EP2612394A1 - System zur speicherung elektrischer energie - Google Patents

System zur speicherung elektrischer energie

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EP2612394A1
EP2612394A1 EP11748894.0A EP11748894A EP2612394A1 EP 2612394 A1 EP2612394 A1 EP 2612394A1 EP 11748894 A EP11748894 A EP 11748894A EP 2612394 A1 EP2612394 A1 EP 2612394A1
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EP
European Patent Office
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memory cells
voltage
module
temperature
electrical energy
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11748894.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Conrad RÖSSEL
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a system for storing electrical energy according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a method for storing electrical energy.
  • Systems for storing electrical energy, and in particular for storing electrical traction energy in electric vehicles or in particular in hybrid vehicles, are known from the general state of the art.
  • Such systems are designed to store electrical energy by means of individual memory cells, which are electrically interconnected, for example, in series and / or in parallel.
  • Quantities of energy and performance in the storage and removal of energy, when used in powertrains for vehicles, and in particular for commercial vehicles, are preferably used as memory cells memory cells with a sufficient energy content and high performance.
  • memory cells may be, for example, rechargeable battery cells in lithium-ion technology, or in particular but memory cells in the form of very powerful
  • Double-layer capacitors are also commonly referred to as supercapacitors, supercaps or ultracapacitors. Regardless of whether supercapacitors or accumulator cells are used with high energy content, in such structures of a plurality of memory cells, which are connected in series or in blocks in series, the voltage of the individual memory cell due to design limited to an upper voltage value or a threshold voltage. Will this upper voltage value, for example when loading the Systems for storing electrical energy exceeded, the life of the memory cell is generally drastically reduced.
  • Memory cells in their properties typically slightly different from each other. As a result, individual memory cells have a slightly lower voltage than others
  • Voltage can be increased so that at least the risk of polarity reversal is reduced.
  • Resistor is connected in parallel with each individual memory cell and thus a constant unwanted discharge and heating of the system for
  • an electronic threshold value switch is connected in parallel with the memory cell and in series with the resistor.
  • This construction also referred to as bypass electronics, always allows a current to flow when the operating voltage of the cell is above a predetermined threshold voltage. As soon as the voltage of the individual memory cell falls back into a range below the predetermined threshold voltage, the switch is opened and no current flows. Due to the fact that the electrical resistance across the switch is always overridden when the voltage of the individual memory cells is below the predetermined limit, an undesirable
  • Hybrid drives and especially in hybrid drives for commercial vehicles, such as buses in urban / suburban transport, crucial.
  • the system for storing electrical energy represents a significant portion of the cost of hybrid propulsion. Therefore, it is particularly important that very long lifetimes be achieved in such applications.
  • the operating temperature of the memory cell is another the
  • temperature-dependent life of the storage cells is taken into account. As memory cells age faster, thereby rendering the entire memory system inoperative, while most of the memory cells having a lower level temperature history are still functional, the invention contemplates that the voltage of cells actually or expected to be higher Temperature are exposed, a lower voltage is assigned. This is achieved, for example, by lowering the threshold voltage of the cells in question.
  • the temperature differences of the individual memory cells include the different effective cooling of the individual memory cells
  • part of the memory cells receives cooling air, which has already been heated by another part of the memory cells. But since memory cells of a module are connected in series, each memory cell of the module generates approximately the same heat loss. Due to the inevitable differences in the cooling arise different
  • Memory cell temperatures The lifetime of the memory cells is highly age-dependent. Memory cells that operate at a higher temperature level age faster and lead to one after their failure
  • Temperature medium cells maintain their mean voltage, the cells with higher temperature is assigned a lower voltage and the cells with a lower temperature a higher voltage. The voltage of the module remains unchanged.
  • the temperatures assigned to the individual memory cells can be any temperature assigned to the individual memory cells.
  • each memory cell be determined for example by means of sensors on each memory cell.
  • Modules by the location within a parent assembly or other thermally relevant components or by the
  • the air flow may also be caused by the speed of the vehicle, for example.
  • FIG. 1 shows an exemplary construction of a hybrid vehicle
  • Figure 2 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 1 shows an example of a hybrid vehicle 1 is indicated. It has two axles 2, 3 each with two wheels 4 indicated by way of example.
  • the axle 3 is intended to be a driven axle of the vehicle 1, while the axle 2 merely travels in a manner known per se. To drive the axis 3 is
  • Internal combustion engine 6 and an electric machine 7 receives and directs in the area of the driven axle 3.
  • the electric machine 7 alone or in addition to the drive power of
  • Internal combustion engine 6 drive power in the area of the driven 3 axis and thus drive the vehicle 1 or support the drive of the vehicle 1.
  • the electric machine 7 can be operated as a generator, so as to recover the braking power and store it accordingly.
  • a sufficient amount of energy in a city bus as a vehicle 1 for braking operations from higher speeds, which will certainly be at a maximum of about 70 km / h in a city bus, a sufficient amount of energy in a city bus.
