DE112017003320T5

DE112017003320T5 - Akkumulator-Kühlungssteuerungsvorrichtung und Akkumulatorkühlungssteuerungsverfahren

Info

Publication number: DE112017003320T5
Application number: DE112017003320.9T
Authority: DE
Inventors: Takahito IDA; Keisuke OGASAWARA
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2037-03-17
Also published as: JPWO2018003203A1; JP6472579B2; DE112017003320B4; US10840567B2; WO2018003203A1; US20190237826A1

Abstract

Ein Akkumulator-Kühlungssteuergerät weist einen Systemleistungs-Rechner (18) auf, der so ausgebildet ist, dass er die Leistung einer externen Energiequelle als Leistungsinformation berechnet, und eine Lade-/Entlade-Steuereinheit (20), die derart ausgebildet ist, dass sie eine Lade-/Entladesteuerung eines Akkumulators (11) basierend auf der Leistungsinformation und eine Leistungssteuerung eines Kühlgeräts (14) durchführt, indem sie die Leistung an das Kühlgerät (14) innerhalb eines Kühlleistungsschwellenwerts verteilt, der so bestimmt ist, dass eine Wärmeerzeugungs-Steigerung des Akkumulators (11) gleich oder kleiner ist als eine Wärmeabgabe-Steigerung des Kühlgeräts (14), berechnet aus einem Kühlluftvolumenstrom.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Akkumulator-Kühlungssteuergerät und ein Akkumulator-Kühlungssteuerverfahren, bei dem die Kühlungssteuerung bei einem Akkumulatorsystem verwendet wird, das zum Laden und Entladen eines Stromversorgungssystems konzipiert ist.
STAND DER TECHNIK
Eine groß angelegte Einführung von Stromerzeugern mit natürlicher (erneuerbarer) Energie, wie z.B. Solarstromerzeuger und Windkraftanlagen, in Stromversorgungssystemen wird erwartet. Solarstromerzeuger und Windkraftanlagen sind jedoch instabile Energiequellen. Daher geschieht es immer häufiger, einen Akkumulator an das Stromversorgungssystem anzuschließen, um Stromschwankungen zu unterdrücken.
Der Akkumulator erzeugt beim Laden/Entladen Wärme, und ein Anstieg der Akkumulator-Temperatur verkürzt die Lebensdauer des Akkumulators deutlich. Die bekannte Technik, bei der ein Kühlgebläse zur Kühlung des Akkumulators enthalten ist und die bekannte Technik, bei der ein Ladestrom und ein Entladestrom begrenzt sind, gibt es aus diesem Grund (siehe z.B. Patentdokument 1 und Patentdokument 2).
Das Patentdokument 1 zeigt eine bekannte Technik, bei der ein Kühlgebläse enthalten ist. Wenn gemäß dem Patentdokument 1 die gemessene Akkumulator-Temperatur gleich oder höher als eine erste vorgegebene Temperatur ist, wird die Lüfterleistung des Kühlgebläses in Abhängigkeit von der Temperatur geändert. Die Lüfterleistung des Kühlventilators gemäß dem Patentdokument 1 wird auch im Verhältnis zum Wert eines Ladestroms zum Akkumulator geändert, wenn die Akkumulator-Temperatur gleich oder niedriger als eine erste gegebene Temperatur und gleich oder höher als eine zweite gegebene Temperatur ist. Die Akkumulator-Temperatur wird gemäß dem Patentdokument 1 in einem bestimmten Temperaturbereich gehalten, indem die Steuerung auf diese Weise durchgeführt wird.
Das Patentdokument 2 zeigt eine bekannte Technik, bei der ein Ladestrom und ein Entladestrom begrenzt sind. Der Gesamtladezustand (state of charge SOC) des Akkumulators ist gemäß dem Patentdokument 2 in eine Vielzahl von Segmenten unterteilt. Für jedes in dem Akkumulator enthaltene SOC-Segment wird ein oberer Grenzwertstromwert festgelegt, um so den Stromwert gegen Ende der Energiezufuhr klein zu machen und damit die Wärmeentwicklung in Patentdokument 2 zu unterdrücken.
Bei dem Patentdokument 2 wird zu Beginn der Energiezufuhr der Strom-Wert hoch eingestellt, damit der Akkumulator Wärme erzeugt und ein Leistungsabfall durch niedrige Temperaturen verhindert wird. Das Patentdokument 2 zeigt auch eine weitere Absenkung des oberen Grenzwertes auf, wenn die Akkumulator-Temperatur gleich oder höher als ein oberer Grenzwert ist, und eine weitere Absenkung des oberen Grenzwertes, wenn der Temperaturanstieg des Akkumulators gleich oder höher als ein oberer Grenzwert ist.
STAND DER TECHNIK

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2005-63 682 A
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2015-208 061 A

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Die bekannte Technik hat jedoch folgende Probleme: Gemäß dem Patentdokument 1 wird die Lüfterleistung des Kühlventilators geändert, wenn die Akkumulator-Temperatur gleich oder höher als die erste vorgegebene Temperatur ist. Mit anderen Worten, die Lüfterleistung des Kühlventilators wird nur basierend auf der Akkumulator-Temperatur gemäß dem Patentdokument 1 geändert. Das bedeutet, dass der Akkumulator eine bestimmte Energiemenge an das Kühlgerät abgibt, während er eine große Menge Strom an eine externe Stromquelle abgibt.
Die Entladung vom Akkumulator zum Kühlgerät, während der Akkumulator einen großen Teil des Stroms an die externe Stromquelle abgibt, erhöht aber die durch Joule-Wärme erzeugte Wärmemenge weiter, was zum Problem einer Abnahme der Kühlleistung durch den Kühlventilator oder zum Problem eines Anstiegs der Akkumulator-Temperatur führt. Dies stellt auch ein Problem dar, da der erhöhte Entladestromwert zu einer Verschlechterung des Akkumulators aufgrund der hohen Last führt.
Gemäß dem Patentdokument 2 wird die Wärmeentwicklung des Akkumulators durch Einstellen einer Obergrenze für den Lade-/Entladestromwert behandelt. Aufgrund des oberen Grenzwertes für den Lade-/Entladestrom ist die Fähigkeit zur Stabilisierung der Systemleistung gemäß dem Patentdokument 2 jedoch begrenzt und führt zu Problemen am Ende der Energiezufuhr.
Die vorliegende Erfindung soll die oben beschriebenen Probleme lösen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Akkumulator-Kühlungssteuergerät und ein Akkumulator-Kühlungssteuerverfahren anzugeben, bei dem die Fähigkeit zur Stabilisierung der Systemleistung hoch gehalten wird, während zugleich verhindert wird, dass hohe Temperaturen und hohe Last die Lebensdauer eines Akkumulators verkürzen, indem der Akkumulator effizient mit einem Kühlgerät gekühlt wird.
Mittel zum Lösen der Probleme
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Akkumulator-Kühlungssteuergerät angegeben, das auf ein Akkumulatorsystem anzuwenden ist, das einen Akkumulator aufweist, der mit einer externen Stromquelle verbunden ist, um zu laden/entladen, und ein Kühlgerät, das so ausgebildet ist, dass es den Akkumulator kühlt und eine Kühlungssteuerung des Akkumulators durchführt, indem es das Kühlgerät in einer Weise steuert, die für einen Lade-/Entladezustand geeignet ist, wobei das Akkumulator-Kühlungssteuergerät Folgendes aufweist:

