WO2010060655A2 - System zur überwachung von kondensatorzellen - Google Patents

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WO2010060655A2
WO2010060655A2 PCT/EP2009/055160 EP2009055160W WO2010060655A2 WO 2010060655 A2 WO2010060655 A2 WO 2010060655A2 EP 2009055160 W EP2009055160 W EP 2009055160W WO 2010060655 A2 WO2010060655 A2 WO 2010060655A2
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voltage
voltages
capacitor cells
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Dirk Herke
Karsten Barth
Vit Kocur
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Stribel Production Gmbh
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    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
    • H02J7/0049—Detection of fully charged condition

Definitions

  • the invention relates to a system for monitoring a plurality of capacitor cells connected in series in a capacitor module, which are used as electrical energy storage in an energy storage device and are chargeable in this by a charging current flowing through all capacitor cells or dischargeable by a discharge current.
  • Such series-connected capacitor cells have the problem that they change their capacity due to aging processes or that parasitic discharge processes occur and thus over the course of time unequal voltages occur at the individual capacitor cells, which ultimately adversely affect the energy storage capacity of the capacitor module.
  • the invention is therefore based on the object to provide a system for monitoring such capacitor cells, which prevents the conditional by the change in the capacity of individual cells problems.
  • the system comprises a measuring unit, with which the voltage applied to the individual capacitor cells voltages can be determined by voltage measurements, that an evaluation unit is provided, with which a target voltage for the capacitor cells can be fixed in that the system has at least one discharge branch which can be connected to each capacitor cell and which can be controlled by a discharge control unit which discharges the respective capacitor cell onto it in accordance with the specified setpoint voltage and the applied voltage.
  • the solution according to the invention provides that a current nominal voltage for the respective capacitor cell can be determined with the evaluation unit.
  • Such a desired voltage for the respective capacitor cell can be determined in various ways.
  • a current setpoint voltage could be stored in a parameter field depending on an operating time or a load cycle number.
  • Another advantageous solution provides that deviations from a mean voltage can be determined with the evaluation unit from the determined voltages at the capacitor cells.
  • a setpoint voltage for the respective capacitor cell from the deviation from a current average voltage.
  • a simple way of determining the setpoint voltage is that the average setpoint voltage is set as a setpoint voltage, so that in any case, for a capacitor cell having a higher voltage, its voltage is matched to the average voltage of all the capacitor cells.
  • a particularly advantageous embodiment provides that with the evaluation unit from the determined total voltage of the capacitor module and provided on charging of the capacitor module to the maximum total voltage maximum voltages at which the target voltage for the respective capacitor cell can be fixed.
  • the determination of the setpoint voltage can in the simplest case be such that only a setting of the setpoint voltage takes place at the capacitor cells whose voltage is at full charge of the capacitor module above the maximum voltage.
  • the evaluation unit determines the setpoint voltages for the capacitor cells in such a way that all capacitor cells simultaneously reach the maximum voltage when the capacitor module is charged to the maximum total voltage.
  • the evaluation unit takes into account the capacitance of the individual capacitor cells.
  • the capacity could be measured in advance and laid down in a table.
  • the evaluation unit determines a capacitance relation of the capacitor cells by means of a measurement.
  • the capacitance relation indicates the ratio of the total capacitance of the capacitor module to the capacitance of each individual capacitor cell.
  • the capacitance relation can be determined by measuring voltages of the capacitor cells in two different states of charge.
  • the measuring unit it would be conceivable to design the measuring unit so that it directly measures the voltage across each of the capacitor cells.
  • a multiplex device which switches the measuring unit from capacitor cell to capacitor cell in order to detect the voltages on the individual capacitor cells one after the other.
  • Another advantageous solution provides that the measuring unit detects a total voltage of all the capacitor cells of the capacitor module.
  • the measuring unit detects voltages at intermediate taps between in each case two capacitor cells. With the voltages at the intermediate taps, it is possible to determine the individual voltages at the individual capacitor cells.
  • an advantageous possibility provides that the measuring unit detects the voltages between the respective intermediate tap and ground.
  • the measuring unit subtracts from the voltage measured at the respective intermediate tap the voltage which is measured at the intermediate tap closest to the ground, so that thus the voltage can be determined on the capacitor cell, which is arranged between the intermediate tap and the ground side nearest intermediate tap.
  • the measuring unit could detect the voltages all at the same time.
  • the measuring unit is designed so that it detects the voltages at the intermediate taps in successive measuring phases.
  • the detection of the voltages at the intermediate taps in individual measuring phases can preferably be realized in that the measuring unit is assigned a switch network, by which the respective intermediate tap can be connected to the measuring unit.
  • Such a switch network is preferably controllable by a decoder.
  • the measuring unit clocked in a measuring cycle clocked in successive measurement phases, the voltages at all intermediate taps.
  • the measuring unit could constantly determine the voltages of the capacitor cells.
  • the measuring unit determines the voltages at predetermined time intervals.
  • the time intervals can be dependent on the total voltage of the capacitor module. For example, with a low total voltage of the capacitor module, the risk is low that one of the capacitor cells exceeds the maximum voltage, while the danger is greater, the closer the total voltage of the capacitor module approaches the maximum total voltage of the capacitor module. For this reason, it is preferably provided that the time intervals in which the measuring unit detects the voltages of the capacitor cells are determined as a function of a total voltage of the capacitor module.
  • the time intervals at which the voltages on the capacitor cells are determined become shorter, the more the total voltage of the capacitor module reaches the maximum charging voltage.
  • each capacitor cell is associated with a discharge branch.
  • the unloading branches can be activated together.
  • each discharge branch can be activated individually.
  • the discharge branches could be activated in any operating state of the energy storage device.
  • the discharge branches can be activated in a charging or discharging-free state.
  • a charging or discharging-free state for example, a rest state of the energy storage device, for example, when the motor vehicle is not in operation.
  • Fig. 1 is a schematic circuit of an inventive
  • Fig. 2 is an illustration of a measurement cycle for voltages
  • Fig. 3 is a flowchart for the operation of a system according to the invention.
  • FIG. 4 shows a representation of measuring cycles and balancing cycles over the time axis.
  • An exemplary embodiment of an energy storage device according to the invention for storing electrical energy 10 shown in FIG. 1, illustrated in FIG. 1, comprises a connection 12, which is connected to a supply network VN, for example of a motor vehicle.
  • the device for storing electrical energy is able to pick up energy from the supply network VN or deliver it to this supply network.
  • a designated as a whole with 14 voltage transformer is provided, which can convert the voltage UN in the supply network to a converter voltage UW, which differs from the voltage UN of the supply network.
