WO2008098533A2 - Verfahren zur steuerung oder regelung der spannung einzelner zellen in einem zellstapel eines energiespeichers - Google Patents

Verfahren zur steuerung oder regelung der spannung einzelner zellen in einem zellstapel eines energiespeichers Download PDF

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Definitions

  • Hybrid-powered vehicles also called hybrid vehicles, include, for example, an internal combustion engine and an electric machine.
  • the electric machine is usually designed as a starter / generator and / or electric drive.
  • a starter / generator it replaces the normally existing starter and alternator.
  • an additional torque, d. H. an acceleration torque to propel the vehicle to be contributed by the electric machine.
  • a generator it enables a recuperation of braking energy and onboard power supply.
  • hybrid vehicles have at least one energy store.
  • the energy from the energy storage can be used to start the engine, for the electrical load in the vehicle and for acceleration processes, the internal combustion engine is particularly effectively supported by the favorable torque curve of the electric motor, that it can be operated in a load-optimized speed range and the electric motor just at low speeds provides the necessary torque.
  • the energy storage for hybrid applications can be recharged while driving.
  • the energy required for this comes from the implementation of the chemical energy of the fuel via an internal combustion engine or a fuel cell.
  • the energy storage can be recharged by energy recovery during braking by providing the ability to convert the braking energy into electrical energy (“regenerative braking”) and not as a loss of heat to the environment again.
  • This energy recovery is also conceivable as support for the electrical system and does not necessarily have to be combined with energy storage for hybrid applications.
  • hybrid drives and on-board network support concepts also enable significantly more efficient storage with the corresponding energy content than the familiar lead-based on-board battery.
  • Nickel-metal hydride (NiMH) and in particular Li-ion batteries are becoming increasingly important and would be an even more suitable medium for represent the storage of additional energy.
  • Double-layer capacitors which have undergone significant development in recent years, are also being discussed.
  • the individual cells In order to be able to achieve the corresponding voltages, the individual cells must as a rule be connected in series. For NiMH energy storage, which is already used in hybrid automobiles, this can be more than 100 individual cells.
  • the cell with the highest and the cell with the lowest state of charge is determined.
  • the cell with the highest state of charge is then connected in parallel with a buffer until the charge states of the cell and the buffer have become equal. Thereafter, the connection is released and the other cell with the lowest charge state is connected in parallel with the buffer until it and the buffer are equalized in their voltages.
  • the process is continued by again determining the cell with the highest and lowest state of charge in the strand and the charge equalization between both cells as described above by means of a cache connected in parallel. The process is now repeated until the voltages of the cells are adjusted to a presettable allowable deviation in the rest voltages.
  • the buffer is preferably formed by a double-layer capacitor or a series connection thereof. It is also conceivable that the buffer is formed by an additional cell, which is designed to be identical with the cells in the cell stack.
  • the switches for the parallel connection of the buffer and the cells of the cell stack can be implemented as optocouplers or mechanical switches.
  • the cell with the lowest charge state is determined in the cell stack of the energy store.
  • the entire cell group is then connected in parallel with a buffer until the buffer is charged to the total voltage of the energy storage. Thereafter, the connection is released and the cell with the lowest state of charge connected in parallel with the buffer until this and the buffer are equalized in their voltages.
  • the process is continued by again determining the cell lowest state of charge in the train and the recharged to the total voltage of the energy storage capacitor its energy content in this again in the manner described above.
  • the process is now repeated until the voltages of the cells are adjusted to a presettable allowable deviation in the rest voltages.
  • the buffer is preferably formed by a conventional capacitor.
  • the switches for the parallel connection of the buffer and the cells of the cell stack can be designed as optocouplers.
  • this variant 2 also has a cost advantage over variant 1, since instead of a double-layer capacitor or an additional battery cell, a capacitor of conventional design can be used as a mature standard component with high reliability and service life.
  • the technical advantages of the described method both according to variant 1 and according to variant 2 are, inter alia, the saving of components compared to the concept of balancing via power loss mentioned in the introduction to the description.
  • the above-mentioned concept of balancing power loss requires an increasing number of additional components with increasing cell count, such as one field effect transistor (switching on and off of the discharge resistor) and one discharge resistor per cell, as well as the associated connection points and connection paths.
  • the inventive method uses the already existing switch, which have the task in idle state to separate the measurement of the cells and to prevent unnecessary discharge of the energy storage by leakage currents. Since it is intended to continue to be balanced only in the quiescent phase, it is now possible to resort to these switches for balancing.