einen Systemleistungs-Rechner, der konzipiert ist, um als Leistungsinformation die Leistung der externen Energiequelle aus einer Spannung und einem Strom der externen Energiequelle zu berechnen;
eine Kühlluftstrom-Identifikationseinheit, die konzipiert ist, um einen Kühlluftvolumenstrom von der Energiezufuhr zum Kühlgerät zu identifizieren;
eine Kühllufteintrittstemperatur-Messeinheit, die konzipiert ist, um eine Temperatur an einem Kühllufteinlass eines Gehäuses zu erfassen, in dem sich der Akkumulator befindet;
eine Kühlluftaustrittstemperatur-Messeinheit, die konzipiert ist, um eine Temperatur an einem Kühlluftauslass des Gehäuses zu erfassen; und
eine Lade-/Entlade-Steuereinheit, die konzipiert ist, um eine Lade-/Entladesteuerung des Akkumulators basierend auf den Leistungsinformationen, die vom Systemleistungs-Rechner berechnet werden, durchzuführen und eine Leistungssteuerung des Kühlgeräts durch das Verteilen von Leistung an das Kühlgerät innerhalb eines Kühlleistungsschwellenwerts durchzuführen, der aus einer Wärmeerzeugungsmenge des Akkumulators und einer Wärmeabgabemenge von durch das Kühlgerät abgeführter Wärme bestimmt wird, wobei die Lade-/Entlade-Steuereinheit zu Folgendem konzipiert ist:
- die Wärmeerzeugungsmenge des Akkumulators aus der Leistungsaufnahme zum Kühlgerät und aus der vom Systemleistungs-Rechner berechneten Leistung der externen Energiequelle zu berechnen,
- die Wärmeabgabemenge der vom Kühlgerät abgeführten Wärme aus dem durch die Kühlluftstrom-Identifikationseinheit identifizierten Kühlluftvolumenstrom, aus der von der Kühllufteintrittstemperatur-Messeinheit am Kühllufteintritt erfassten Temperatur und der von der Kühlluftaustrittstemperatur-Messeinheit am Kühlluftausgang erfassten Temperatur zu berechnen und den Kühlleistungsschwellenwert so zu bestimmen, dass eine Wärmeerzeugungs-Steigerung gleich oder kleiner als eine Wärmeabgabe-Steigerung ist; und die Lade-/Entladesteuerung basierend auf den Leistungsinformationen durchzuführen, indem überschüssige Leistung der externen Stromquelle geladen und eine in der externen Stromquelle fehlende Leistungsmenge entladen wird, wobei die Leistungssteuerung durchgeführt wird, indem die Leistung zum Kühlgerät in einem Bereich verteilt wird, der gleich oder kleiner als der Kühlleistungsschwellenwert ist.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Akkumulator-Kühlungssteuerverfahren angegeben, das in dem Akkumulator-Kühlungssteuergerät der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch die Lade-/Entlade-Steuereinheit auszuführen ist, wobei das Akkumulator-Kühlungssteuerverfahren Folgendes umfasst: einen ersten Schritt zum Berechnen der Wärmeerzeugungsmenge des Akkumulators aus der Leistungsaufnahme zum Kühlgerät und aus der vom Systemleistungs-Rechner berechneten Leistung der externen Stromquelle;
einen zweiten Schritt zum Berechnen der Wärmeabgabemenge der vom Kühlgerät abgeführten Wärme aus dem von der Kühlluftstrom-Identifikationseinheit identifizierten Kühlluftvolumenstrom, aus der von der Kühllufteintrittstemperatur-Messeinheit am Kühllufteintritt erfassten Temperatur und aus der von der Kühlluftaustrittstemperatur-Messeinheit am Kühlluftausgang erfassten Temperatur;
einen dritten Schritt zum Bestimmen des Kühlleistungsschwellenwertes, so dass eine Wärmeerzeugungs-Steigerung gleich oder kleiner als eine Wärmeabgabe-Steigerung ist; einen vierten Schritt zum Durchführen der Lade-/Entladesteuerung basierend auf den Leistungsinformationen durch Laden von überschüssiger Leistung der externen Energiequelle und Entladen einer in der externen Energiequelle fehlenden Leistungsmenge; und
einen fünften Schritt zum Durchführen der Leistungssteuerung durch Verteilen von Leistung an das Kühlgerät in einem Bereich gleich oder kleiner als der Kühlleistungsschwellenwert.
Effekt der Erfindung
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist eine Konfiguration vorgesehen, bei der die Entladung zum Kühlgerät durch das Einstellen eines Kühlleistungsschwellenwertes begrenzt wird, während der Akkumulator eine große Strommenge an die externe Stromquelle abgibt. Die Wärmeentwicklung des Akkumulators durch Joule-Wärme kann entsprechend reduziert werden, was eine hocheffiziente Kühlung des Akkumulators sowie die Vermeidung von Verschlechterungen des Akkumulators durch eine hohe Last ermöglicht. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen auch eine Konfiguration auf, bei der der Akkumulator gekühlt wird, ohne den von der externen Stromquelle geladenen und an die externe Stromquelle entladenen Strom durch Steuerung der Leistung des Kühlgeräts zu begrenzen. Entsprechend hoch ist die Fähigkeit zur Stabilisierung der Systemleistung.
Es ist daher möglich, ein Akkumulator-Kühlungssteuergerät und ein Akkumulator-Kühlungssteuerverfahren aufzuzeigen, bei dem die Fähigkeit zur Stabilisierung der Systemleistung hochgehalten wird, während gleichzeitig hohe Temperaturen und hohe Lasten, was die Lebensdauer des Akkumulators verkürzen würde, durch effiziente Kühlung des Akkumulators mit dem Kühlgerät verhindert werden.
Figurenliste