  • An example of such a voltage converter embodied as a buck-boost converter, comprises a throttle 22, which is connected to the terminal 12 and has a branch 24 on a side of the throttle 22 opposite to the terminal, from which a first switch 26 intervenes Junction 24 and ground 14 is located and a second switch 28 between the branch 24 and a capacitor module 30 which comprises a plurality of individual capacitor cells 32 are connected in series with each other, so that the capacitor module 30 with the series of capacitor cells 32 with a first Terminal 34 is grounded 14 and connected to a second terminal 36 to the second switch 28.
  • a throttle 22 which is connected to the terminal 12 and has a branch 24 on a side of the throttle 22 opposite to the terminal, from which a first switch 26 intervenes Junction 24 and ground 14 is located and a second switch 28 between the branch 24 and a capacitor module 30 which comprises a plurality of individual capacitor cells 32 are connected in series with each other, so that the capacitor module 30 with the series of capacitor cells 32 with a first Terminal 34 is grounded 14 and connected to a second terminal
  • capacitor module 30 thus electrical energy can be stored from the supply network VN and then, if there is an energy demand in the supply network VN, feed back into the supply network VN.
  • the individual capacitor cells 32 are constructed, for example, as electrochemical double-layer capacitors, such as those marketed by the company Maxwelle Technologies.
  • the storage and supply of energy is provided via a designated as a whole by 40 voltage converter control, which controls the switches 26 and 28 with a defined cycle frequency alternately and optionally with a different period of time.
  • capacitor module 30 for storing high energy double-layer capacitor cells are used, however, vary, for example, due to aging processes or other processes in terms of their capacity, with the result that in a capacitor module 30 according to the invention, in which always all capacitor cells 32 are charged with the same current or through the same Electricity will be discharged, different voltages occur.
  • This system 50 comprises a measuring unit 52, with an A / D converter 54.
  • a center tap 58 of a voltage divider which on the one hand has a first resistor 62 which is between the center tap 58 and the first Terminal 34 of the capacitor module 30 is located and a plurality of second resistors 66 1 to 66 n , which are connectable via switches 681 to 68 n of a designated as a whole with 70 switch network with intermediate taps 62i to 62 n , each on one of the first terminal 34th the capacitor module 30 facing away from and the second terminal 36 of the capacitor module 30 facing side of the respective capacitor cell 32 are.
  • the switches 681 to 68 n of the switch network 70 are individually controllable by a designated as a whole with 74 decoder.
  • each of the individual capacitor cells 32i is up 32, a discharge branch n 8Oi to 8O n assigned to which of the respective capacitor cell 32i is connected in parallel to 32 n and a discharge resistor 82i to 82 n includes as well as a n in series with the discharge resistor 82i to 82 switch 84i to 84 n , with which the discharge branch 80 can be activated, so that the respective capacitor 32ibis 32 n can be discharged via the respective discharge branch 8Oi to 8O n .
  • the switch 84i is n to 84 n controllable via the decoder 74 in synchronism with the switches 681-68.
  • the decoder 74 it is now possible, successively during a measurement cycle 90, during individual at time intervals of successive measurement phases 92, clocked at the individual intermediate taps 72i and 72, the voltages between the respective intermediate tap 72 and the first terminal 34 of the capacitor module 30 n to measure, wherein the voltage measurement is carried out by a voltage measurement by the A / D converter 54 at the center tap 58 of the voltage divider, which is formed on the one hand by the first resistor 62 and on the other hand by the respective second resistor 66 which is associated with the respective intermediate tap 72.
  • the voltage at the intermediate tap 72i for example at 16 capacitor cells 32, then a voltage at the intermediate tap 72 5 , then at the intermediate tap 72 9 and then at the intermediate tap 72i3 and subsequently at the intermediate tap 72 2 , at the intermediate tap 72 6, at the intermediate 72io and then at the intermediate 72i 4, etc., so long are detected until the voltages on all intermediate taps 72i n to 72nd
  • the measuring unit is assigned to 52, an evaluation unit 100, with which 32iund 32 n are evaluated determined by the measuring unit 52, voltages at the individual capacitor cells and optionally the discharge branches 8Oi and 8O n individually or several capacitor cells 32i to 32 n are connected in parallel, to unload them.
  • the measuring unit 52 measures the voltages at the individual intermediate taps H 1 to 72 n , as shown in block 102, wherein these voltages, shown in FIG. 2, do not directly affect the voltages U applied to the individual capacitor cells 32 i to 32 n c , but always the voltages of all the capacitor cells 32 which are between the first terminal 34 and the respective intermediate tap 72, as shown in Fig. 2.
  • the measuring unit 52 is, as shown in block 104, able to determine from these voltages, the individual voltages applied to the capacitor cells 32 voltages U c .
  • an evaluation of the individual voltages U c takes place . If the individual voltages U c are all the same size, as ideally provided, no so-called balancing of the capacitor cells 32 i to 32 n is required by activating one or more discharge branches 80, as can be seen from the jump to block 106 in FIG. 3.
  • a charging cycle counter is interrogated, in which the intended maximum number of charging cycles for the capacitor module 30 is determined.
  • the respective measurement cycle is completed. However, the measuring cycle can be restarted.
  • a capacitance calculation of the capacitor module 30 takes into account the capacitances of all Capacitor cell 32 after which it is decided whether the system controller 110 is to report an error or whether another measurement cycle 90 is to be performed.
  • Such a measurement cycle 90, followed by a balancing cycle 120, is shown for example in FIG. 4 over the time axis, it being apparent from FIG. 4 that the measurement cycle 90 is substantially shorter than the subsequent balancing cycle 120, which is due to the fact that the Discharge resistance 82 of the respective discharge branch 80 of the capacitor cells 32 is large, so that long periods for discharging the respective capacitor cell 32 to reduce the voltage U c of the same are required.
  • a first possible solution provides that, when the voltage U cx of the respective capacitor cell 32 X is above the mean voltage U cm of the capacitor cells 32, in a first approximation to the symmetrization, the discharge of the respective capacitor cell 32 to the voltage U cm as a target voltage can, so that the voltage of the respective capacitor cell 32 again corresponds to this average value U cm .
  • the fact that the respective capacitor cell 32 X in the given structure of the capacitor module 30 has a higher voltage than the other capacitor cells 32 is due, inter alia, to the fact that the capacitance of this capacitor cell 32 X has changed, for example, through an aging process, and has become less.
  • the current flowing through this capacitor cell 32 X which is the same for all capacitor cells 32, when charging this capacitor cell 32 X leads to a higher voltage U cx in the same as in the other capacitor cells 32 of the capacitor module 30th
  • C 9 is the total capacitance of the capacitor module 30 and C x is the capacitance of the capacitor cell 32 X and U g (tl ) is the total voltage of the capacitor module 30 at the particular time at which the target voltage is determined.