  • the buffer is connected in parallel with the cell with the lowest state of charge until the states of charge of the cell with the lowest state of charge and of Cached have aligned.
  • This step can be installed as an intermediate step between steps a) and b) in the symmetrizing process of both variants explained in order to increase the efficiency of balancing.
  • the increase in efficiency is based on the fact that the cache usually has a larger charge from the outset than the charge of the cell with the lowest charge state.
  • the buffer already discharges some of its charge to the lowest voltage cell prior to charging the cell (s) with higher charge, allowing the buffer to accept more charge from the higher charge cells and more charge to the cell with the lowest charge. The cell with the lowest charge is thus charged in practically two steps.
  • the single figure shows the Symmtri mecanics Kunststoff underlying circuitry.
  • the cell stack of the energy storage consists of individual cells (Z 1 ... Z N ), which are connected in series.
  • the switch (S 1 ... S N )
  • the buffer consisting of a capacitor (C) or a battery cell (B)
  • parallel to each cell (Z 1 ... Z N ) or to the entire cell stack can be switched ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Spannung einzelner Zellen (Z1... ZN) in einem Zellstapel eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: a) Ermitteln der Zelle (Z1... ZN) im Zellstapel mit dem niedrigsten Ladezustand und optional mit dem höchsten Ladezustand. b) Parallelschalten eines Zwischenspeichers (C, B) mit mindestens einer Zelle (Z1... ZN), bis sich die Ladezustände der betreffenden Zelle(n) (Z1,... ZN) und des Zwischenspeichers (C, B) angeglichen haben. c) Lösen der Verbindung des Zwischenspeichers (C, B) und der betreffenden Zelle(n) (Z1... ZN). d) Parallelschalten des Zwischenspeichers (C, B) mit der in a) ermittelten Zelle (Z1... ZN) mit dem niedrigsten Ladezustand, bis diese und der Zwischenspeicher in ihren Spannungen angeglichen sind. e) Durchführen der Schritte a) bis d) bis die Spannungen der einzelnen Zellen (Z1... ZN) des Zellstapels bis auf eine vorgegebene zulässige Abweichung in den Ruhespannungen angeglichen sind.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Spannung einzelner Zellen in einem Zellstapel eines Energiespeichers
Als Hybridantrieb bezeichnet man die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder verschiedener Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb einer Anwendung. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine und eine elektrische Maschine auf.
Vom Standpunkt des Energiespeichers betrachtet wird elektrische Energie durch eine Batterie und chemische Energie in Form von Kraftstoff gespeichert. Letztere Energieform könnte statt der Verbrennungskraftmaschine auch über eine Brennstoffzelle umgesetzt werden, so dass auch Hybridkonzepte mit einer Batterie und einer Brennstoffzelle denkbar sind.
Die elektrische Maschine ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie und Bordnetzversorgung.
Weiterhin weisen Hybridfahrzeuge mindestens einen Energiespeicher auf. Die Energie aus dem Energiespeicher kann zum Starten des Verbrennungsmotors, für die elektrischen Verbraucher im Fahrzeug und für Beschleunigungsvorgänge benutzt werden, wobei der Verbrennungsmotor durch den günstigen Drehmomentverlauf des Elektromotors dadurch besonders effektiv unterstützt wird, dass er in einem lastoptimierten Drehzahlbereich betrieben werden kann und der Elektromotor gerade bei niedrigen Drehzahlen das nötige Drehmoment bereitstellt.
Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie kommt aus der Umsetzung der chemischen Energie des Kraftstoffs über einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle.
Zusätzlich kann der Energiespeicher durch Energierückgewinnung beim Bremsen wieder aufgeladen werden, indem die Möglichkeit geschaffen wird, die Bremsenergie in elektrische Energie umzuwandeln („regeneratives Bremsen") und nicht als Verlustwärme an die Umgebung wieder abzugeben.
Diese Energierückgewinnung ist auch als Unterstützung des Bordnetzes denkbar und muss nicht zwangsläufig mit einem Energiespeicher für Hybrid-Anwendungen kombiniert werden.
Durch Hybrid-Antriebe und Bordnetzunterstützungs-Konzepte halten aber gleichzeitig auch deutlich leistungsfähigere Speicher mit entsprechendem Energieinhalt als die bekannte bleibasierte Bordnetzbatterie Einzug. Nickel-Metall-Hydrid- (NiMH) und insbesondere Li-Ionen- Batterien gewinnen so immer mehr an Bedeutung und würden ein noch geeigneteres Medium für die Speicherung zusätzlicher Energiemengen darstellen. Auch Doppelschichtkondensatoren, die in den letzen Jahren einen deutlichen Entwicklungsschub erfahren haben, werden diskutiert.