1 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Gesamtkonfiguration eines Akkumulatorsystems, in dem ein Akkumulator-Kühlungssteuergerät gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist;
2 ist eine Grafik zur Darstellung von Lade-/Entlademustern des Akkumulator-Kühlungssteuergeräts gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein Energiespeichersystem verwendet;
3 ist eine Zeichnung zur schematischen Darstellung der Struktur eines Akkumulatorgestells bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Grafik, die ein Beispiel für eine P-Q-Kurve eines Kühlgebläses und einen Luftdurchlasswiderstand bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist eine Grafik, die ein Beispiel für die kombinierte Effizienz eines Kühlgerät-Stromwandlers und eines Motors bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist eine Grafik, die für jede auf ein Kühlgerät verteilte Leistungsmenge die Beziehung zwischen einer Akkumulator-Wärmeerzeugungsmengensteigerung Hg' und einer Kühlluftwärmeabgabe-Steigerung Hd' bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ist eine Grafik zur Darstellung der Lade-/Entladeleistung eines Energiespeichersystems, der Lade-/Entladeleistung des Akkumulators und der Temperatur des Akkumulators 11 bei der bekannten Technik;
8 ist eine Grafik zur Darstellung der Lade-/Entladeleistung des Energiespeichersystems, der Lade-/Entladeleistung des Akkumulators und der Temperatur des Akkumulators 11 bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Reihe von Verarbeitungsschritten, die vom Akkumulator-Kühlungssteuergerät gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden;
10 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Reihe von Verarbeitungsschritten, die von einem Akkumulator-Kühlungssteuergerät gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden;
11 ist eine Grafik zur Darstellung von zeitlichen Änderungen eines Kapazitätserhaltungsverhältnisses, die beim Betrieb des Akkumulators mit einem Lade-/Entladeverfahren der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einem Lade-/Entladeverfahren der bekannten Technik beobachtet werden, und
12 ist eine Grafik zur Darstellung von: Wärmeabgabemengen, Wärmeerzeugungsmengen, Wärmeabgabe-Steigerungen und Wärmeerzeugungs-Steigerungen, die beim Betrieb des Akkumulators gemäß dem Lade-/Entladeverfahren der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und dem Lade-/Entladeverfahren der bekannten Technik beobachtet werden, jeweils in Abhängigkeit von der Kühlleistung.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Beschreibung zu Akkumulator-Kühlungssteuergeräten und Akkumulator-Kühlungssteuerverfahren gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung jeweils mit Bezug auf die Zeichnungen gegeben.
Ausführungsform 1
1 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Gesamtkonfiguration eines Akkumulatorsystems, in dem ein Akkumulator-Kühlungssteuergerät gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Die Beschreibung der ersten Ausführungsform bezieht sich beispielsweise auf ein Akkumulatorsystem, das in einem Kraftwerk, einem Umspannwerk oder einer ähnlichen Einrichtung zum Laden/Entladen installiert ist, um die in einem Stromversorgungssystem 1 durch einen Solarstromerzeuger 2, eine Windkraftanlage 3, eine Last 5 oder andere Komponenten verursachten Stromschwankungen zu unterdrücken.
In 1 sind der Solarstromerzeuger 2 und die Windkraftanlage 3 über einen Stromwandler 4 mit dem Stromversorgungssystem 1 verbunden. Der in 1 dargestellte Modus ist nur ein Beispiel, und das Akkumulatorsystem kann auch Modi für andere Anwendungen aufweisen.
Das Akkumulatorsystem in 1 weist einen Akkumulator 11, eine Akkumulator-temperatur-Messeinheit 12, eine Kühllufteintrittstemperatur-Messeinheit 13, ein Kühlgerät 14, eine Kühlluftaustrittstemperatur-Messeinheit 15, einen Akkumulator-Stromwandler 16, einen Kühlgerät-Stromwandler 17, einen Systemleistungs-Rechner 18, eine Batterieverwaltungseinheit (battery management unit BMU) 19, eine Lade-/Entlade-Steuereinheit 20, eine Kühlluftstrom-Identifikationseinheit 21 und eine Kühlleistungsschwellen-Berechnungseinheit 22 auf und ist an das Stromversorgungssystem 1 angeschlossen.
Der Akkumulator 11 ist beispielsweise eine wiederaufladbare Sekundärbatterie, die aus einem Bleiakkumulator, einer Nickelhydridbatterie oder einer Lithium-Ionen-Batterie besteht und in einem Akkumulatorgestell 100 untergebracht ist. Der Akkumulator 11 hat die Konfiguration einer Zelle oder eines Moduls. Eine Vielzahl von Zellen oder Modulen kann in einem Rack/Gestell angeordnet werden.
Das Akkumulatorgestell 100 ist rechteckig geformt und hat einen Innenraum. Der Akkumulator 11 und die Akkumulatortemperatur-Messeinheit 12 befinden sich im Raum innerhalb des Akkumulatorgestells 100. Auf einer Fläche des Akkumulatorgestells 100 ist ein Kühllufteinlass markiert, und in der Nähe des Kühllufteinlasses ist eine Kühllufteintrittstemperatur-Messeinheit 13 installiert. Auf einer dem Kühllufteinlass gegenüberliegenden Fläche des Akkumulatorgestells 100 ist ein Kühlluftauslass markiert, und das Kühlgerät 14, ein Kühlluftvolumenstrommessgerät (nicht dargestellt) und die Kühlluftaustrittstemperatur-Messeinheit 15 sind in der Nähe des Kühlluftauslasses installiert.
Der Akkumulator-Stromwandler 16 ist mit dem Stromversorgungssystem 1, das eine externe Stromquelle ist, verbunden und ist in Verbindung mit dem Akkumulator 11 angebracht, um Eingangs- und Ausgangsleistung des Akkumulators 11 umzuwandeln.
Der Kühlgerät-Stromwandler 17 ist mit dem Akkumulator-Stromwandler 16 und dem Akkumulator 11 verbunden und ist in Verbindung mit dem Kühlgerät 14 zur Umwandlung der Eingangsleistung des Kühlgeräts 14 angeordnet.
Der Systemleistungs-Rechner 18 ist so ausgebildet, dass er die Systemleistung des Stromversorgungssystems 1 aus Spannung und Strom des Stromversorgungssystems 1 berechnet.
Die Akkumulatortemperatur-Messeinheit 12, die Kühllufteintrittstemperatur-Messeinheit 13 und die Kühlluftaustrittstemperatur-Messeinheit 15 sind so ausgebildet, dass sie eine Akkumulator-Temperatur T, eine Kühllufteintrittstemperatur-Zinn des Akkumulatorgestells 100 und eine Kühlluftaustrittstemperatur Tout des Akkumulatorgestells 100 messen. Die Temperaturmesseinheiten können jede beliebige Konfiguration aufweisen, solange die Temperatur gemessen werden kann, und sind jeweils beispielsweise aus einem Thermometer oder einem Temperatursensor aufgebaut.