  • the evaluation unit 100 determines the capacitance of each individual capacitor cell 32 X on the basis of two measuring cycles 90.
  • Capacity Relation take place in large time intervals, for example of weeks or months.
  • each of the capacitor cells 32 it is possible to determine the setpoint voltage U cs to which each of the capacitor cells 32, for example the capacitor cell 32 X with capacity reduced by aging processes, has to discharge during charging of the entire capacitor module 30 in the course of which flows through all the capacitor cells 32, the same current, with all capacitor cells 32 X at the same time to reach the maximum voltage U cm ax.
  • each capacitor cell 32, X whose voltage U cx is higher than the lowest voltages U cx of one of the capacitor cells 32, discharges the same by means of the respective discharge branch 8O x and controlled by a discharge unit 102 to the target voltage U cs ensure that when these capacitor cells 32 are charged together, the maximum voltage Ucmax is reached at the same time.
  • this symmetrization can be carried out at any time in the system 50 according to the invention.
  • the balancing takes place only in a voltage range which lies between approximately one quarter of the maximum total voltage U gmax of the capacitor module 30 and approximately half of the maximum total voltage U gmax of the capacitor module 30.
  • the symmetrization of the individual capacitor cells 32 is independent of the monitoring of the voltage U c of the capacitor cells 32 through the measuring unit 52, which takes place for safety in all states of charge of the capacitor module 30, for example, a repetition of the measuring cycles 90 of the total voltage U 9 of the capacitor module 30th is dependent.
  • a repetition of the measuring cycles 90 of the total voltage U 9 of the capacitor module 30th is dependent.
  • between two measuring cycles 90 are periods of the order of 100 to 300 milliseconds with a total voltage U 9 to approximately half of the maximum total voltage U gma ⁇ , while at higher total voltages U 9 the periods between two measuring cycles 90 are shortened, for example to values between 40 and 100 milliseconds to ensure that none of the capacitor cells 32 is charged above the maximum value Ucmax for one of the capacitor cells 32.
  • a temperature detection unit 132 is additionally provided in addition to the measuring unit 52 which interrogates a temperature sensor 138 via an A / D converter 134 which detects the temperature in the capacitor module 30. If the temperature in the capacitor module 30 exceeds a predefinable maximum temperature, the system controller 110 likewise stops the device according to the invention for storing electrical energy in order to allow the capacitor module 30 to cool again to a predefined temperature.
  • the system controller 110 is provided with a switchable voltage supply 140, which makes it possible to supply the system according to the invention with energy either via the voltage lying on the supply network VN or via the voltage of the capacitor module 30.
  • the power supply 140 controls a switch 142, which ensures the power supply depending on the state. It is thus possible to operate the system 50 according to the invention even when the supply network VN is switched off, that is to say, for example when the motor vehicle is stationary, since then the voltage supply 140 is supplied by the energy present in the capacitor module 30.
  • this makes it possible to carry out the balancing of the individual capacitor cells 32 during the time during which no energy storage takes place from a supply network VN and the supply network VN is also switched off, that is to say during a standstill of the motor vehicle.
  • This has the advantage that the discharge branches 80 can thus be dimensioned such that only a small current flows through them, so that large periods are available for discharging the individual capacitor cells 32 and thus symmetrizing them.

Abstract

Um ein System zur Überwachung einer Vielzahl von in einem Kondensatormodul (32u, 32u-1, 32u-2, 32i) in Reihe geschalteten Kondensatorzellen, die als elektrische Energiespeicher in einer Energiespeichereinrichtung eingesetzt sind und in dieser durch einen durch alle Kondensatorzellen fließenden Aufladestrom aufladbar oder durch einen Entladestrom entladbar sind, zu schaffen, welches die durch die Änderung der Kapazität einzelner Zellen bedingter Probleme verhindert, wird vorgeschlagen, dass das System eine Messeinheit (52) umfasst, mit welcher durch Spannungsmessungen die an den einzelnen Kondensatorzellen anliegenden Spannungen ermittelbar sind, dass eine Auswerteeinheit (100) vorgesehen ist, mit welcher eine Sollspannung für die Kondensatorzellen festlegbar ist, dass das System mindestens einen zu jeder Kondensatorzelle zuschaltbaren Entladezweig aufweist, der durch eine Entladesteuereinheit (80 1-80n) steuerbar ist, die entsprechend der festgelegten Sollspannung und der anliegenden Spannung die jeweilige Kondensatorzelle auf diesen entlädt.

Description

SYSTEM ZUR ÜBERWACHUNG VON KONDENSATORZELLEN
Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung einer Vielzahl von in einem Kondensatormodul in Reihe geschalteten Kondensatorzellen, die als elektrische Energiespeicher in einer Energiespeichereinrichtung eingesetzt sind und in dieser durch einen durch alle Kondensatorzellen fließenden Aufladestrom aufladbar oder durch einen Entladestrom entladbar sind.
Bei derartigen in Reihe geschalteten Kondensatorzellen besteht das Problem, dass diese aufgrund von Alterungsvorgängen ihre Kapazität ändern oder dass sich parasitäre Entladungsprozesse einstellen und sich somit im Laufe der Zeit ungleiche Spannungen an den einzelnen Kondensatorzellen einstellen, die letztlich die Energiespeicherkapazität des Kondensatormoduls negativ beeinträchtigen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur Überwachung derartiger Kondensatorzellen zu schaffen, welches die durch die Änderung der Kapazität einzelner Zellen bedingter Probleme verhindert.
Diese Aufgabe wird bei einem System der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das System eine Messeinheit umfasst, mit welcher durch Spannungsmessungen die an den einzelnen Kondensatorzellen anliegenden Spannungen ermittelbar sind, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, mit welcher eine Sollspannung für die Kondensatorzellen festlegbar ist, dass das System mindestens einen zu jeder Kondensatorzelle zuschaltbaren Entladezweig aufweist, der durch eine Entladesteuereinheit steuerbar ist, die entsprechend der festgelegten Sollspannung und der anliegenden Spannung die jeweilige Kondensatorzelle auf diesen entlädt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass mit dieser die Möglichkeit besteht, eine ungleichmäßige Aufladung der Kondensatorzellen zu reduzieren und dadurch Energiespeicherkapazität des Kondensatormoduls zu verbessern.
Hinsichtlich der Funktionsweise der Auswerteeinheit wurden keine näheren Angaben gemacht.
So sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, dass mit der Auswerteeinheit eine aktuelle Sollspannung für die jeweilige Kondensatorzelle festlegbar ist.