  • the structure according to FIG. 1 has an inverter 9, which is designed in a manner known per se with an integrated control device for the energy management.
  • the energy flow between the electric machine 7 and the system 10 for storing the electrical energy is correspondingly coordinated via the converter 9 with the integrated control device.
  • the control device ensures that when braking in the region of the then regeneratively driven electric machine 7 resulting power is stored as much as possible in the system 10 for storing the electrical energy, wherein a predetermined upper voltage limit of the system 10 may not be exceeded in general.
  • the control device in the inverter 9 coordinates the
  • FIG. 2 shows a schematic detail of a system 10 according to the invention for storing electrical energy.
  • system 10 for storing electrical energy are conceivable.
  • such a system 10 is constructed such that a plurality of memory cells 12 are typically connected in series in the system 10. These memory cells can accumulator cells and / or
  • the memory cells 12 are all designed as supercapacitors, that is to say as double-layer capacitors, which are to be used in a system 10 for storing electrical energy in the vehicle 1 equipped with the hybrid drive.
  • the structure can preferably be used in a commercial vehicle, such as a bus for the city / local traffic. This is achieved by frequent start-up and braking maneuvers in conjunction with a very high vehicle mass, a particularly high efficiency of storage of electrical energy through the supercapacitors, since comparatively high currents flow.
  • the memory cells 12 can be seen in FIG. Only three serially connected memory cells 12 are shown. In the above embodiment and a corresponding electrical
  • FIG. 2 shows an embodiment of the inventive concept.
  • the electrical energy storage system 10 includes a plurality of memory cells 12 connected in series. These are structurally summarized in a module 13. Each of the memory cells 12 has a parallel to the respective memory cell 12 connected electrical load in the form of an ohmic resistor 14. This resistor 14 is connected in series with a switching element 16 in parallel with each of the memory cells 12. The switch 16 is designed as a threshold value. The individual switches 16 are provided with a control input 18.
  • Each of the control inputs 18 is connected via lines to a bus system 20, such as a CAN bus system.
  • a bus system 20 such as a CAN bus system.
  • To the bus system 20 is a bus system 20, such as a CAN bus system.
  • Control unit 22 connected.
  • the control device 22 is likewise connected to the bus system 20, sends information to the control inputs 18 of the threshold value switch 16 and thus makes it possible, for example, to increase or decrease the triggering voltage, that is to say the threshold voltage of the threshold value switch 16.
  • Threshold switch 16 Furthermore, it is possible not only to send information to the control inputs via the bus system 20, but also to receive data of the memory cells 12.
  • the data which can be interrogated by the memory cells 12 may be, for example, the instantaneous voltage of the memory cells 12.
  • a possible embodiment provides to determine the cell temperature of the memory cells 12. In operation, in the preferred embodiment of FIG. 2, the control unit determines the individual temperatures of the memory cells from assumptions about the temperature distribution within the module or module
  • the assumptions may come from model-based calculations such as a thermal model of the structure, memory cell life models, and / or experiments. Furthermore, the control unit 22, the total voltage of the module or the memory and the voltages of the individual memory cells 12 are known.
  • memory cells 12 which have an average temperature are preferably assigned an average voltage, for example 2.5 V, by the control unit 22.
  • High temperature memory cells 12 are assigned a lower voltage, for example, 2.42V.
  • Low temperature memory cells 12 are assigned a higher voltage, for example 2.55V.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung elektrischer Energie, umfassend mehrere eine Betriebsspannung aufweisende Speicherzellen, wobei parallel zu einer Speicherzelle ein elektrischer Verbraucher sowie ein Schaltglied in Reihe mit dem Verbraucher angeordnet sind und wobei das Schaltglied bei Erreichen oder Überschreiten einer Schwellenspannung geschlossen wird, wobei das System zumindest ein mehrere Speicherzellen umfassendes Modul umfasst. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Steuereinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, einzelnen Speicherzellen eine Temperatur und dem Modul eine Modulspannung zuzuordnen und in Abhängigkeit von der zugeordneten Temperatur die Schwellenspannung einzelner Speicherzellen unter Beibehaltung der Modulspannung zu beeinflussen.

Description

System zur Speicherung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung elektrischer Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie.
Systeme zur Speicherung von elektrischer Energie, und hier insbesondere zur Speicherung von elektrischer Traktionsenergie in Elektrofahrzeugen oder insbesondere in Hybridfahrzeugen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise sind solche Systeme zur Speicherung von elektrischer Energie mittels einzelner Speicherzellen ausgebildet, welche beispielsweise in Reihe und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind.