Eine Vielzahl von Temperaturmesseinheiten jedes Typs kann in einem einzigen Gestell angeordnet werden. In diesem Fall wird ein Mittelwert der mit der Vielzahl von Temperaturmesseinheiten gemessenen Werte als Akkumulator-Temperatur T, Kühllufteintrittstemperatur Zinn des Akkumulatorgestells 100 oder Kühlluftaustrittstemperatur Tout des Akkumulatorgestells 100 verwendet.
Die BMU 19 ist eine Akkumulator-Verwaltungsvorrichtung mit einer Schutzfunktion und einer Zustandsüberwachungsfunktion. Insbesondere stoppt die Schutzfunktion der BMU 19 den Betrieb des Akkumulators 11, wenn im Akkumulator 11 eine Überladung, eine Überentladung, eine Überspannung, ein Überstrom, Temperaturunregelmäßigkeiten oder dergleichen auftreten. Die Zustandsüberwachungsfunktion der BMU 19 führt die Akkumulatorzustandsüberwachung, wie z.B. Spannungsmessung, Strommessung, Leistungsmengenmessung und SOC-Management (SOC steht für state of charge, d.h. die Restkapazität des Akkumulators) des Akkumulators 11 durch.
Die Kühlluftstrom-Identifikationseinheit 21 speichert eine Datenkarte der Kühlluftvolumenströme, die vorab aus dem kombinierten Wirkungsgrad des Kühlgerät-Stromwandlers 17 und einem Motor eines Kühlventilators, den Eigenschaften des Kühlventilators und dem Luftdurchlasswiderstand zugeordnet sind. Die Kühlluftstrom-Identifikationseinheit 21 ist so ausgebildet, dass sie einen Kühlluftvolumenstrom Qair aus der Energieverteilung an das Kühlgerät 14 identifiziert.
Die Kühlleistungsschwellen-Berechnungseinheit 22 ist so ausgebildet, dass sie einen Kühlleistungsschwellenwert Plim basierend auf einer Wärmeerzeugungsmenge Hg des Akkumulators 11 und einer Wärmeabgabemenge Hd berechnet. Die Wärmeerzeugungsmenge Hg wird aus einem Stromwert I des Akkumulators 11 und einem Widerstandswert R des Akkumulators 11 berechnet. Die Wärmeabgabemenge Hd wird aus einer Luftdichte pair, einer Luft-spezifische-Wärme Cair, der Kühllufteintrittstemperatur Zinn, der Kühlluftaustrittstemperatur Tout und dem Kühlluftvolumenstrom Qair berechnet.
Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 bezieht Leistungsinformationen über das Stromversorgungssystem 1 vom Systemleistungs-Rechner 18. Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 erteilt dem Akkumulator-Stromwandler 16 den Befehl, ein Energiespeichersystem zu laden, wenn dem Stromversorgungssystem 1 überschüssige Leistung zur Verfügung steht, und das Energiespeichersystem zu entladen, wenn das Stromversorgungssystem 1 Strom benötigt.
Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 gibt auch einen Befehl an den Akkumulator-Stromwandler 16, Leistung vom Stromversorgungssystem 1 auf das Kühlgerät 14 zu verteilen, und gibt einen Befehl an den Kühlgerät-Stromwandler 17, die Leistung vom Akkumulator 11 auf das Kühlgerät 14 zu verteilen.
Das Kühlgerät 14 ist so ausgebildet, dass es den Akkumulator 11 mit Hilfe der vom Akkumulator-Stromwandler 16 und vom Akkumulator 11 verteilten Leistung kühlt. Das Kühlgerät 14 kann jede geeignete Vorrichtung sein, die den Akkumulator 11 kühlen kann und ist beispielsweise mit einem Kühlgebläse aufgebaut.
Der Kühlventilator ist in der Nähe des Kühlluftauslasses des Akkumulatorgestells 100 angeordnet, in dem der Akkumulator 11 untergebracht ist. Die vom Kühlventilator erzeugte Kühlluft wird aus dem Kühllufteinlass angesaugt, umströmt den Akkumulator 11 zur Wärmeabfuhr und wird dann aus dem Kühlluftauslass abgeführt.
Eine Reihe von Schritten im Zusammenhang mit der Lade-/Entladesteuerung bei der ersten Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben.
2 ist eine Grafik zur Darstellung von Lade-/Entlademustern des Akkumulator-Kühlungssteuergerätes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die das Energiespeichersystem nutzt. Jedes in 2 dargestellte Lade-/Entladungsmuster ist dadurch gekennzeichnet, dass es Amplitudenschwankungen aufweist. Wenn der Akkumulator 11 zur Unterdrückung der Schwankungen des in 2 dargestellten Lade-/Entladeverhaltens verwendet wird, erhöht beispielsweise die vom Akkumulator 11 während des Lade-/Entladevorgangs erzeugte Wärme die Akkumulator-Temperatur T.
Wird der Akkumulator durch das Kühlgerät 14 gekühlt, um einen Anstieg der Akkumulator-Temperatur zu verhindern, erfolgt eine effiziente Kühlung durch die Verteilung der Ladeleistung, mit der das Energiespeichersystem geladen wird, auf das Kühlgerät 14. Allerdings ist auch während der Entladung eine Kühlung erforderlich, wenn die Ladeleistung allein nicht ausreicht, um den Akkumulator zu kühlen, oder wenn die Entladung später durchgeführt wird.
Wenn eine bestimmte Menge an Leistung der Kühlung während der Entladung zugeteilt gehalten wird, so wird die Leistung zusätzlich an das Kühlgerät 14 bei der Entladung einer großen Menge an Strom an das Stromversorgungssystem 1 zugeteilt und erhöht den Entladestrom weiter. Die durch die große Strommenge erzeugte Joule-Wärme ist dementsprechend sehr groß.
Mögliche Folgen sind ein Abfall der Kühlleistung oder ein Anstieg der Temperatur des Akkumulators 11 und eine Verschlechterung des Akkumulators durch hohe Last.
Aus diesem Grund hat das Akkumulator-Kühlungssteuergerät gemäß der ersten Ausführungsform eine Konfiguration zur Optimierung der Akkumulatorkühlung durch Berechnung des Kühlleistungsschwellenwertes Plim und Verteilung der Leistung vom Akkumulator 11 auf das Kühlgerät 14 in einem Bereich, in dem eine Erhöhung der vom Akkumulator 11 erzeugten Wärmemenge gleich oder kleiner ist als eine Erhöhung der vom Kühlgerät 14 abgeführten Wärmemenge.
Das Verfahren zur Berechnung des Kühlleistungsschwellenwertes Plim wird im Folgenden unter Verwendung mathematischer Ausdrücke ausführlich beschrieben.
Zunächst wird das Verfahren zur Berechnung der Akkumulator-Wärmeerzeugungsmenge Hg beschrieben. Wärme wird durch Joule-Wärme erzeugt, wenn ein Strom in den Akkumulator fließt. Joule-Wärme wird mit dem Ausdruck (1) ausgedrückt und hängt vom Lade-/Entladestromwert I und dem Widerstand R des Akkumulators ab. $Hg = I^{2} * R$
wobei