Eine derartige Sollspannung für die jeweilige Kondensatorzelle kann in verschiedenster Art und Weise ermittelt werden.
Beispielsweise könnte eine aktuelle Sollspannung in einem Parameterfeld abhängig von einer Betriebsdauer oder einer Ladezyklenzahl hinterlegt sein.
Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass mit der Auswerteeinheit aus den ermittelten Spannungen an den Kondensatorzellen Abweichungen von einer mittleren Spannung bestimmbar sind.
Diese Abweichungen von dem Spannungsmittelwert können dann zur Entscheidung herangezogen werden, ob und auf weiche Sollspannung eine Entladung der einzelnen Kondensatorzelle erforderlich ist.
Insbesondere lässt sich aus der Abweichung von einer aktuellen mittleren Spannung auch eine Sollspannung für die jeweilige Kondensatorzelle ermitteln. Eine einfache Möglichkeit zur Bestimmung der Sollspannung ist die, dass die mittlere Sollspannung als Sollspannung angesetzt wird, so dass für eine eine höhere Spannung aufweisende Kondensatorzelle auf jeden Fall deren Spannung an die mittlere Spannung aller Kondensatorzellen angeglichen wird.
Erfolgt ein derartiges Angleichen an die mittlere Spannung aller Kondensatorzellen zum Beispiel mehrfach bis zur Aufladung des Kondensatormoduls auf die maximale Gesamtspannung, so ist sichergestellt, dass keine der einzelnen Kondensatorzellen eine höhere Spannung als die Maximalspannung aufweist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass mit der Auswerteeinheit aus der ermittelten Gesamtspannung des Kondensatormoduls und der bei Aufladung des Kondensatormoduls auf die maximale Gesamtspannung vorgesehen Maximalspannungen an der die Sollspannung für die jeweilige Kondensatorzelle festlegbar ist.
Die Festlegung der Sollspannung kann im einfachsten Fall so erfolgen, dass nur ein Einstellen der Sollspannung bei den Kondensatorzellen erfolgt, deren Spannung bei voller Aufladung des Kondensatormoduls über der Maximalspannung liegt.
Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Auswerteeinheit die Sollspannungen für die Kondensatorzellen derart ermittelt, dass beim Aufladen des Kondensatormoduls auf die maximale Gesamtspannung alle Kondensatorzellen gleichzeitig die Maximalspannung erreichen. Um die Genauigkeit bei der Auswerteeinheit zu steigern ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Auswerteeinheit die Kapazität der einzelnen Kondensatorzellen berücksichtigt.
Die Kapazität könnte dabei vorab gemessen und in einer Tabelle niedergelegt sein.
Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Auswerteeinheit eine Kapazitätsrelation der Kondensatorzellen durch eine Messung ermittelt.
Die Kapazitätsrelation gibt dabei das Verhältnis der Gesamtkapazität des Kondensatormoduls zur Kapazität jeder einzelnen Kondensatorzelle an.
Zweckmäßigerweise lässt sich die Kapazitätsrelation durch Messung von Spannungen der Kondensatorzellen in zwei verschiedenen Ladezuständen bestimmen.
Hinsichtlich der Ermittlung der Spannungen an den Kondensatorzellen wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
Prinzipiell wäre es denkbar, die Messeinheit so auszubilden, dass sie die Spannung an jeder der Kondensatorzellen unmittelbar misst.
Um den Aufwand einer gleichzeitigen Messung aller Spannungen an allen Kondensatorzellen zu reduzieren, wäre in diesem Fall eine Multiplexvorrichtung denkbar, welche die Messeinheit von Kondensatorzelle zu Kondensatorzelle weiterschaltet, um nacheinander die Spannungen an den einzelnen Kondensatorzellen zu erfassen. Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Messeinheit eine Gesamtspannung aller Kondensatorzellen des Kondensatormoduls erfasst.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Messeinheit Spannungen an Zwischenabgriffen zwischen jeweils zwei Kondensatorzellen erfasst. Mit den Spannungen an den Zwischenabgriffen besteht die Möglichkeit, die einzelnen Spannungen an den einzelnen Kondensatorzellen zu ermitteln.
Insbesondere sieht eine vorteilhafte Möglichkeit vor, dass die Messeinheit die Spannungen zwischen dem jeweiligen Zwischenabgriff und Masse erfasst.
Um in einfacher Weise zu den einzelnen, an den Kondensatorzellen anliegenden Spannungen zu kommen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Messeinheit von der an dem jeweiligen Zwischenabgriff gemessenen Spannung die Spannung, die an dem masseseitig nächstliegenden Zwischenabgriff gemessen wird, subtrahiert, so dass damit die Spannung an der Kondensatorzelle ermittelbar ist, die zwischen dem Zwischenabgriff und dem masseseitig nächstliegenden Zwischenabgriff angeordnet ist.
Prinzipiell könnte die Messeinheit die Spannungen alle gleichzeitig erfassen.
Um ein möglichst kosteneffizientes Erfassen der Spannungen an den Zwischenabgriffen vorzusehen, ist die Messeinheit so ausgebildet, dass sie die Spannungen an den Zwischenabgriffen in aufeinanderfolgenden Messphasen erfasst. Das Erfassen der Spannungen an den Zwischenabgriffen in einzelnen Messphasen lässt sich vorzugsweise dadurch realisieren, dass der Messeinheit ein Schalternetzwerk zugeordnet ist, durch welches der jeweilige Zwischenabgriff auf die Messeinheit aufschaltbar ist.
Ein derartiges Schalternetzwerk ist vorzugsweise durch einen Decoder steuerbar.
Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Messeinheit in einem Messzyklus getaktet in aufeinanderfolgenden Messphasen die Spannungen an allen Zwischenabgriffen misst.
Beispielsweise könnte die Messeinheit ständig die Spannungen der Kondensatorzellen ermitteln.
Um jedoch den Betrieb der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung nicht unnötig zu unterbrechen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Messeinheit die Spannungen in festgelegten Zeitabständen ermittelt.
Die Zeitabstände können dabei abhängig von der Gesamtspannung des Kondensatormoduls sein. Beispielsweise ist bei einer niedrigen Gesamtspannung des Kondensatormoduls die Gefahr gering, dass eine der Kondensatorzellen die Maximalspannung überschreitet, während die Gefahr größer ist, je näher die Gesamtspannung des Kondensatormoduls an die maximale Gesamtspannung des Kondensatormoduls heranreicht. Aus diesem Grund ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Zeitabstände, in welchen die Messeinheit die Spannungen der Kondensatorzellen erfasst, in Abhängigkeit von einer Gesamtspannung des Kondensatormoduls festgelegt sind.