Grundsätzlich sind als Speicherzellen dabei verschiedenartige Akkumulatorzellen oder Kondensatoren denkbar. Aufgrund der vergleichsweise hohen
Energiemengen und Leistungen bei der Speicherung und Entnahme der Energie, bei der Anwendung in Antriebssträngen für Fahrzeuge, und hier insbesondere für Nutzfahrzeuge, werden als Speicherzellen bevorzugt Speicherzellen mit einem ausreichenden Energieinhalt und hoher Leistung eingesetzt. Dies können beispielsweise Akkumulatorzellen in Lithium-Ionen-Technologie sein, oder insbesondere aber Speicherzellen in Form von sehr leistungsstarken
Doppelschicht-Kondensatoren. Diese Kondensatoren werden im Allgemeinen auch als Superkondensatoren, Supercaps oder Ultra-Capacitors bezeichnet. Unabhängig davon, ob nun Superkondensatoren oder Akkumulatorzellen mit hohem Energieinhalt eingesetzt werden, ist bei derartigen Aufbauten aus einer Vielzahl von Speicherzellen, welche insgesamt oder in Blöcken in Reihe zueinander verschaltet sind, die Spannung der einzelnen Speicherzelle bauartbedingt auf einen oberen Spannungswert beziehungsweise einer Schwellenspannung begrenzt. Wird dieser obere Spannungswert, beispielsweise beim Laden des Systems zur Speicherung von elektrischer Energie überschritten, so wird die Lebensdauer der Speicherzelle im Allgemeinen drastisch reduziert.
Aufgrund von vorgegebenen Fertigungstoleranzen weichen die einzelnen
Speicherzellen in ihren Eigenschaften (zum Beispiel Selbstentladung) in der Praxis typischerweise geringfügig voneinander ab. Dies hat zur Folge, dass einzelne Speicherzellen eine etwas geringere Spannung aufweisen als andere
Speicherzellen in dem System. Da die maximale Spannung für das gesamte System im Allgemeinen jedoch gleich bleibt und dies das insbesondere beim Laden typische Ansteuerungskriterium darstellt, kommt es so unweigerlich dazu, dass andere Speicherzellen eine etwas höhere Spannung aufweisen und bei
Ladevorgängen dann über die erlaubte Spannungsgrenze hinaus geladen werden. Eine solche Überspannung führt, wie bereits oben erwähnt, zu einer erheblichen Reduzierung der möglichen Lebensdauer dieser einzelnen Speicherzellen und damit des Systems zur Speicherung von elektrischer Energie.
Andererseits können in ihrer Spannung stark abgesenkte Speicherzellen in dem System zur Speicherung elektrischer Energie im zyklischen Betrieb umgepolt werden, was ebenfalls die Lebensdauer drastisch reduziert.
Um diesen Problematiken zu begegnen, kennt der allgemeine Stand der Technik im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von sogenannten
Zellspannungsausgleichen, welche jeweils zentral oder dezentral aufgebaut sind. In einer zentralen Elektronik sind alle Komponenten zum Beispiel in einer
Steuereinheit zusammengefasst, während beim dezentralen Aufbau an jeweils ein bis zwei Speicherzellen die einzelnen Komponenten beispielsweise auf einer kleinen Platine für speziell diese ein bis zwei Speicherzellen angebracht sind. Die allgemein übliche Terminologie des Zellspannungsausgleichs ist hier ein wenig irreführend, da hierdurch nicht Spannungen oder genauer gesagt Energien der einzelnen Speicherzellen untereinander ausgeglichen werden, sondern es werden die Zellen mit hohen Spannungen in ihren zu hohen Spannungen reduziert. Da die Gesamtspannung(en) des Systems zur Speicherung von elektrischer Energie konstant bleiben, kann durch den sogenannten Zellspannungsausgleich jedoch eine in ihrer Spannung abgesenkte Zelle im Laufe der Zeit wieder in ihrer
Spannung erhöht werden, sodass zumindest die Gefahr eines Umpolens reduziert wird.