Hg (W):: Akkumulator-Wärmeerzeugungsmenge
I (A):: Lade-/Entladestromwert
R (Ω):: Akkumulatorwiderstand

Joule-Wärme wird für jede Zelle oder jedes Modul berechnet, die/das sich in demselben Lagergestell 100 befindet und die Summe der Joule-Wärmewerte der Zellen oder Module wird als Akkumulator-Wärmeerzeugungsmenge Hg verwendet. Der Akkumulatorwiderstand R muss kein konstanter Wert sein und kann je nach Akkumulator-Temperatur T und SOC oder aufgrund einer Verschlechterung des Akkumulators variieren. Der Akkumulatorwiderstand R kann daher mit jedem geeigneten Verfahren berechnet werden und kann z.B. aus einem Spannungsabfall oder einer in der BMU 19 vorab gespeicherten Datenkarte berechnet werden.
Der Lade-/Entladestromwert I wird mit dem Ausdruck (2) als Summe aus einem Leistungs-Betrag Pco, der die Menge der zwischen dem Stromversorgungssystem 1 und dem Akkumulator 11 geladenen/entladenen Leistung ist, und einer auf das Kühlgerät 14 verteilten Leistung Pcool berechnet. Bei der Berechnung ist die Seite, auf der der Akkumulator mit Pco geladen wird, die positive Seite und die Seite, auf der der Akkumulator Pco entladen wird, die negative Seite. $I = (- Pco + Pcool) /V$
wobei

Pco (W):: Leistung, die zwischen dem Stromversorgungssystem 1 und dem Akkumulator 11 geladen/entladen wird
Pcool (W):: Verteilung der Leistung auf das Kühlgerät 14
V (V):: Akkumulatorspannung

Mit den Ausdrücken (1) und (2) wird die Akkumulator-Wärmeerzeugungsmenge gemäß dem Ausdruck (3) berechnet. $Hg = {((- Pco + Pcool) /V)}^{2} * R$
Eine Akkumulator-Wärmeerzeugungsmengensteigerung Hg' wird mit dem Ausdruck (4) berechnet, in dem die Akkumulator-Wärmeerzeugungsmenge Hg nach Pcool differenziert wird. $Hg' = 2 * R * (- Pco + Pcool) {/V}^{2}$
Das Verfahren zur Berechnung der Kühlluft Wärmeabgabemenge Hd wird im Folgenden beschrieben. 3 ist eine vereinfachte Darstellung zur schematischen Erläuterung der Struktur des Akkumulatorgestells 100 bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 dargestellt, strömt die von dem in das Akkumulatorgestell 100 einzubauende Kühlgebläse 14 erzeugte Kühlluft aus dem Kühllufteinlass, umströmt den Akkumulator 11, um die Wärme des Akkumulators 11 abzuführen, und wird dann aus dem Kühlluftauslass abgegeben.
Die Wärmeabgabemenge Hd wird in diesem Fall mit dem Ausdruck (5) berechnet. $Hd = ρ air * Cair * (Tout - Tin) * Qair$
wobei

Hd (W):: Kühlluft Wärmeabgabemenge
ρair (kg/m³):: Luftdichte
Cair (J/kg*K)):: Luft-spezifische-Wärme
Tout (K):: Kühlluftaustrittstemperatur
Zinn (K):: Kühllufteintrittstemperatur
Qair (m³/s):: Kühlluftvolumenstrom

Die Luftdichte pair und die Luft-spezifische-Wärme Cair müssen keine konstanten Werte sein und können mit jedem geeigneten Verfahren berechnet werden, z.B. aus einer vorher gespeicherten Datenkarte, in der ein Wert der Luftdichte oder der Luft-spezifische-Wärme einer Temperatur zugeordnet ist.
4 ist eine Grafik, die ein Beispiel für eine P-Q-Kurve des Kühlgebläses 14 und den Luftdurchlasswiderstand bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die P-Q-Kurve entspricht einer Kurve, die gezeichnet wird, indem man den Luftdurchsatz auf der Abszissenachse und den Winddruck auf der Ordinatenachse einträgt.
Eine Kurve B stellt den Luftdurchlasswiderstand dar, der mit der Anordnung des Akkumulatorgestells 100 und des Akkumulators 11 bestimmt wird. Die Kurven A1, A2 und A3 stellen die P-Q-Kurven des Kühlventilators dar, die sich in den Drehzahlen des Kühlventilators voneinander unterscheiden, und die P-Q-Kurven werden durch das Modell des Kühlventilators bestimmt. Die Drehzahlen in den Kurven A1, A2 und A3 entsprechen A1 > A2 > A3. Schnittpunkte zwischen der Kurve B und den Kurven A1, A2 und A3 zeigen jeweils einen Winddruck und einen Luftdurchsatz an, mit dem der Akkumulator 11 betrieben bzw. gekühlt wird.
5 ist eine Grafik, die ein Beispiel für die kombinierte Effizienz des Kühlgerät-Stromwandlers 17 und des Motors bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Aus dem Wirkungsgrad des Kühlgerät-Stromwandlers 17 und des in 5 dargestellten Motors, den Eigenschaften des Kühlventilators und dem Luftdurchlasswiderstand R kann der Kühlluftvolumenstrom durch Ausdruck (6) für jede auf das Kühlgerät 14 verteilte Leistungsmenge identifiziert werden, und der identifizierte Wert wird vorab in der Kühlluftstrom-Identifikationseinheit 21 gespeichert. $Qair = An * Pcool$
wobei