Beispielsweise verkürzen sich die Zeitabstände, zu welchen die Spannungen an den Kondensatorzellen ermittelt werden, immer mehr, je mehr die Gesamtspannung des Kondensatormoduls der maximalen Ladespannung kommt.
Hinsichtlich der vorgesehenen Entladezweige wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der erfindungsgemäßen Lösung keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass jeder Kondensatorzelle ein Entladezweig zugeordnet ist.
Die Entladezweige können dabei gemeinsam aktivierbar sein.
Besonders günstig ist es, wenn jeder Entladezweig einzeln aktivierbar ist.
Beispielsweise könnten die Entladezweige in jedem Betriebszustand der Energiespeichereinrichtung aktivierbar sein.
Um jedoch bei der Symmetrierung der Kondensatorzellen mit möglichst kleinen Strömen arbeiten zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Entladezweige in einem lade- oder entladefreien Zustand aktivierbar sind. Ein derartiger lade- oder entladefreier Zustand ist beispielsweise ein Ruhezustand der Energiespeichereinrichtung, beispielsweise dann, wenn das Kraftfahrzeug nicht in Betrieb ist.
Schließlich wurden im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung keine weiteren Angaben über die Art der Messeinheit gemacht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In der Zeichnung zeigen :
Fig. 1 eine schematische Schaltung einer erfindungsgemäßen
Energiespeichereinrichtung;
Fig. 2 eine Darstellung eines Messzyklus für Spannungen an
Zwischenabgriffen über der Zeit;
Fig. 3 ein Flussdiagramm zur Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Systems und
Fig. 4 eine Darstellung von Messzyklen und Symmetrierzyklen über der Zeitachse. Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung zur Speicherung elektrischer Energie 10, dargestellt in Fig. 1, umfasst einen Anschluss 12, welcher mit einem Versorgungsnetzwerk VN, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Über den Anschluss 12 ist die Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie in der Lage, aus dem Versorgungsnetz VN Energie aufzunehmen oder in dieses Versorgungsnetz abzugeben.
Hierzu ist ein als Ganzes mit 14 bezeichneter Spannungswandler vorgesehen, welcher die Spannung UN im Versorgungsnetz auf eine Wandlerspannung UW wandeln kann, welche sich von der Spannung UN des Versorgungsnetzes unterscheidet.
Ein Beispiel eines derartigen Spannungswandlers, ausgeführt als Buck-Boost- Wandler, umfasst eine Drossel 22, die mit dem Anschluss 12 verbunden ist und auf einer dem Anschluss gegenüberliegenden Seite der Drossel 22 eine Verzweigung 24 aufweist, von welcher ausgehend ein erster Schalter 26 zwischen der Verzweigung 24 und Masse 14 liegt und ein zweiter Schalter 28 zwischen der Verzweigung 24 und einem Kondensatormodul 30 liegt, welcher eine Vielzahl von einzelnen Kondensatorzellen 32 umfasst, miteinander in Reihe geschaltet sind, so dass der Kondensatormodul 30 mit der Reihe von Kondensatorzellen 32 mit einem ersten Anschluss 34 auf Masse 14 liegt und mit einem zweiten Anschluss 36 mit dem zweiten Schalter 28 verbunden ist.
In dem Kondensatormodul 30 lässt sich somit elektrische Energie aus dem Versorgungsnetz VN abspeichern und dann, wenn im Versorgungsnetz VN ein Energiebedarf vorliegt, wieder in das Versorgungsnetz VN einspeisen. Die einzelnen Kondensatorzellen 32 sind beispielsweise als elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren aufgebaut, wie sie beispielsweise von der Firma Maxwelle Technologies vertrieben werden.
Das Abspeichern und Einspeisen von Energie erfolgt über eine als Ganzes mit 40 bezeichnete Spannungswandlersteuerung vorgesehen, welche die Schalter 26 und 28 mit einer definierten Zyklusfrequenz abwechselnd und gegebenenfalls mit unterschiedlicher Zeitdauer steuert.
Um die gespeicherte Energie des Kondensatormoduls 30 zu maximieren ist es erforderlich, dass alle Kondensatorzellen 32i bis 32n gleichzeitig ihre Maximalspannung erreichen.
Ferner ist es erforderlich, dass die Maximalspannung der Kondensatorzellen 32 nicht überschritten wird und keine negative Spannung an den Kondensatorzellen auftritt.
Insbesondere zur Speicherung hoher Energie werden Doppelschicht-Kondensatorzellen verwendet, die allerdings beispielsweise aufgrund von Alterungsprozessen oder anderen Prozessen hinsichtlich ihrer Kapazität variieren, was zur Folge hat, dass in einem erfindungsgemäßen Kondensatormodul 30, bei welchem stets alle Kondensatorzellen 32 mit demselben Strom geladen oder durch denselben Strom entladen werden, unterschiedliche Spannungen auftreten.
Derartige unterschiedliche Spannungen der Kondensatorzellen 32 führen zu einer Reduktion der maximalen im Kondensatormodul 30 speicherbaren elektrischen Energie. Aus diesem Grund ist ein erfindungsgemäßes System 50 zum Ausgleich von Ladezuständen der Vielzahl von Kondensatorzellen 32 des Kondensatormoduls 30 vorgesehen.
Dieses System 50 umfasst eine Messeinheit 52, mit einem A/D-Wandler 54. An einem Analogeingang 56 des A/D-Wandlers liegt dabei ein Mittelabgriff 58 eines Spannungsteilers welcher einerseits einen ersten Widerstand 62 aufweist, der zwischen dem Mittelabgriff 58 und dem ersten Anschluss 34 des Kondensatormoduls 30 liegt und eine Vielzahl von zweiten Widerständen 661 bis 66n aufweist, die über Schalter 681 bis 68n eines als Ganzes mit 70 bezeichneten Schalternetzwerks mit Zwischenabgriffen 62i bis 62n verbindbar sind, welche jeweils auf einer dem ersten Anschluss 34 des Kondensatormoduls 30 abgewandten und dem zweiten Anschluss 36 des Kondensatormoduls 30 zugewandten Seite der jeweiligen Kondensatorzelle 32 liegen. Die Schalter 681 bis 68n des Schalternetzwerks 70 sind dabei durch einen als Ganzes mit 74 bezeichneten Decoder einzeln ansteuerbar.
Ferner ist jeder der einzelnen Kondensatorzellen 32i bis 32n ein Entladezweig 8Oi bis 8On zugeordnet, welcher der jeweiligen Kondensatorzelle 32i bis 32n parallel geschaltet ist und einen Entladewiderstand 82i bis 82n umfasst sowie einen in Reihe mit dem Entladewiderstand 82i bis 82n liegenden Schalter 84i bis 84n, mit welchem der Entladezweig 80 aktivierbar ist, so dass der jeweilige Kondensator 32ibis 32n über den jeweiligen Entladezweig 8Oi bis 8On entladbar ist.
