteilt durch die Anzahl der Einheitsmodule, zwischen einem höchsten Wert der Entladestrom-Grenzwerte bei einer Strombegrenzung und einem kleinsten Wert der Ladestromwerte bei einer Strombegrenzung liegen.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, wobei: der von der Steuervorrichtung errechnete SOC von jedem der Einheitsmodule einen höchsten SOC und einen niedrigsten SOC von jedem der Einheitsmodule beinhaltet; und die Integrationssteuervorrichtung einen höchsten SOC-Grenzwert und einen niedrigsten SOC-Grenzwert der Einheitsmodule vorab setzt und die Steuerung so durchführt, dass ein höchster Wert der höchsten SOCs der jeweiligen Einheitsmodule kleiner wird als der höchste SOC-Grenzwert, und ein kleinster Wert der niedrigsten SOCs der entsprechenden Einheitsmodule größer wird als der niedrigste SOC-Grenzwert.