Neben einem passiven Zellspannungsausgleich, bei dem ein elektrischer
Widerstand parallel zu jeder einzelnen Speicherzelle geschaltet ist und somit eine ständige unerwünschte Entladung und auch Erwärmung des Systems zur
Speicherung von elektrischer Energie stattfindet, wird auch ein aktiver
Zellspannungsausgleich eingesetzt. Dabei wird zusätzlich ein elektronischer Schwellwertschalter parallel zu der Speicherzelle und in Reihe zu dem Widerstand geschaltet. Dieser auch als Bypass-Elektronik bezeichnete Aufbau lässt dabei immer nur dann einen Strom fließen, wenn die Betriebsspannung der Zelle oberhalb einer vorgegebenen Schwellenspannung liegt. Sobald die Spannung der einzelnen Speicherzelle wieder in einen Bereich unterhalb der vorgegebenen Schwellenspannung fällt, wird der Schalter geöffnet und es fließt kein Strom mehr. Aufgrund der Tatsache, dass der elektrische Widerstand über den Schalter immer dann außer Kraft gesetzt wird, wenn die Spannung der einzelnen Speicherzellen unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts ist, kann auch eine unerwünschte
Entladung des gesamten Systems zur Speicherung elektrischer Energie
weitgehend vermieden werden. Auch eine ständige unerwünschte
Wärmeentwicklung ist bei diesem Lösungsansatz des aktiven
Zellspannungsausgleichs kein Problem. Allerdings erfolgt durch den aktiven
Zellspannungsausgleich kein wirklicher Ausgleich der einzelnen Spannungen der Zellen untereinander, sondern beim Überschreiten der Schwellenspannung wird die Speicherzelle mit einem kleinen Bypass-Strom entladen, um durch einen langsamen Abbau der Überspannung das Überschreiten zu begrenzen. Der Bypass-Strom fließt dabei nur so lange, bis das System zur Speicherung von elektrischer Energie wieder entladen wird, da hierbei die entsprechende
Spannungsgrenze unterschritten und der Schalter wieder geöffnet wird. Die Lebensdauer des Systems zur Speicherung elektrischer Energie ist bei
Hybridantrieben, und hier insbesondere bei Hybridantrieben für Nutzfahrzeuge, beispielsweise Omnibusse im Stadt-/Nahverkehr, von entscheidender Bedeutung. Anders als bei herkömmlichen Antriebssträngen in der für derartige Anwendungen geeigneten Leistungsklasse stellt das System zur Speicherung elektrischer Energie einen erheblichen Teil der Kosten für den Hybridantrieb dar. Daher ist es besonders wichtig, dass bei solchen Anwendungen sehr hohe Lebensdauern erzielt werden.
Neben dem erwähnten Umstand, dass die Betriebsspannung einzelner
Speicherzellen im Lade-/Entladezyklus ungewollt eine Schwellenspannung übersteigt, ist die Betriebstemperatur der Speicherzelle ein weiterer die
Lebensdauer entscheidend beeinflussender Parameter. Die Lebensdauer beispielsweise von Doppelschicht-Kondensatoren ist stark abhängig von der
Betriebstemperatur und der dabei anliegenden Spannung. Insbesondere bei einem Einsatz von Energiespeichern beim Betrieb eines Hybridfahrzeugs herrschen für die einzelnen Speicherzellen unterschiedlich wirksame Kühlungsmöglichkeiten. Beispielsweise erreichen manche Speicherzellen oder Module Kühlluft, die bereits andere Speicherzellen oder Module gekühlt hat. Da Speicherzellen in Reihe geschaltet sind, führen die in Reihe geschalteten Speicherzellen den gleichen Strom und erzeugen damit auch die gleiche Verlustwärme je Speicherzelle. Durch die unvermeidlichen Unterschiede hinsichtlich der Kühlung der Speicherzellen treten von Speicherzelle zu Speicherzelle unterschiedliche Temperaturen auf.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein System zur Speicherung elektrischer Energie anzugeben, das eine möglichst hohe Lebensdauer und eine geringe
Ausfallwahrscheinlichkeit aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein System und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße System hat den Vorteil, dass der stark
temperaturabhängigen Lebensdauer der Speicherzellen Rechnung getragen wird. Nachdem Speicherzellen mit höherer Temperatur schneller altern und damit das gesamte Speichersystem funktionsunfähig werden lassen können, obwohl noch der Großteil der Speicherzellen mit einer Temperaturhistorie auf niedrigerem Niveau noch funktionsfähig sind, sieht die Erfindung vor, dass die Spannung von Zellen, die tatsächlich oder voraussichtlich einer höheren Temperatur ausgesetzt sind, eine niedrigere Spannung zugeordnet wird. Dies wird beispielsweise durch Absenken der Schwellenspannung der betreffenden Zellen erreicht. Die Temperaturunterschiede der einzelnen Speicherzellen sind unter anderem auf die unterschiedlich wirksame Kühlung der einzelnen Speicherzellen
zurückzuführen. Beispielsweise bekommt ein Teil der Speicherzellen Kühlluft zugeführt, die bereits durch einen anderen Teil der Speicherzellen erwärmt worden ist. Da aber Speicherzellen eines Moduls in Reihe geschaltet sind, erzeugt jede Speicherzelle des Moduls in etwa die gleiche Verlustwärme. Durch die unvermeidlichen Unterschiede in der Kühlung entstehen unterschiedliche
Speicherzellentemperaturen. Die Lebensdauer der Speicherzellen ist stark alterungsabhängig. Speicherzellen, die auf einem höheren Temperaturniveau betrieben werden, altern schneller und führen nach ihrem Ausfall zu einem
Gesamtausfall des Moduls bzw. Speichers, obwohl die auf einem niedrigeren Temperaturniveau betriebenen Speicherzellen noch funktionsfähig sind.
Dies ist insbesondere bei Anwendungen des Speichersystems von hoher Relevanz, bei denen hohe Energiemengen in kurzer Zeit von den Speicherzellen
aufgenommen oder abgegeben werden. Dies tritt beispielsweise bei der
Rekuperation von Bremsenergie oder etwa bei Beschleunigungsvorgängen (Boosten) auf. Diese Lade-/Entladezyklen bewirken eine schnelle Freisetzung großer Abwärmemengen, durch die sich die Speicherzellen erhitzen.