Auch die Schalter 84i bis 84n sind über den Decoder 74, und zwar synchron mit den Schaltern 681 bis 68n ansteuerbar. Mit Hilfe des Decoders 74 besteht nun die Möglichkeit, während eines Messzyklus 90 sukzessive, während einzelner in zeitlichen Abständen aufeinanderfolgender Messphasen 92, getaktet an den einzelnen Zwischenabgriffen 72i bis 72n die Spannungen zwischen den jeweiligen Zwischenabgriff 72 und dem ersten Anschluss 34 des Kondensatormoduls 30 zu messen, wobei die Spannungsmessung durch eine Spannungsmessung seitens des A/D-Wandlers 54 am Mittelabgriff 58 des Spannungsteilers erfolgt, der einerseits gebildet ist durch den ersten Widerstand 62 und andererseits durch den jeweiligen zweiten Widerstand 66, der dem jeweiligen Zwischenabgriff 72 zugeordnet ist.
Wie in Fig. 2 dargestellt, wird dabei beispielsweise bei 16 Kondensatorzellen 32 zunächst die Spannung am Zwischenabgriff 72i, dann eine Spannung am Zwischenabgriff 725, dann am Zwischenabgriff 729 und dann am Zwischenabgriff 72i3 gemessen und nachfolgend am Zwischenabgriff 722, am Zwischenabgriff 726, am Zwischenabgriff 72io und dann am Zwischenabgriff 72i4 usw., so lange, bis die Spannungen an allen Zwischenabgriffen 72i bis 72n erfasst sind.
Ferner ist der Messeinheit 52 eine Auswerteeinheit 100 zugeordnet, mit welcher die von der Messeinheit 52 ermittelten Spannungen an den einzelnen Kondensatorzellen 32iund 32n ausgewertet werden und gegebenenfalls die Entladezweige 8Oi und 8On einzeln oder zu mehreren den Kondensatorzellen 32i bis 32n parallel geschaltet werden, um diese zu entladen.
Ein Zusammenwirken der Messeinheit 52 und der Auswerteeinheit 100 ist in Fig. 3 exemplarisch dargestellt. Zunächst erfolgt durch die Messeinheit 52, wie in Block 102 dargestellt, die Messung der Spannungen an den einzelnen Zwischenabgriffen H1 bis 72n, wobei diese, in Fig. 2 dargestellten Spannungen nicht direkt die an den einzelnen Kondensatorzellen 32i bis 32n anliegenden Spannungen Uc liefern, sondern stets die Spannungen all derjenigen Kondensatorzellen 32, die zwischen dem ersten Anschluss 34 und dem jeweiligen Zwischenabgriff 72 liegen, wie in Fig. 2 dargestellt.
Die Messeinheit 52 ist, wie in Block 104 dargestellt, in der Lage, aus diesen Spannungen die einzelnen, an den Kondensatorzellen 32 anliegenden Spannungen Uc zu ermitteln.
Ferner erfolgt dann gemäß Block 104 in der Auswerteeinheit 100 eine Auswertung der einzelnen Spannungen Uc. Sind die einzelnen Spannungen Uc - wie im Idealfall vorgesehen - alle gleich groß, so ist keine sogenannte Symmetrierung der Kondensatorzellen 32i bis 32n durch Aktivierung eines oder mehrerer Entladezweige 80 erforderlich, wie sich aus dem Sprung zu Block 106 in Fig. 3 ergibt.
Ist allerdings eine der einzelnen Spannungen Uc einer der Kondensatorzellen 32 größer als die für die jeweiligen einzelnen Kondensatorzellen 32 höchstens zulässige Spannung IU, beispielsweise größer als 2,85 Volt bei einer vorgesehenen Nennspannung von 2,7 Volt, so erfolgt aus Block 104 ein Sprung zu Block 108, gemäß welchem einer Systemsteuerung 110 übermittelt wird, dass ein signifikanter Fehler des Kondensatormoduls 30 vorliegt, worauf die Systemsteuerung 110 die erfindungsgemäße Einrichtung zur Speicherung elektrischer Energie 10 außer Betrieb setzt, beispielsweise durch entsprechende Ansteuerung der Spannungswandlersteuerung 40, welche hierzu durch Öffnen beider Schalter 26, 28 die erfindungsgemäße Einrichtung außer Betrieb setzt.
Ist die Spannung Ucx einer einzelnen Kondensatorzelle 32X größer als ein Mittelwert aller Spannungen Uc aller Kondensatorzellen 32, so erfolgt beispielsweise gemäß Block 112 eine Symmetrierung dieser einzelnen Kondensatorzelle 32X, und zwar durch Entladen der einzelnen Kondensatorzelle 32X mittels des dieser zugeordneten Entladezweigs 8Ox.
Dies erfolgt durch Ansteuerung des jeweiligen Schalters 84X des jeweiligen Entladezweigs 32X, und zwar durch Schließen desselben, so dass die jeweilige Kondensatorzelle 32X entladen wird, und zwar auf eine Spannung Uc, welche dem Mittelwert der Spannungen Ucx an allen Kondensatorzellen 32 entspricht.
Nach Durchführung der Symmetrierung gemäß Block 112 in Fig. 3 wird gemäß Block 114 noch ein Ladezykluszähler abgefragt, in welchem die vorgesehene Maximalzahl von Ladezyklen für den Kondensatormodul 30 festgelegt ist.
Ist die Zahl der Ladezyklen unterhalb eines Maximalwerts für die Ladezyklen, so ist der jeweilige Messzyklus beendet. Der Messzyklus kann jedoch erneut gestartet werden.
Ist die Zahl der Ladezyklen größer als ein Maximalwert des Ladezykluszählers 114, so erfolgt gemäß Block 116 in Fig. 3 eine Kapazitätsberechnung des Kondensatormoduls 30 unter Berücksichtigung der Kapazitäten aller Kondensatorzellen 32 nach welcher entschieden wird, ob der Systemsteuerung 110 ein Fehler zu melden ist oder ob ein weiterer Messzyklus 90 durchgeführt werden soll.
Ein derartiger Messzyklus 90, gefolgt von einem Symmetrierzyklus 120, ist beispielsweise in Fig. 4 über der Zeitachse dargestellt, wobei sich aus Fig. 4 ergibt, dass der Messzyklus 90 wesentlich kürzer ist als der nachfolgende Symmetrierzyklus 120, was dadurch bedingt ist, dass der Entladewiderstand 82 des jeweiligen Entladezweigs 80 der Kondensatorzellen 32 groß ist, so dass lange Zeiträume für das Entladen der jeweiligen Kondensatorzelle 32 zur Reduktion der Spannung Uc derselben erforderlich sind.