Um die entsprechenden Spannungen erreichen zu können, müssen die einzelnen Zellen in der Regel seriell verschaltet werden. Für NiMH-Energiespeicher, die bereits in Hybrid-Automobilen zum Einsatz kommen, können dies weit über 100 Einzelzellen sein.
Während jedoch Zelltypen wie NiMH eine gewisse Überladetoleranz aufweisen, die zur einer einfachen Symmetrierung durch eine sanfte, zeitlich begrenzte Überladung des gesamten Stranges genutzt werden kann, können Doppelschichtkondensatoren und Li-Ionen Zellen bei Überladung Schaden nehmen und sogar ein Sicherheitsrisiko durch Feuer und Explosion darstellen.
Eine solche Überladung einzelner Zellen ist bei einer Serienschaltung trotz begrenzter Gesamtspannung immer dann möglich, wenn einzelne Zellen aufgrund von Fertigungstoleranzen, unterschiedlichen Impedanzen oder Kapazitäten in ihren elektrochemischen Zuständen beginnen, mehr und mehr zu divergieren.
Dies lässt sich nur dadurch effektiv unterbinden, dass die Zellen in regelmäßigen Abständen symmetriert werden.
Während bei elektrostatischen Energiespeichern wie Doppelschichtkondensatoren deren schnelle Relaxationszeiten auch eine Symmetrierung während des Betriebes erlauben, wird man bei elektrochemischen Energiespeichern die Ruhephasen, also Phasen, in denen dem Speicher keine Leistung entnommen wird und die Ruhespannungen der einzelnen Zellen in guter Genauigkeit erreicht werden, für eine regelmäßige Symmetrierung bevorzugen, d.h., ihre Ladezustände durch eine geeignete elektronische Schaltung aneinander angleichen.
Alternative Auslegungen sind somit in der Regel auf Bauelemente angewiesen, die aus Kosten- und Auslegungsgründen in den weiter oben genannten geringen Strombereichen arbeiten.
Typischerweise wird dabei die Zelle mit der niedrigsten Spannung im Strang detektiert und den restlichen Zellen so lange Leistung entnommen, die über einen Widerstand in Wärmeleistung überführt wird, bis alle Zellen auf den Ladezustand der eingangs genannten Zelle angeglichen sind. Die ersichtlichen Nachteile an dieser Lösung sind der Verlust von gespeicherter Energie, die Belastung der Schaltung durch Wärme, sowie ein zusätzlicher Bauteileaufwand.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu beheben.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sieht ein Verfahren vor, welches durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
a) Ermitteln der Zelle im Zellstapel mit dem niedrigsten Ladezustand und optional mit dem höchsten Ladezustand.
b) Parallelschalten eines Zwischenspeichers mit mindestens einer Zelle, bis sich die Ladezustände der betreffenden Zelle(n) und des Zwischenspeichers angeglichen haben c) Lösen der Verbindung des Zwischenspeichers und der betreffenden Zelle(n)
d) Parallelschalten des Zwischenspeichers mit der in a) ermittelten Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand, bis diese und der Zwischenspeicher in ihren Spannungen angeglichen sind.
e) Durchführen der Schritte a) bis d) bis die Spannungen der einzelnen Zellen des Zellstapels bis auf eine vorgegebene zulässige Abweichung in den Ruhespannungen angeglichen sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in zwei Varianten aufteilen, welche wie folgt beschrieben werden:
Variante 1 :
Zunächst wird im Zellstapel des Energiespeichers die Zelle mit dem höchsten und die Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand ermittelt. Die Zelle mit dem höchsten Ladezustand wird dann mit einem Zwischenspeicher parallel geschaltet, bis sich die Ladezustände der Zelle und des Zwischenspeichers angeglichen haben. Danach wird die Verbindung gelöst und die andere Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand mit dem Zwischenspeicher parallel verbunden, bis diese und der Zwischenspeicher in ihren Spannungen angeglichen sind. Das Verfahren wird fortgesetzt, indem nun erneut die Zelle mit dem höchsten und niedrigsten Ladezustand im Strang ermittelt wird und der Ladungsausgleich zwischen beiden Zellen wie oben beschrieben durch einen parallel geschalteten Zwischenspeicher erfolgt. Das Verfahren wird nun so lange wiederholt, bis die Spannungen der Zellen bis auf eine vorzugebende zulässige Abweichung in den Ruhespannungen angeglichen sind.