Qair (m³/s):: Kühlluftvolumenstrom
An (m³/(s*W)):: Koeffizient, der zur Berechnung des Luftdurchsatzes für jede Leistungsmenge verwendet wird.
Pcool (W):: Verteilung der Leistung auf das Kühlgerät 14

Aus den Ausdrücken (5) und (6) wird die Kühlluft Wärmeabgabemenge Hd mit dem Ausdruck (7) berechnet. $Hd = ρ air * Cair * (Tout - Tin) * An * Pcool$
Eine Kühlluftwärmeabgabe-Steigerung Hd' wird mit dem Ausdruck (8) berechnet, in dem die Kühlluft Wärmeabgabemenge Hd nach Pcool differenziert wird. $Hd' = ρ air * Cair * (Tout - Tin) * (An' * Pcool + An)$
wobei

An' (m³/(s*W²)):: Differenzierung des Koeffizienten zur Berechnung des Luftvolumenstroms für jede Leistungsmenge nach Pcool.

6 ist eine Grafik, die für jede auf das Kühlgerät 14 verteilte Leistungsmenge das Verhältnis zwischen der Akkumulator-Wärmeerzeugungsmengensteigerung Hg' und der Kühlluftwärmeabgabe-Steigerung Hd' bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Kühlluftwärmeabgabe-Steigerung Hd' ist groß in einem Zeitraum, in dem die dezentrale Leistung klein ist. Die Akkumulator-Wärmeerzeugungsmengensteigerung Hg' nimmt jedoch allmählich zu, und das Größenverhältnis zwischen der Kühlluftwärmeabgabe-Steigerung Hd' und der Akkumulator-Wärmeerzeugungsmengensteigerung Hg' wird an einem Schnittpunkt X umgekehrt.
Der Schnittpunkt X ist ein Punkt, an dem Hg' gleich Hd' ist. Dementsprechend wird Pcool am Schnittpunkt X mit dem Ausdruck (9) ausgedrückt. $\begin{matrix} Pcool (X) = ((2 * R * {Pco/V}^{2}) + ρ air * Cair * (Tout - Tin) * An) / \\ ((2 * {R/V}^{2}) - ρ air * Cair * (Tout - Tin) * An') \end{matrix}$
Wenn die auf das Kühlgerät 14 verteilte Leistung auf Pcool(X) oder mehr erhöht wird, übersteigt die Akkumulator-Wärmeerzeugungsmengensteigerung Hg' unerwünscht die KühlluftWärmeabgabe-Steigerung Hd', so dass der Wirkungsgrad der Kühlung des Akkumulators 11 sinkt.
Der Wert von Pcool(x) am Schnittpunkt X wird entsprechend als Schwellenwert Plim für die auf das Kühlgerät 14 verteilte Leistung eingestellt, und von der Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 wird an den Kühlgerät-Stromwandler 17 ein Befehl zur Verteilung der Leistung gleich oder kleiner als Plim an das Kühlgerät 14 ausgegeben.
7 ist eine Grafik zur Darstellung der Lade-/Entladeleistung eines Energiespeichersystems, der Lade-/Entladeleistung des Akkumulators 11 und der Temperatur des Akkumulators 11 bei der bekannten Technik. Insbesondere die Lade-/Entladeleistung des Energiespeichersystems, die Lade-/Entladeleistung des Akkumulators 11 und die Temperatur des Akkumulators 11, die in der Grafik dargestellt sind, sind diejenigen, die bei der bekannten Technik beobachtet werden, wenn eine bestimmte Menge an Leistung vom Akkumulator 11 auf das Kühlgerät 14 verteilt wird, während das Energiespeichersystem entladen wird.
Wenn eine bestimmte Menge an Leistung auf das Kühlgerät 14 verteilt wird, erfolgt die Entladung vom Akkumulator 11 zum Kühlgerät 14, während der Akkumulator eine große Menge an Strom an die externe Stromquelle abgibt, wie in 7 dargestellt. Die Akkumulator-Wärmeerzeugungsmenge Hg durch Joule-Wärme nimmt folglich weiter zu und führt zu einem Abfall des Kühlwirkungsgrades durch den Kühlventilator.
8 hingegen ist eine Grafik zur Darstellung der Lade-/Entladeleistung des Energiespeichersystems, der Lade-/Entladeleistung des Akkumulators 11 und der Temperatur des Akkumulators 11 bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere die Lade-/Entladeleistung des Energiespeichersystems, die Lade-/Entladeleistung des Akkumulators 11 und die Temperatur des Akkumulators 11, die in der Grafik dargestellt sind, sind diejenigen, die bei der ersten Ausführungsform beobachtet werden, wenn eine bestimmte Menge an Leistung vom Akkumulator 11 auf das Kühlgerät 14 verteilt wird, während das Energiespeichersystem entladen wird. Falls die bestimmte Menge an Leistung gleich dem oder größer als der Kühlleistungsschwellenwert Plim ist, wird die auf das Kühlgerät 14 verteilte Leistung auf den Kühlleistungsschwellenwert Plim eingestellt.
Wenn die auf das Kühlgerät 14 verteilte Leistung innerhalb bzw. unterhalb des Kühlleistungsschwellenwerts Plim liegt, wird, wie in 8 dargestellt, bei der Entladung einer großen Strommenge keine Leistung auf das Kühlgerät 14 verteilt. Dadurch wird die Akkumulator-Wärmeerzeugungsmenge Hg reduziert und eine effiziente Kühlung erreicht.
Nachfolgend wird eine detailliertere Beschreibung anhand eines Flussdiagramms über die Reihe von Betriebsschritten des Akkumulator-Kühlungssteuergerätes gemäß der ersten Ausführungsform gegeben. 9 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Reihe von Verarbeitungsschritten, die vom Akkumulator-Kühlungssteuergerät gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Die in 9 dargestellte Verarbeitung wird bei laufendem Energiespeichersystem in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt durchgeführt.
Zunächst erhält die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 das Ergebnis der von der Akkumulatortemperatur-Messeinheit 12 durchgeführten Messung zur Messung der Akkumulator-Temperatur T (Schritt S01). Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 berechnet als nächstes die Systemleistung des Stromversorgungssystems 1 aus Spannung und Strom des Stromversorgungssystems 1, die vom Systemleistungs-Rechner 18 bezogen worden sind und berechnet ferner die Lade-/Entladeleistung Pco zwischen dem Stromversorgungssystem 1 und dem Energiespeichersystem (Schritt S02).
Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 bestimmt als nächstes, ob das Energiespeichersystem geladen oder entladen werden soll (Schritt S03). Bei der Bestimmung, ob das Energiespeichersystem geladen werden soll, vergleicht die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 die Akkumulator-Temperatur T mit einer eingestellten Ladetemperatur T1 (Schritt S04). Wenn das Ergebnis des Vergleichs T ≤ T1 ist, führt die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 die Steuerung derart aus, dass der Akkumulator 11 mit Pco aus der Systemleistung (Schritt S11) geladen wird.
Wenn andererseits das Vergleichsergebnis T > T1 im Schritt S04 ist, wird eine im Voraus eingestellte Leistung P1 von der Systemleistung auf das Kühlgerät 14 (Schritt S05) verteilt und der Akkumulator 11 wird mit Pco-P1 aus der Systemleistung (Schritt S06) geladen. Die angegebene Leistung P1 wird im Voraus als beliebiger konstanter Leistungswert basierend auf dem Wirkungsgrad des Kühlgeräts 14 oder anderen Faktoren eingestellt.
Wenn im Schritt S03 bestimmt wird, dass das Energiespeichersystem entladen werden soll, vergleicht die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 die Akkumulator-Temperatur T mit einer eingestellten Entladetemperatur T2 (Schritt S21). Wenn das Ergebnis des Vergleichs T ≤ T2 ist, führt die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 die Steuerung derart aus, dass Pco aus dem Akkumulator 11 in die Systemleistung entladen wird (Schritt S41).
Wenn hingegen das Ergebnis des Vergleichs T > T2 im Schritt S21 ist, sammelt die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 die Ergebnisse der Messung des Akkumulatorwiderstands R, der Akkumulatorspannung V, der Kühllufteintrittstemperatur Zinn und der Kühlluftaustrittstemperatur Tout (Schritt S22).
Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 berechnet dann den Kühlleistungsschwellenwert Plim (Schritt S23). Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 vergleicht den berechneten Plim mit einer im Voraus eingestellten Leistung P2 (Schritt S24). Wenn das Ergebnis des Vergleichs P2 < Plim ist, führt die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 eine Steuerung durch, so dass Pco vom Akkumulator 11 zur Systemleistung entladen wird und P2 vom Akkumulator 11 zum Kühlgerät 14 entladen wird (Schritt S25).
Wenn im Schritt S24 das Ergebnis des Vergleichs P2 ≥ Plim ist, führt die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 dagegen die Steuerung so durch, dass Pco aus dem Akkumulator 11 in die Systemleistung entladen wird und Plim aus dem Akkumulator 11 in das Kühlgerät 24 (Schritt S31) entladen wird. Die angegebene Leistung P2 wird im Voraus als beliebiger konstanter Leistungswert basierend auf dem Wirkungsgrad des Kühlgeräts 14 oder anderen Faktoren eingestellt.
Die eingestellte Entladetemperatur T2 ist so ausgelegt, dass sie höher ist als die eingestellte Ladetemperatur T1, und die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 steuert derart, dass der Akkumulator 11 auch während der Entladung gekühlt wird, wenn die Kühlung während der Ladung nicht ausreicht oder wenn die Akkumulator-Temperatur aufgrund aufeinanderfolgender Entladezyklen ansteigt.
Wie vorstehend beschrieben, ist gemäß der ersten Ausführungsform eine Konfiguration vorgesehen, bei der die Entladung zum Kühlgerät begrenzt wird, während der Akkumulator durch Einstellen eines Kühlleistungsschwellenwerts eine große Menge Strom an die externe Stromquelle abgibt. Die erste Ausführungsform weist auch bei der Steuerung der Leistung des Kühlgeräts eine Anordnung auf, in der der Akkumulator gekühlt wird, ohne den Lade-/Entladestrom zur/von der externen Stromquelle zu begrenzen.
Das Resultat sind ein Akkumulator-Kühlungssteuergerät und ein Akkumulator-Kühlungssteuerverfahren, bei denen die Fähigkeit zur Stabilisierung der Systemleistung hochgehalten wird, indem der Akkumulator effizient mit einem Kühlgebläse gekühlt wird, während gleichzeitig hohe Temperaturen und eine hohe Last verhindert werden, so dass die Lebensdauer des Akkumulators verkürzt werden kann.
Ausführungsform 2
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befasst sich mit einem Fall, in dem die Ladung unter Berücksichtigung eines Ladestromschwellenwerts gesteuert wird. Die zweite Ausführungsform befasst sich auch mit einem Fall, in dem die Entladung mit dem Kühlleistungsschwellenwert gesteuert wird, der mit einem anderen Verfahren als dem bei der ersten Ausführungsform berücksichtigt wird.
Das Verfahren zum Bestimmen eines Ladestromschwellenwerts bei der zweiten Ausführungsform wird zunächst beschrieben. Die BMU 19 bestimmt zunächst einen SOC-Bereich des Akkumulators 11. Der SOC ist eine Laderate, die die Restkapazität des Akkumulators 11 anzeigt und durch einen Zahlenwert in einem Bereich von 0 % bis 100 % ausgedrückt wird. Ein SOC von 0 % bedeutet einen vollständig entladenen Zustand, und ein SOC von 100 % bedeutet einen vollständig geladenen Zustand.
Der SOC wird durch ein allgemein bekanntes Stromintegrationsverfahren, ein OCV-Schätzverfahren (OCV steht für Open Circuit Voltage, also die Batteriespannung) oder ein ähnliches Verfahren geschätzt. Die Methode zum Schätzen des SOC ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es kann jede beliebige Methode verwendet werden.
Der Bereich von 0 % bis 100 % wird in eine Vielzahl von Bereichen als SOC-Bereiche unterteilt. In diesem Fall beträgt jeder SOC-Bereich 10 % zur Beschreibung, ist aber nicht auf 10 % beschränkt und kann frei bestimmt werden.
Die BMU 19 bestimmt als nächstes einen Temperaturbereich des Akkumulators 11. Die Akkumulatortemperatur wird von der Akkumulatortemperatur-Messeinheit 12 gemessen und es wird bestimmt, zu welchem Temperaturbereich die gemessene Temperatur gehört. In diesem Fall beträgt jeder Temperaturbereich zur leichteren Beschreibung 5 °C, ist aber nicht auf 5 °C beschränkt und kann frei bestimmt werden.
Als Nächstes berechnet die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 den Ladestromschwellenwert aus dem SOC-Bereich und dem Akkumulator-Temperaturbereich. Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 weist eine Tabelle auf, in der vorab ein Ladestromschwellenwert in Verbindung mit einer Kombination aus einem SOC-Bereich und einem Akkumulator-Temperaturbereich definiert wird, und der Ladestromschwellenwert wird aus SOC-Informationen des BMU 19 und aus Temperaturinformationen der Akkumulator-Temperaturmesseinheit 12 bestimmt.