Die bei hohen Temperaturen einsetzenden Alterungseffekte wie etwa die
Abnahme der Kapazität und die Zunahme des Innenwiderstands sind bei derartigen Anwendungen mit regelmäßig hohen Leistungsanforderungen, wie sie etwa bei Hybridantrieben in Stadtbussen auftreten, ausgeprägt selbstverstärkend. Mit Zunahme des Innenwiderstands steigt die Verlustwärme weiter an, was die Zelle mit ohnehin schon höherer Temperatur wiederum noch stärker erwärmt und damit fortschreitend schneller altern lässt.
Die erfindungsgemäße Lösung behebt dieses Problem, indem die in der
Temperatur mittleren Zellen ihre mittlere Spannung behalten, die Zellen mit höherer Temperatur eine niedrigere Spannung und die Zellen mit einer niedrigeren Temperatur eine höhere Spannung zugeordnet wird. Die Spannung des Moduls bleibt dadurch unverändert.
Die erforderlichen Spannungsabsenkungen und die erforderlichen
Spannungserhöhungen gegenüber den mittleren Zellen ergeben sich
beispielsweise aus dem absoluten Temperaturniveau und/oder den
Temperaturunterschieden zwischen den Speicherzellen.
Die den einzelnen Speicherzellen zugeordneten Temperaturen können
beispielsweise mittels Sensoren an jeder Speicherzelle ermittelt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die den einzelnen Speicherzellen zugeordneten Temperaturen aus
modellgestützten Berechnungen ermittelt werden. Es findet keine Messung der aktuellen Temperatur statt, wodurch der damit verbundene Aufwand hinsichtlich Sensoren, Verkabelung und Auswertung entfällt. Es wird stattdessen
beispielsweise aus einem thermischen Modell und einer Simulation des Aufbaus, aus Lebensdauermodellen der Speicherzellen und/oder empirisch aus Versuchen die mögliche Temperaturverteilung zwischen den einzelnen Speicherzellen ermittelt. Dabei ergibt sich aufgrund der Anordnung der Speicherzellen in einem Modul eine weitgehend vorhersagbare Temperaturverteilung. Diese wird beispielsweise durch die Lage der Speicherzelle innerhalb des Moduls wie etwa eine Rand- oder Mittenlage, durch die Lage des Moduls relativ zu anderen
Modulen, durch die Lage innerhalb einer übergeordneten Baugruppe oder bezüglich anderen wärmetechnisch relevanten Bauteilen oder durch die
Anströmrichtung der Speicherzellen oder des Moduls durch den für die Kühlung vorgesehenen Luftstrom. Der Luftstrom kann beispielsweise auch durch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs hervorgerufen sein.
Für die Einstellung der Spannungswerte der einzelnen Zellen kann es
verschiedenen Strategien geben.
Es kann für Speicherzellen, für die eine hohe thermische Belastung zu erwarten ist, bereits im Voraus" eine geringere Spannungsbelastung gewählt werden. Es wird somit nicht erst abgewartet, bis eine entsprechende Zellentemperatur erreicht wird und dann durch Senken der Spannung gegengesteuert, sondern es wird stets ein Spannungsniveau eingestellt, das einer zu erwartenden Temperatur der Zelle entspricht.
Es kann aber auch die Temperaturermittlung zusätzlich auf den momentanen Betriebszustand, auf zu erwartenden Betriebssituationen oder/und auf
Umgebungsdaten gestützt werden. Bei einem Einsatz des Speichers in einem Hybridfahrzeug wären dies beispielsweise Stadtfahrt oder /Überlandfahrt,
Funktionsfähigkeit der Kühlung, gemessene Außentemperatur, Klima oder Höhe des Einsatzorts, etc. Auf diese Weise kann noch besser einer für die Alterung einzelner Zellen ungünstigen Konstellation aus Spannung und Temperatur entgegengewirkt und damit ein unter Umständen nicht genau vorhersagbarer Alterungsverlauf vermieden werden. Die unterschiedlichen Spannungen der Speicherzellen können durch Vorgaben der Steuereinheit an die Schaltglieder beziehungsweise Kontrolleingänge der
Schwellwertschalter der einzelnen Zellen realisiert werden. Dabei kann
beispielsweise ein CAN-Bus-System eingesetzt werden.
Damit wird eine starke Vergleichmäßigung der Alterung aller Zellen erreicht, was insgesamt zu einer optimierten Lebensdauer und Ausnutzung des Speichers führt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner aus dem
Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben ist. Es zeigen:
Figur 1 einen beispielhaften Aufbau eines Hybridfahrzeugs;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform eines Systems zur Speicherung elektrischer
Energie.