In dieser Verfahrensvariante wird der Zwischenspeicher vorzugsweise durch einen Doppelschichtkondensator oder eine Serienschaltung hiervon gebildet. Es ist auch denkbar, dass der Zwischenspeicher durch eine zusätzlich Zelle gebildet wird, welche mit den Zellen im Zellstapel baugleich ausgelegt ist. Die Schalter zum Parallelschalten des Zwischenspeichers und der Zellen des Zellstapels können als Optokoppler oder mechanische Schalter ausgeführt werden. Variante 2:
Zunächst wird im Zellstapel des Energiespeichers die Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand ermittelt. Der gesamte Zellverbund wird dann mit einem Zwischenspeicher parallel geschaltet, bis der Zwischenspeicher auf die Gesamtspannung des Energiespeichers geladen ist. Danach wird die Verbindung gelöst und die Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand mit dem Zwischenspeicher parallel verbunden, bis diese und der Zwischenspeicher in ihren Spannungen angeglichen sind. Das Verfahren wird fortgesetzt, indem nun erneut die Zelle niedrigsten Ladezustand im Strang ermittelt wird und der wieder auf die Gesamtspannung des Energiespeichers aufgeladene Kondensator seinen Energiegehalt in diese wieder auf die zuvor beschriebene Weise abgibt. Das Verfahren wird nun so lange wiederholt, bis die Spannungen der Zellen bis auf eine vorzugebende zulässige Abweichung in den Ruhespannungen angeglichen sind.
In dieser Verfahrensvariante wird der Zwischenspeicher vorzugsweise durch einen gewöhnlichen Kondensator gebildet. Die Schalter zum Parallelschalten des Zwischenspeichers und der Zellen des Zellstapels können als Optokoppler ausgeführt werden.
Der Vorteil dieser Variante gegenüber Variante 1 ist der deutlich höhere Spannungshub, der bei der Symmetrierung ausgenutzt werden kann. Bei dieser Variante der Symmetrierung erfolgt stets eine gleichmäßige Entladung aller Zellen des gesamten Speichers (einschließlich der mit dem niedrigsten Ladezustand) in den Zwischenspeicher. Damit wird bereits in jedem . Symmetrierungszyklus der Ladezustand aller Zellen im Strang angenähert.
Neben diesem Vorteil besitzt diese Variante 2 auch einen Kostenvorteil gegenüber Variante 1 , da statt eines Doppelschichtkondensators oder einer zusätzlichen Batteriezelle ein Kondensator herkömmlicher Bauart als ausgereiftes Standardbauteil mit hoher Zuverlässigkeit und Lebensdauer verwendet werden kann.
Die technischen Vorteile des beschriebenen Verfahrens sowohl nach Variante 1 als auch nach Variante 2 liegen unter anderem in der Einsparung von Bauteilen gegenüber dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten Konzepts der Symmetrierung über Verlustleistung. Das eingangs erwähnte Konzept der Symmetrierung über Verlustleistung benötigt mit steigender Zellenanzahl eine steigenden Anzahl zusätzlicher Bauteile, wie beispielsweise je einen Feldeffekttransistor (Zu- und Abschalten des Entladewiderstands) und einen Entladewiderstand pro Zelle, sowie die zugehörigen Verbindungsstellen und Verbindungswege.
Das erfindungsgemäße Verfahren hingegen nutzt die bereits vorhandenen Schalter, welche im Ruhezustand die Aufgabe haben, die Messtechnik von den Zellen zu trennen und eine unnötige Entladung des Energiespeichers durch Kriechströme zu verhindern. Da weiterhin nur in der Ruhephase symmetriert werden soll, kann nun auf diese Schalter für eine Symmetrierung zurückgegriffen werden.
Obwohl ein Zwischenspeicher benötigt wird, geht dieser nur in den Grundaufbau des Energiespeichers ein; es ist also kein Bauteil, das proportional zur Zellenzahl hinzukommt.