Ein Beispiel für die Tabelle, in der ein Ladestromschwellenwert einer Kombination aus einem SOC-Bereich und einem Akkumulator-Temperaturbereich bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist, ist in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1

Stromfluss (C)		SOC (%)
		-50	50~60	60~70	70~80	80~90	90∼100
Temperatur (°C)	-25	3	3	1.5	0.8	0.5	0
	25~30	1	1	0.7	0.6	0.2	0
	30~35	0.8	0.7	0.6	0.5	0.1	0
	25~40	0.4	0.35	0.3	0.25	0.05	0
	40~	0	0	0	0	0	0

Wenn die Akkumulator-Temperatur 32 °C beträgt und der Akkumulator SOC einen Wert von 75 % besitzt, entnimmt die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 der Tabelle eine Strommenge von 0,5 als Ladestromschwelle. Der Ladestromschwellenwert wird so eingestellt, dass er mit zunehmendem Wert des SOC abnimmt und mit zunehmendem Wert der Akkumulator-Temperaturen abnimmt. Die Änderungen des Ladestromschwellenwerts können monoton sein oder in der Variationsbreite schwanken.
Nachfolgend wird eine detailliertere Beschreibung anhand eines Flussdiagramms über die Reihe von Betriebsschritten des Akkumulator-Kühlungssteuergerätes gemäß der zweiten Ausführungsform gegeben. 10 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Reihe von Schritten, die vom Akkumulator-Kühlungssteuergerät gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Die in 10 dargestellte Verarbeitung wird bei laufendem Energiespeichersystem in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt durchgeführt. Die gleichen Verarbeitungsschritte wie in 9 werden durch die gleichen Schrittnummern gekennzeichnet.
Zunächst erhält die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 das Ergebnis der von der Akkumulatortemperatur-Messeinheit 12 durchgeführten Messung zur Messung der Akkumulator-Temperatur T (Schritt S01). Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 berechnet als Nächstes die Systemleistung des Stromversorgungssystems 1 aus Spannung und Strom des Stromversorgungssystems 1, wie vom Systemleistungs-Rechner 18 bezogen, und berechnet weiterhin die Lade-/Entladeleistung Pco zwischen dem Stromversorgungssystem 1 und dem Energiespeichersystem (Schritt S02).
Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 bestimmt als nächstes, ob das Energiespeichersystem geladen oder entladen werden soll (Schritt S03). Bei der Bestimmung, ob das Energiespeichersystem geladen werden soll, berechnet die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 den Akkumulator SOC (Schritt S51). Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 berechnet dann aus der Akkumulator-Temperatur T und dem Akkumulator SOC (Schritt S52) einen Ladestromschwellenwert 11.
Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 erkennt als nächstes das Ergebnis der Messung des Akkumulatorstromwertes I (Schritt S53) und vergleicht den Akkumulatorstromwert I mit dem Ladestromschwellenwert I1 (Schritt S54). Bei der Feststellung, dass I ≤ I1 ist, führt die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 die Steuerung derart aus, dass der Akkumulator 11 mit Pco aus der Systemleistung (Schritt S11) geladen wird.
Bei der Feststellung, dass I > I1 ist, führt die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 dagegen die Steuerung derart aus, dass Pco-(I1*V) aus der Systemleistung (Schritt S55) auf das Kühlgerät 14 verteilt wird und der Akkumulator 11 aus der Systemleistung (Schritt S56) mit I1*V geladen wird.
Wenn im Schritt S03 bestimmt wird, dass das Energiespeichersystem entladen werden soll, vergleicht die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 die Akkumulator-Temperatur T mit einer eingestellten Entladetemperatur T2 (Schritt S21). Wenn das Ergebnis des Vergleichs T≤T2 ist, führt die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 die Steuerung derart aus, dass Pco aus dem Akkumulator 11 in die Systemleistung entladen wird (Schritt S41).
Wenn jedoch das Ergebnis des Vergleichs T > T2 im Schritt S21 ist, holt die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 die Ergebnisse der Messung des Akkumulatorwiderstands R, der Akkumulatorspannung V, der Kühllufteintrittstemperatur Zinn und der Kühlluftaustrittstemperatur Tout (Schritt S22).
Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 berechnet dann den Kühlleistungsschwellenwert Plim (Schritt S23). Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 multipliziert Plim als nächstes mit einem vorher festgelegten Koeffizienten, z.B. 0,5, um einen Befehlswert P3 zu erzeugen, der angibt, welche Leistung auf das Kühlgerät 14 verteilt werden soll (Schritt S61). Die Lade-/Entlade-Steuereinheit 20 steuert so, dass Pco aus dem Akkumulator 11 in die Systemleistung entladen wird und P3 aus dem Akkumulator 11 in das Kühlgerät 14 entladen wird (Schritt S62).
Der angegebene Koeffizient, mit dem der Schwellenwert für die auf das Kühlgerät 14 zu verteilende Leistung multipliziert wird, ist nicht auf 0,5 begrenzt und kann ein beliebiger Wert zwischen 0 und 1 sein.
11 ist eine Grafik zur Darstellung von zeitlichen Änderungen des Kapazitätserhaltungsverhältnisses, die beim Betrieb des Akkumulators 11 gemäß dem Lade-/Entladeverfahren der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einem Lade-/Entladeverfahren der bekannten Technik beobachtet werden.
Bei der bekannten Technik beschleunigt ein Abfall der Kühleffizienz während der Entladung eine Verschlechterung des Akkumulators 11 und der Kapazitätserhaltungsgrad sinkt mit der Zeit deutlich. Darüber hinaus wird aufgrund des großen Entladestromwertes auch eine Verschlechterung durch hohe Last beobachtet.
Im Vergleich zur bekannten Technik kann die Akkumulator-Temperatur effizient gesteuert werden, wenn der Akkumulator 11 gemäß dem bei der zweiten Ausführungsform beschriebenen Lade-/Entladeverfahren betrieben wird. Darüber hinaus kann verhindert werden, dass der Stromwert während der Entladung ansteigt und somit das Absinken des Kapazitätserhaltungsverhältnisses mit der Zeit verhindert wird, so dass eine Verlängerung der Lebensdauer des Akkumulators 11 zu erwarten ist.
Mit der zweiten Ausführungsform werden die gleichen Effekte wie bei der ersten Ausführungsform durch Einstellen des Kühlleistungsschwellenwertes wie oben beschrieben erzielt. Die zweite Ausführungsform weist auch eine Konfiguration auf, bei der die Ladesteuerung mit einem Ladestromschwellenwert und die Entladesteuerung mit einem Befehlswert durchgeführt werden kann, der sich durch Multiplikation des Kühlleistungsschwellenwertes mit einem gegebenen Koeffizienten ergibt. Die Lade-/Entladesteuerung ist feiner an den Zustand des Gerätes angepasst als bei der ersten Ausführungsform.
12 ist eine Grafik zur Darstellung von Wärmeabgabemengen, Wärmeerzeugungsmengen, Wärmeabgabe-Steigerungen und Wärmeerzeugungs-Steigerungen, die beim Betrieb des Akkumulators 11 gemäß dem Lade-/Entladeverfahren der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und dem Lade-/Entladeverfahren der bekannten Technik beobachtet werden. Ein Schnittpunkt, an dem die Wärmeerzeugungsmenge und die Wärmeabgabemenge gleich sind, wird als Schnittpunkt Y dargestellt. Ein Schnittpunkt, an dem die Wärmeerzeugungs-Steigerung und die Wärmeabgabe-Steigerung gleich sind, wird als Schnittpunkt X dargestellt.
Bei der bekannten Technik wird die Kühlleistung gleich oder niedriger gehalten als der Schnittpunkt Y, an dem die Wärmeerzeugungsmenge und die Wärmeabgabemenge gleich sind. Durch die Zuweisung von Leistung an das Kühlgerät entsteht jedoch ein Bereich gleich oder höher als der Schnittpunkt X und niedriger als der Schnittpunkt Y, in dem die Wärmeerzeugungs-Steigerung die Wärmeabgabe-Steigerung übersteigt, innerhalb des Bereichs, in dem die Wärmeerzeugungsmenge die Wärmeabgabemenge nicht übersteigt, was zu einer Verringerung der Kühlleistung führt.
Wenn der Akkumulator 11 mit dem bei der zweiten Ausführungsform beschriebenen Lade-/Entladesteuerungsverfahren betrieben wird, wird dagegen die Kühlleistung am Schnittpunkt X als Kühlleistungsschwellenwert Plim eingestellt und die Kühlleistung gleich oder kleiner als Plim geregelt. Die Akkumulator-Temperatur kann somit im Vergleich zur bekannten Technik effizient gesteuert werden.
Bezugszeichenliste

1: Stromversorgungssystem
2: Solarstromerzeuger
3: Windkraftanlage
4: Stromrichter
5: Last
11: Akkumulator
12: Akkumulatortemperatur-Messeinheit
13: Kühllufteintrittstemperatur-Messeinheit
14: Kühlgerät
15: Kühlluftaustrittstemperatur-Messeinheit
16: Akkumulator-Stromrichter
17: Kühlgerät-Stromrichter
18: Systemleistungs-Rechner
19: BMU
20: Lade-/Entlade-Steuereinheit
21: Kühlluftstrom-Identifikationseinheit
22: Kühlleistungsschwellen-Berechnungseinheit
100: Akkumulatorgestell

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005063682 A [0006]
JP 2015208061 A [0006]