In Figur 1 ist ein beispielhaftes Hybridfahrzeug 1 angedeutet. Es verfügt über zwei Achsen 2, 3 mit je zwei beispielhaft angedeuteten Rädern 4. Die Achse 3 soll dabei eine angetriebene Achse des Fahrzeugs 1 sein, während die Achse 2 in an sich bekannter Art und Weise lediglich mitläuft. Zum Antrieb der Achse 3 ist
beispielhaft ein Getriebe 5 dargestellt, welches die Leistung von einer
Verbrennungskraftmaschine 6 und einer elektrischen Maschine 7 aufnimmt und in den Bereich der angetriebenen Achse 3 leitet. Im Antriebsfall kann die elektrische Maschine 7 alleine oder ergänzend zur Antriebsleistung der
Verbrennungskraftmaschine 6 Antriebsleistung in den Bereich der angetriebenen Achse 3 leiten und somit das Fahrzeug 1 antreiben beziehungsweise den Antrieb des Fahrzeugs 1 unterstützen. Außerdem kann beim Abbremsen des Fahrzeugs 1 die elektrische Maschine 7 als Generator betrieben werden, um so beim Bremsen anfallende Leistung zurückzugewinnen und entsprechend zu speichern. Um beispielsweise bei einem Einsatz in einem Stadtbus als Fahrzeug 1 auch für Bremsvorgänge aus höheren Geschwindigkeiten, welche bei einem Stadtbus sicherlich bei maximal ca. 70 km/h liegen werden, einen ausreichenden
Energieinhalt bereitstellen zu können, muss in diesem Fall ein System 10 zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen werden, welche einen Energieinhalt in der Größenordnung von 350 bis 700 Wh aufweist. Damit lassen sich auch
Energien, welche beispielsweise bei einem ca. 10 Sekunden langen Bremsvorgang aus einer solchen Geschwindigkeit anfallen, über die elektrische Maschine 7, welche typischerweise eine Größenordnung von ca. 150 kW haben wird, in elektrische Energie umzusetzen und diese in dem System 10 zu speichern.
Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 sowie zum Laden und Entladen des Systems 10 zur Speicherung elektrischer Energie weist der Aufbau gemäß Figur 1 einen Umrichter 9 auf, welcher in an sich bekannter Art und Weise mit einer integrierten Steuereinrichtung für das Energiemanagement ausgebildet ist. Über den Umrichter 9 mit der integrierten Steuereinrichtung wird dabei der Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine 7 und dem System 10 zur Speicherung der elektrischen Energie entsprechend koordiniert. Die Steuereinrichtung sorgt dafür, dass beim Bremsen im Bereich der dann generatorisch angetriebenen elektrischen Maschine 7 anfallende Leistung soweit möglich in das System 10 zur Speicherung der elektrischen Energie eingespeichert wird, wobei eine vorgegebene obere Spannungsgrenze des Systems 10 im Allgemeinen nicht überschritten werden darf. Im Antriebsfall koordiniert die Steuereinrichtung im Umrichter 9 die
Entnahme von elektrischer Energie aus dem System 10, um in diesem
umgekehrten Fall die elektrische Maschine 7 mittels dieser entnommenen Leistung anzutreiben. Neben dem hier beschriebenen Hybridfahrzeug 1, welches beispielsweise ein Stadtbus sein kann, wäre ein vergleichbarer Aufbau selbstverständlich auch in einem reinen Elektrofahrzeug denkbar.
Figur 2 zeigt einen schematischen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen System 10 zur Speicherung elektrischer Energie. Prinzipiell sind verschiedene Arten des Systems 10 zur Speicherung elektrischer Energie denkbar.
Typischerweise ist ein derartiges System 10 so aufgebaut, dass eine Vielzahl von Speicherzellen 12 typischerweise in Reihe in dem System 10 verschaltet sind. Diese Speicherzellen können dabei Akkumulatorzellen und/oder
Superkondensatoren sein, oder auch eine beliebige Kombination hiervon. Für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel sollen die Speicherzellen 12 allesamt als Superkondensatoren, das heißt als Doppelschicht-Kondensatoren ausgebildet sein, welche in einem System 10 zur Speicherung elektrischer Energie in dem mit dem Hybridantrieb ausgerüsteten Fahrzeug 1 eingesetzt werden sollen. Der Aufbau kann dabei bevorzugt in einem Nutzfahrzeug, beispielsweise einem Omnibus für den Stadt/Nahverkehr eingesetzt werden. Hierbei wird durch häufige Anfahr- und Bremsmanöver in Verbindung mit einer sehr hohen Fahrzeugmasse eine besonders hohe Effizienz der Speicherung der elektrischen Energie durch die Superkondensatoren erreicht, da vergleichsweise hohe Ströme fließen.