Im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der Symmetrierung, das heißt des Entladens der jeweiligen Kondensatorzelle 32X, wurde nicht darauf eingegangen, wie stark die jeweilige Kondensatorzelle 32 entladen werden soll.
Eine erste mögliche Lösung sieht vor, dass dann, wenn die Spannung Ucx der jeweiligen Kondensatorzelle 32X über der mittleren Spannung Ucm der Kondensatorzellen 32 liegt, in erster Näherung zur Symmetrierung das Entladen der jeweiligen Kondensatorzelle 32 auf die Spannung Ucm als Sollspannung erfolgen kann, so dass die Spannung der jeweiligen Kondensatorzelle 32 wieder diesem Mittelwert Ucm entspricht.
Die Tatsache, dass die jeweilige Kondensatorzelle 32X bei dem vorgegebenen Aufbau des Kondensatormoduls 30 eine höhere Spannung aufweist als die anderen Kondensatorzellen 32 rührt jedoch beispielsweise unter anderem daher, dass sich die Kapazität dieser Kondensatorzelle 32X geändert hat, beispielsweise durch einen Alterungsprozess, und geringer geworden ist. In diesem Fall führt der durch diese Kondensatorzelle 32X fließende Strom, der bei allen Kondensatorzellen 32 gleich groß ist, beim Aufladen dieser Kondensatorzelle 32X zu einer höheren Spannung Ucx in derselben als in den anderen Kondensatorzellen 32 des Kondensatormoduls 30.
Wird beim Aufladen des Kondensatormoduls 30 auf die maximale Gesamtspannung Ugmax, die der Maximalspannung Ucmax der Kondensatorzellen 32 multipliziert mit der Zahl derselben entspricht, die Kondensatorzelle 32X mit der gegenüber den anderen Kondensatorzellen 32 höheren Spannung durch den Strom, der durch alle Kondensatorzellen 32 fließt, aufgeladen, so überschreitet die Spannung Ucx der Kondensatorzelle 32X diese Spannung Ucmax im Zuge des Aufladevorgangs. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Aufladung der anderen Kondensatorzellen 32 nicht bis zur maximalen Spannung Ucmax und somit bis zur maximalen Speicherkapazität erfolgt.
Aus diesem Grund wird bei einer zweiten Lösung zur präzisen Symmetrierung die Kondensatorzelle 32X auf eine Sollspannung UCSχ eingestellt, die niedriger ist als die gemessene Spannung Ucx. Diese Sollspannung wird bei dieser zweiten, präziser arbeitenden Lösung bestimmt durch die Formel
Ucsx (tl) = Ucmax - ^t (Ugmax " Ug(tl))
wobei C9 die Gesamtkapazität des Kondensatormoduls 30 und Cx die Kapazität der Kondensatorzelle 32X und Ug(tl) die Gesamtspannung des Kondensatormoduls 30 zum jeweiligen Zeitpunkt ist, zu dem auch die Sollspannung bestimmt wird. Zur Bestimmung der Kapazitäten wird seitens der Auswerteeinheit 100 aufgrund zweier Messzyklen 90 die Kapazität jeder einzelnen Kondensatorzelle 32X ermittelt.
Aus den Spannungsmessungen lässt sich die für die Ermittlung der Sollspannung Ucxs benötigte Kapazitätsrelation -^ nach folgender Formel ermitteln.
Cg _ Ucx(ta)-Ucx(tb) Cx" ~ Ug(ta)-Ug(tb)
wobei ta und tb zwei unterschiedliche Zeitpunkte sind.
Da sich die Kapazitäten nur sehr langsam ändern kann die Bestimmung der
Kapazitätsrelation -^ in großen Zeitintervallen, beispielsweise von Wochen oder Monaten, erfolgen.
Mit dieser ermittelten Kapazitätsrelation lässt sich für jede der Kondensatorzellen 32 die Sollspannung Ucs bestimmen, auf welche jede der Kondensatorzellen 32, beispielsweise die Kondensatorzelle 32X mit durch Alterungsprozesse verringerter Kapazität, entladen werden muss, um beim Aufladen des gesamten Kondensatormoduls 30, im Verlauf von welchem durch alle Kondensatorzellen 32 derselbe Strom fließt, mit allen Kondensatorzellen 32X zum selben Zeitpunkt die Maximalspannung Ucmax zu erreichen. Das heißt, dass im Fall jeder Kondensatorzelle 32X, deren Spannung Ucx höher ist als die niedrigste Spannungen Ucx einer der Kondensatorzellen 32, eine Entladung derselben mittels des jeweiligen Entladezweigs 8Ox und gesteuert durch eine Entladeeinheit 102 auf die Sollspannung Ucs, um sicherzustellen, dass beim gemeinsamen Aufladen dieser Kondensatorzellen 32 die Maximalspannung Ucmax zum selben Zeitpunkt erreicht wird.
Diese Symmetrierung kann bei dem erfindungsgemäßen System 50 grundsätzlich zu jedem Zeitpunkt durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt jedoch die Symmetrierung lediglich in einem Spannungsbereich, der zwischen ungefähr einem Viertel der maximalen Gesamtspannung Ugmax des Kondensatormoduls 30 und ungefähr der Hälfte der maximalen Gesamtspannung Ugmax des Kondensatormoduls 30 liegt.
Durch diese Symmetrierung bei relativ niedrigen Spannungswerten der Gesamtspannung U9 besteht die Möglichkeit, durch wenig Energieverlust bei der einzelnen Kondensatorzelle 32X die Symmetrierung derselben in Relation zu den anderen Kondensatorzellen 32 zu erreichen.
Die Symmetrierung der einzelnen Kondensatorzellen 32 erfolgt jedoch unabhängig von der Überwachung der Spannung Uc der Kondensatorzellen 32 durch die Messeinheit 52, die zur Sicherheit in allen Ladezuständen des Kondensatormoduls 30 erfolgt, wobei beispielsweise eine Wiederholfrequenz der Messzyklen 90 von der Gesamtspannung U9 des Kondensatormoduls 30 abhängig ist. Beispielsweise liegen zwischen zwei Messzyklen 90 Zeiträume in der Größenordnung von 100 bis 300 Millisekunden bei einer Gesamtspannung U9 bis ungefähr zur Hälfte der maximalen Gesamtspannung Ugmaχ, während bei höheren Gesamtspannungen U9 die Zeiträume zwischen zwei Messzyklen 90 verkürzt werden, beispielsweise auf werte zwischen 40 und 100 Millisekunden, um sicherzustellen, dass keine der Kondensatorzellen 32 über den Maximalwert Ucmax für eine der Kondensatorzellen 32 geladen wird.