Claims

Akkumulator-Kühlungssteuergerät, zur Steuerung eines Akkumulatorsystems, das einen Akkumulator, der mit einer externen Stromquelle verbunden ist, um zu laden und zu entladen, und ein Kühlgerät aufweist, das zum Kühlen des Akkumulators ausgebildet ist, und das zum Steuern einer Kühlung des Akkumulators durch Steuern des Kühlgeräts in einer Weise ausgebildet ist, die für einen Lade-/Entladezustand geeignet ist, wobei das Akkumulator-Kühlungssteuergerät Folgendes aufweist: - einen Systemleistungs-Rechner, der so ausgebildet ist, dass er als Leistungsinformation die Leistung der externen Energiequelle aus einer Spannung und einem Strom der externen Energiequelle berechnet; - eine Kühlluftstrom-Identifikationseinheit, die so ausgebildet ist, dass sie einen Kühlluftvolumenstrom aus der Leistungsaufnahme zum Kühlgerät identifiziert; - eine Kühllufteintrittstemperatur-Messeinheit, die so ausgebildet ist, dass sie eine Temperatur an einem Kühllufteinlass eines Gehäuses erfasst, in dem sich der Akkumulator befindet; - eine Kühlluftaustrittstemperatur-Messeinheit, die die so ausgebildet ist, dass sie eine Temperatur an einem Kühlluftauslass des Gehäuses erfasst; und - eine Lade-/Entlade-Steuereinheit, die so ausgebildet ist, dass sie eine Lade-/Entladesteuerung des Akkumulators basierend auf den vom Systemleistungs-Rechner berechneten Leistungsinformationen durchführt und eine Leistungssteuerung des Kühlgeräts durch Verteilen der Leistung auf das Kühlgerät innerhalb eines Kühlleistungsschwellenwerts durchführt, der aus einer Wärmeerzeugungsmenge des Akkumulators und einer Wärmeabgabemenge der durch das Kühlgerät abgeführten Wärme bestimmt wird, wobei die Lade-/Entlade-Steuereinheit so ausgebildet ist, dass sie die Wärmeerzeugungsmenge des Akkumulators aus der Leistungsaufnahme zum Kühlgerät und aus der vom Systemleistungs-Rechner berechneten Leistung der externen Energiequelle berechnet, die Wärmeabgabemenge der vom Kühlgerät abgeführten Wärme aus dem durch die Kühlluftstrom-Identifikationseinheit identifizierten Kühlluftvolumenstrom, aus der von der Kühllufteintrittstemperatur-Messeinheit am Kühllufteintritt erfassten Temperatur und der von der Kühlluftaustrittstemperatur-Messeinheit am Kühlluftausgang erfassten Temperatur berechnet und den Kühlleistungsschwellenwert so bestimmt, dass eine Wärmeerzeugungs-Steigerung gleich oder kleiner als eine Wärmeabgabe-Steigerung ist; und dass eine Lade-/Entladesteuerung durchgeführt wird, basierend auf den Leistungsinformationen durch Laden von überschüssiger Leistung der externen Stromquelle und Entladen einer in der externen Stromquelle fehlenden Leistungsmenge und Durchführen der Leistungssteuerung durch Verteilen der Leistung auf das Kühlgerät in einem Bereich, der gleich oder kleiner als der Kühlleistungsschwellenwert ist.
Akkumulator-Kühlungssteuergerät nach Anspruch 1, das ferner eine Akkumulatortemperatur-Messeinheit aufweist, die eine Akkumulator-Temperatur erfasst, wobei die Lade-/Entlade-Steuereinheit so ausgebildet ist, dass sie die Leistungssteuerung durch Verteilen von Leistung an das Kühlgerät durchführt, wenn die Akkumulator-Temperatur höher ist als ein im Voraus festgelegter Temperaturschwellenwert, und durch Verteilen von keiner Leistung an das Kühlgerät durchführt, wenn die Akkumulator-Temperatur gleich oder niedriger als der Temperaturschwellenwert ist.
Akkumulator-Kühlungssteuergerät nach Anspruch 2, das Folgendes aufweist: - eine Batterieverwaltungseinheit mit einer Schutzfunktion zum Schutz des Akkumulators und einer Zustandsüberwachungsfunktion zum Überwachen des Zustands des Akkumulators vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass sie einen Stromwert des Akkumulators misst, und eine Laderate schätzt, die eine Restkapazität des Akkumulators anzeigt; und - eine Speichereinheit vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass sie im Voraus eine Tabelle zum Bestimmen eines Ladestromschwellenwerts in Verbindung mit einer Kombination aus der Laderate und der Akkumulator-Temperatur speichert, wobei die Lade-/Entlade-Steuereinheit so ausgebildet ist, dass sie aus der Tabelle den Ladestromschwellenwert entnimmt, der dem von der Akkumulatortemperatur-Messeinheit erfassten Akkumulator-Temperaturwert und der von der Batterie-Verwaltungseinheit geschätzten Laderate zugeordnet ist, und die Leistungssteuerung durchführt, indem sie die Leistung auf das Kühlgerät verteilt, wenn der von der Batterie-Verwaltungseinheit gemessene Stromwert des Akkumulators höher ist als der aus der Tabelle entnommene Ladestromschwellenwert, und indem sie keine Leistung an das Kühlgerät verteilt, wenn der Stromwert des Akkumulators gleich oder kleiner als der Ladestromschwellenwert ist.
Akkumulator-Kühlungssteuerverfahren, das in dem Akkumulator-Kühlungssteuergerät nach Anspruch 1 durch die Lade-/Entlade-Steuereinheit auszuführen ist, wobei das Akkumulator-Kühlungssteuerverfahren folgende Schritte umfasst: - einen ersten Schritt zur Berechnen der Wärmeerzeugungsmenge des Akkumulators aus der Leistungsaufnahme zum Kühlgerät und aus der vom Systemleistungs-Rechner berechneten Leistung der externen Stromquelle; - einen zweiten Schritt zum Berechnen der Wärmeabgabemenge der vom Kühlgerät abgeführten Wärme aus dem von der Kühlluftstrom-Identifikationseinheit identifizierten Kühlluftvolumenstrom, aus der von der Kühllufteintrittstemperatur-Messeinheit am Kühllufteintritt erfassten Temperatur und aus der von der Kühlluftaustrittstemperatur-Messeinheit am Kühlluftausgang erfassten Temperatur; - einen dritten Schritt zum Bestimmen des Kühlleistungsschwellenwertes, so dass eine Wärmeerzeugungs-Steigerung gleich oder kleiner als eine Wärmeabgabe-Steigerung ist; - einen vierten Schritt zum Durchführen der Lade-/Entladesteuerung basierend auf den Leistungsinformationen, durch Laden überschüssiger Energie der externen Energiequelle und Entladen einer Energiemenge, die in der externen Energiequelle knapp ist; und - einen fünften Schritt zur Durchführen der Leistungsregelung durch Verteilen der Leistung an das Kühlgerät in einem Bereich, der gleich oder kleiner als der Kühlleistungsschwellenwert ist.
Akkumulator-Kühlungssteuerverfahren nach Anspruch 4, das einen sechsten Schritt umfasst, zum Erfassen einer Akkumulator-Temperatur über eine Akkumulator-Temperatur-Messeinheit, wobei der fünfte Schritt das Durchführen der Leistungssteuerung durch Verteilen der Leistung an das Kühlgerät aufweist, wenn die Akkumulator-Temperatur höher als ein Temperaturschwellenwert ist, der im Voraus eingestellt ist, und durch Verteilen von keiner Leistung an das Kühlgerät, wenn die Akkumulator-Temperatur gleich oder niedriger als der Temperaturschwellenwert ist.
Akkumulator-Kühlungssteuerverfahren nach Anspruch 5, das ferner Folgendes umfasst: - einen siebten Schritt zum Erhalten eines Stromwertes des Akkumulators und einer Laderate, die eine Restkapazität des Akkumulators anzeigt, über eine Batterieverwaltungseinheit, die eine Schutzfunktion zum Schutz des Akkumulators und eine Zustandsüberwachungsfunktion zum Überwachen eines Zustands des Akkumulators aufweist, und - einen achten Schritt, in welchem vorab in einer Speichereinheit eine Tabelle zum Bestimmen eines Ladestromschwellenwerts in Verbindung mit einer Kombination aus der Laderate und dem Akkumulator-Temperatur gespeichert wird, wobei der fünfte Schritt das Entnehmen des Ladestromschwellenwerts, der dem im sechsten Schritt erfassten Akkumulator-Temperatur und der im siebten Schritt erhaltenen Laderate zugeordnet ist, aus der in der Speichereinheit gespeicherten Tabelle, und das Durchführen der Leistungssteuerung umfasst durch Verteilen von Leistung an das Kühlgerät, wenn der im siebten Schritt erhaltene Stromwert des Akkumulators höher ist als der aus der Tabelle entnommene Ladestromschwellenwert, und wobei keine Leistung an das Kühlgerät verteilt wird, wenn der Stromwert des Akkumulators gleich dem oder niedriger als der Ladestromschwellenwert ist.