Durch die Einsparung von Bauteilen, die zusätzlich noch einer Wärmeentwicklung durch die Abführung der Leistung als reine Wärme-Verlustleistung bei der Symmetrierung unterliegen, wird ein weiterer Vorteil bezüglich Lebensdauererwartung und Zuverlässigkeit erzielt. Bei der Symmetrierung wird dem Energiespeicher keine Energie mehr irreversibel entzogen, sondern nur von Zellen mit hoher Spannung auf Zellen mit geringer Spannung umgeschichtet. Aufsummiert auf die ausgelegte Gesamtlebensdauer eines Energiespeichers für Hybridanwendungen kann die durch Symmetrierung über Verlustleistung verloren gehende Energiemenge auf einen nicht unerheblichen Betrag anwachsen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Schritt a), also nach Ermitteln der Zelle im Zellstapel mit dem niedrigsten und optional höchsten Ladezustand, der Zwischenspeicher mit der Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand parallel geschaltet, bis sich die Ladezustände der Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand und des Zwischenspeichers angeglichen haben.
Dieser Schritt kann als Zwischenschritt zwischen den Schritten a) und b) im Symmetriervorgang beider erläuterter Varianten eingebaut werden, um die Effizienz der Symmetrierung zu steigern. Die Effizienzsteigerung beruht darauf, dass der Zwischenspeicher von vornherein meist eine größere Ladung besitzt als die Ladung der Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand. Der Zwischenspeicher gibt vor der Aufladung an der Zelle bzw. an den Zellen mit höherer Ladung bereits einen Teil seiner Ladung an die Zelle mit der niedrigsten Spannung ab, wodurch der Zwischenspeicher mehr Ladung von den Zellen mit höherer Ladung aufnehmen kann und mehr Ladung an die Zelle mit niedrigster Ladung abgeben kann. Die Zelle mit der niedrigsten Ladung wird dadurch praktisch in zwei Schritten aufgeladen.
Die einzige Figur zeigt den dem Symmtrierungsverfahren zu Grunde liegenden Schaltungsaufbau. Der Zellstapel des Energiespeichers besteht aus einzelnen Zellen (Z1 ... ZN), welche in Serie geschaltet sind. Über die Schalter (S1... SN) kann der Zwischenspeicher, bestehend aus einem Kondensator (C) oder einer Batteriezelle (B), parallel zu jeder einzelnen Zelle (Z1 ... ZN) oder zum gesamten Zellstapel geschaltet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Spannung einzelner Zellen (Z1 ... ZN) in einem Zellstapel eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Ermitteln der Zelle (Zi ... ZN) im Zellstapel mit dem niedrigsten Ladezustand und optional mit dem höchsten Ladezustand. b) Parallelschalten eines Zwischenspeichers (C, B) mit mindestens einer Zelle (Zi ... ZN), bis sich die Ladezustände der betreffenden Zelle(n) (Z1 ... ZN) und des Zwischenspeichers (C, B) angeglichen haben. c) Lösen der Verbindung des Zwischenspeichers (C, B) und der betreffenden Zelle(n) (Z1 ... ZN). d) Parallelschalten des Zwischenspeichers (C, B) mit der in a) ermittelten Zelle (Z1 ... ZN) mit dem niedrigsten Ladezustand, bis diese und der Zwischenspeicher in ihren Spannungen angeglichen sind. e) Durchführen der Schritte a) bis d) bis die Spannungen der einzelnen Zellen (Z1 ... ZN) des Zellstapels bis auf eine vorgegebene zulässige Abweichung in den Ruhespannungen angeglichen sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt a) und vor Schritt b) der Zwischenspeicher (C, B) mit der Zelle (Z1 ... ZN) mit dem niedrigsten Ladezustand parallel geschaltet wird, bis sich die Ladezustände der Zelle (Z-i ... ZN) mit dem niedrigsten Ladezustand und des Zwischenspeichers (C, B) angeglichen haben und anschließendes Lösen der Verbindung des Zwischenspeichers (C, B) und der betreffenden Zelle (Z1 ... ZN).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) der Zwischenspeicher (C, B) mit der Zelle (Z1 ... ZN) mit dem höchsten Ladezustand parallel geschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) der Zwischenspeicher (C, B) mit allen Zellen (Z-i ... ZN) des Zellstapels parallel geschaltet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (C, B) aus mindestens einem Kondensator (C), insbesondere einem Doppelschichtkondensator, besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (C, B) aus mindestens eine den Zellen (Z1 ... ZN) im Zellstapel baugleiche Zelle (B) besteht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1... SN), mit denen die Zellen (Z1 ... ZN) des Zellstapels und der Zwischenspeicher (C, B) in Verbindung gebracht werden, als Optokoppler, Opto-FET's oder magnetische Übertragung ausgelegt sind.
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