Wie bereits erwähnt, sind in der Figur 2 die Speicherzellen 12 zu erkennen. Dabei sind lediglich drei seriell verbundenen Speicherzellen 12 dargestellt. Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel und einer entsprechenden elektrischen
Antriebsleistung von ca. 100 bis 200 kW, beispielsweise 120 kW, wären dies in einem realistischen Aufbau insgesamt ca. 150 bis 250 Speicherzellen 12. Wenn diese als Superkondensatoren mit einer derzeitigen oberen Spannungsgrenze von ca. 2,7 V je Superkondensator und einer Kapazität von 3000 Farad ausgebildet sind, wäre eine realistische Anwendung für den Hybridantrieb eines
Stadtomnibusses gegeben. In Figur 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gedankens dargestellt. Das System 10 zur Speicherung elektrischer Energie weist eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Speicherzellen 12 auf. Diese sind in einem Modul 13 baulich zusammengefasst. Jede der Speicherzellen 12 weist einen parallel zu der jeweiligen Speicherzelle 12 geschalteten elektrischen Verbraucher in Form eines ohmschen Widerstandes 14 auf. Dieser Widerstand 14 ist in Reihe mit einem Schaltglied 16 parallel zu jeder der Speicherzellen 12 geschaltet. Der Schalter 16 ist als Schwellwertschalter ausgebildet. Die einzelnen Schalter 16 sind mit einem Kontrolleingang 18 versehen.
Jeder der Kontrolleingange 18 ist über Leitungen mit einem Bussystem 20 wie etwa einem CAN-Bussystem verbunden. An das Bussystem 20 ist eine
Steuereinheit 22 angeschlossen. Die Steuereinrichtung 22 ist ebenfalls an das Bussystem 20 angeschlossen, sendet Informationen an die Kontrolleingänge 18 der Schwellwertschalter 16 und ermöglicht so beispielsweise eine Herauf- oder Herabsetzung der Auslösespannung, das heißt der Schwellenspannung der Schwellwertschalter 16. Ein anderer möglicher über die Steuereinheit 22 beeinflussbarer Parameter ist beispielsweise die Offenzeit des
Schwellwertschalters 16. Des Weiteren ist es möglich, über das Bussystem 20 nicht nur Informationen an die Kontrolleingänge zu senden, sondern auch Daten der Speicherzellen 12 zu empfangen. Bei den von den Speicherzellen 12 abfragbaren Daten kann es sich beispielsweise um die momentane Spannung der Speicherzellen 12 handeln. Eine mögliche Ausführungsform sieht vor, die Zellentemperatur der Speicherzellen 12 zu ermitteln. Im Betrieb ermittel bei der bevorzugten Ausführungsform der Figur 2 die Steuereinheit die einzelnen Temperaturen der Speicherzellen aus Annahmen über die Temperaturverteilung innerhalb des Moduls bzw. des
Speichers. Die Annahmen können aus modellgestützten Berechnungen wie etwa einem thermischen Modell des Aufbaus, Lebensdauermodellen der Speicherzellen oder/und Versuchen stammen. Des Weiteren sind der Steuereinheit 22 die Gesamtspannung des Moduls bzw. des Speichers und die Spannungen der einzelnen Speicherzellen 12 bekannt.
Bevorzugt werden nun im Betrieb des Systems 10 Speicherzellen 12, die eine mittlere Temperatur aufweisen, von der Steuereinheit 22 eine mittlere Spannung, beispielsweise 2,5 V zugeordnet. Speicherzellen 12 mit einer hohen Temperatur wird eine niedrigere Spannung, beispielsweise 2,42 V zugeordnet. Speicherzellen 12 mit einer niedrigen Temperatur wird eine höhere Spannung, beispielsweise 2,55 V zugeordnet. Die unterschiedlichen Spannungen für die einzelnen
Speicherzellen 12 werden durch die Steuereinheit 22 an die Kontrolleingänge 18 der Schwellwertschalter 16 über das Bussystem 20 kommuniziert. Die Spannung für das System 10, beispielsweise für einen Hybridantrieb, bleibt durch diese Maßnahme unverändert. Es wird damit eine Vergleichmäßigung der Alterung aller Speicherzellen 12 erreicht, was insgesamt zu einer maximierten Lebensdauer und Ausnutzung des Speichers 10 führt.

Claims

Patentansprüche
System (10) zur Speicherung elektrischer Energie, umfassend
mehrere eine Betriebsspannung aufweisende Speicherzellen (12), wobei parallel zu einer Speicherzelle (12) ein elektrischer Verbraucher (14) sowie ein Schaltglied (16) in Reihe mit dem Verbraucher angeordnet sind und wobei das Schaltglied (16) bei Erreichen oder Überschreiten einer
Schwellenspannung geschlossen wird, wobei das System (10) zumindest ein mehrere Speicherzellen (12) umfassendes Modul (13) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
das System (10) eine Steuereinrichtung (22) umfasst, die dazu eingerichtet ist, einzelnen Speicherzellen (12) eine Temperatur und dem Modul (13) eine Modulspannung zuzuordnen und in Abhängigkeit von der zugeordneten Temperatur die Schwellenspannung einzelner Speicherzellen unter
Beibehaltung der Modulspannung zu beeinflussen.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (22) die den
Speicherzellen (12) zugeordnete Temperaturen aus modellgestützten Berechnungen ermittelt.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordnete Temperatur eine zu erwartende Temperatur der Speicherzelle (12) ist, die sich insbesondere auf den momentanen Betriebszustand, auf zu erwartende Betriebssituationen und/oder auf Umgebungsdaten bezieht.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) das die mittlere
Temperatur des Moduls (13) und/oder die Temperaturunterschiede zwischen den Speicherzellen (12) ermittelt.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenspannung durch eine Vorgabe der Steuereinrichtung (22) veränderbar ist.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Schaltglied (16) nach dem Schließen für eine bestimmte Zeit geschlossen bleibt.
7. Verfahren zum Steuern eines zur Speicherung elektrischer Energie
ausgelegten Systems (10) mit mehreren in einem Modul (13) angeordneten und eine Betriebsspannung aufweisenden Speicherzellen (12), wobei parallel zu jeder Speicherzelle (12) ein elektrischer Verbraucher (14) sowie ein Schaltglied (16) in Reihe mit dem elektrischen Verbraucher angeordnet sind, mit den Schritten:
Aufladen der Speicherzellen (12),
Ermitteln der Temperatur einzelner Speicherzellen (12) des Moduls (13), Vergleichen der ermittelten Temperaturen,
Absenken der Betriebsspannung bei Speicherzellen (12) mit hoher
Temperatur sowie Anheben der Betriebsspannung von Speicherzellen (12) mit niedriger Temperatur unter Beibehaltung der Modulspannung.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103580108B (zh) * 2012-08-09 2017-04-12 三星Sdi株式会社 电池组及其单元平衡方法和包括该电池组的能量存储系统
DE102012020012A1 (de) * 2012-10-12 2014-04-17 Voith Patent Gmbh Verfahren und Ladungsausgleich von Speicherelementen
DE102013201344B4 (de) * 2013-01-29 2022-09-22 Robert Bosch Gmbh Managementsystem für ein elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Einstellen von Betriebsparametern eines elektrischen Antriebssystems
DE102013008359A1 (de) * 2013-05-16 2014-11-20 Sew-Eurodrive Gmbh & Co Kg Energiespeicher, der aus in Reihe geschalten Energiespeicherzellen aufgebaut ist, und Schaltungsanordnung zur passiven Symmetrierung einer Reihenschaltung von Kondensatoren
JP7122692B2 (ja) * 2017-01-27 2022-08-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 車載用非常電源装置

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4659977A (en) * 1984-10-01 1987-04-21 Chrysler Motors Corporation Microcomputer controlled electronic alternator for vehicles
US5850351A (en) * 1996-04-25 1998-12-15 General Motors Corporation Distributed management apparatus for battery pack
DE19806135A1 (de) * 1998-02-14 1999-08-19 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Ermittlung der Temperatur einer Fahrzeugbatterie
JP2003333763A (ja) * 2002-05-10 2003-11-21 Toyota Motor Corp 蓄電池制御装置
JP2005110337A (ja) * 2003-09-26 2005-04-21 Sanyo Electric Co Ltd 複数の電池の充電装置
US7126312B2 (en) * 2004-07-28 2006-10-24 Enerdel, Inc. Method and apparatus for balancing multi-cell lithium battery systems
DE102005034588A1 (de) * 2005-07-25 2007-02-01 Temic Automotive Electric Motors Gmbh Energiespeicher
JP4788398B2 (ja) * 2006-02-27 2011-10-05 パナソニック電工株式会社 充電装置
JP4967382B2 (ja) * 2006-03-08 2012-07-04 日産自動車株式会社 組電池
EP2075893B1 (de) * 2007-10-15 2016-03-09 Black & Decker, Inc. Unterseitenbasierter Ausgleich in einem Lithiumionenbatteriesystem
US8294428B2 (en) * 2008-01-07 2012-10-23 Panasonic Corporation Electricity accumulating device
KR101249840B1 (ko) * 2008-07-31 2013-04-05 삼성전자주식회사 배터리팩이 장착 가능한 컴퓨터시스템 및 그 시스템본체
DE102008039334B4 (de) * 2008-08-22 2016-01-14 Airbus Defence and Space GmbH Verfahren und Vorrichtung zum optimierten Energiemanagement
US20100270859A1 (en) * 2009-04-24 2010-10-28 Zhengda Gong Distributed Ultracapacitor Monitoring System Based on iCAN Protocol

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2012028256A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20130141052A1 (en) 2013-06-06
WO2012028256A1 (de) 2012-03-08
DE102010036002A1 (de) 2012-03-01
CN103053064A (zh) 2013-04-17
KR20130100276A (ko) 2013-09-10
RU2013108761A (ru) 2014-10-10

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