Da die Alterungsprozesse der Kondensatorzellen 32 in dem Kondensatormodul 30 und auch Prozesse, die zu Beschädigungen der Kondensatorzellen 32 führen können, temperaturabhängig sind, ist zusätzlich zur Messeinheit 52 noch eine Temperaturerfassungseinheit 132 vorgesehen, die über einen A/D- Wandler 134 einen Temperaturfühler 138 abfragt, der die Temperatur in dem Kondensatormodul 30 erfasst. Überschreitet die Temperatur in dem Kondensatormodul 30 eine vorgebbare Maximaltemperatur, so erfolgt über die Systemsteuerung 110 ebenfalls ein Stillsetzen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, um dem Kondensatormodul 30 die Möglichkeit zu geben, wieder auf eine vorgesehene Temperatur abzukühlen.
Um die Symmetrierung der einzelnen Kondensatorzellen 32 bei stillstehendem Kraftfahrzeug vornehmen zu können, ist die Systemsteuerung 110 mit einer umschaltbaren Spannungsversorgung 140 vorgesehen, die es ermöglicht, das erfindungsgemäße System entweder über die am Versorgungsnetz VN liegende Spannung mit Energie zu versorgen oder über die Spannung des Kondensatormoduls 30. Hierzu steuert die Spannungsversorgung 140 einen Umschalter 142 an, der je nach Zustand die Spannungsversorgung sicherstellt. Damit besteht die Möglichkeit, auch bei abgeschaltetem Versorgungsnetz VN, das heißt beispielsweise stehendem Kraftfahrzeug das erfindungsgemäße System 50 zu betreiben, da dann die Spannungsversorgung 140 durch die in dem Kondensatormodul 30 vorhandene Energie gespeist wird.
Damit besteht insbesondere die Möglichkeit, die Symmetrierung der einzelnen Kondensatorzellen 32 während der Zeit vorzunehmen, während der keine Energiespeicherung aus einem Versorgungsnetz VN erfolgt und auch das Versorgungsnetz VN abgeschaltet ist, das heißt also während eines Stillstands des Kraftfahrzeugs. Dies hat den Vorteil, dass damit die Entladezweige 80 so dimensioniert sein können, dass durch diese lediglich ein kleiner Strom fließt, so dass für das Entladen der einzelnen Kondensatorzellen 32 und somit das Symmetrieren derselben große Zeiträume zur Verfügung stehen.

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E
1. System zur Überwachung einer Vielzahl von in einem Kondensatormodul (30) in Reihe geschalteten Kondensatorzellen (32), die als elektrische Energiespeicher in einer Energiespeichereinrichtung (10) eingesetzt sind und in dieser durch einen durch alle Kondensatorzellen (32) fließenden Aufladestrom aufladbar oder durch einen Entladestrom entladbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das System (50) eine Messeinheit (52) umfasst, mit welcher durch Spannungsmessungen die an den einzelnen Kondensatorzellen (32) anliegenden Spannungen (Uc) ermittelbar sind, dass eine Auswerteeinheit (100) vorgesehen ist, mit welcher eine Sollspannung (Ucs) für die Kondensatorzellen (32) festlegbar ist, dass das System (50) mindestens einen zu jeder Kondensatorzelle (32) zuschaltbaren Entladezweig (80) aufweist, der durch eine Entladesteuereinheit (102) steuerbar ist, die entsprechend der festgelegten Sollspannung (Ucs) und der anliegenden Spannung (Uc) die jeweilige Kondensatorzelle (32) auf diesen entlädt.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswerteeinheit (100) aus den ermittelten Spannungen (Uc) an den Kondensatorzellen (32) Abweichungen von einer mittleren Spannung (Ucm) bestimmbar sind.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (100) die mittlere Spannung (Ucm) als Sollspannung ansetzt.
4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswerteeinheit (100) aus der ermittelten Gesamtspannung (U9) des Kondensatormoduls (30) und der bei Aufladung des Kondensatormoduls (30) auf die maximale Gesamtspannung (Ugmaχ) vorgesehenen Maximalspannungen (Ucmax, Ugmax) die Sollspannung (UCSχ) für die jeweilige Kondensatorzelle (32X) festlegbar ist.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (100) die Sollspannungen (UCSχ) für die Kondensatorzellen (32X) derart ermittelt, dass beim Aufladen des Kondensatormoduls (30) auf die maximale Gesamtspannung (Ugmaχ) alle Kondensatorzellen (32) gleichzeitig die Maximalspannung (Ucmax) erreichen.
6. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (100) die Kapazität (Cx) der einzelnen Kondensatorzellen (32X) berücksichtigt.
7. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (100) eine Kapazitätsrelation (Cg/Cx) der Kondensatorzellen (32X) durch eine Messung ermittelt.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (100) die Kapazitätsrelation (Cg/Cx) durch Messung von Spannungen (U9, Uc) der Kondensatorzellen (32) in verschiedenen Ladezuständen bestimmt.
9. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (52) eine Gesamtspannung (U9) aller Kondensatorzellen (32) des Kondensatormoduls (30) erfasst.
10. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (52) Spannungen an Zwischenabgriffen (72) zwischen jeweils zwei Kondensatorzellen (32) umfasst.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (52) die Spannungen zwischen dem jeweiligen Zwischenabgriff (72) und Masse (14) erfasst.
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (52) von der an dem jeweiligen Zwischenabgriff (72) gemessenen Spannung die Spannung, die an dem masseseitig nächstliegenden Zwischenabgriff (72) gemessen wird, subtrahiert.
13. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (52) die Spannungen an den Zwischenabgriffen (72) in aufeinanderfolgenden Messphasen (92) erfasst.
14. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messeinheit (52) ein Schalternetzwerk (70) zugeordnet ist, durch welches der jeweilige Zwischenabgriff (72) auf die Messeinheit (52) aufschaltbar ist.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalternetzwerk (70) durch einen Decoder (74) steuerbar ist.
16. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (52) in einem Messzyklus (90) getaktet in aufeinanderfolgenden Messphasen (92) die Spannungen an den Zwischenabgriffen (72) misst.
17. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (52) die Spannungen in festgelegten Zeitabständen ermittelt.
18. System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (52) die Spannungen der Kondensatorzellen (32) in Abhängigkeit von einer Gesamtspannung (U9) des Kondensatormoduls (30) erfasst.
19. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kondensatorzelle (32) ein Entladezweig (80) zugeordnet ist.
20. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Entladezweig (80) einzeln aktivierbar ist.
21. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladezweige (80) in einem lade- oder entladefreien Zustand aktivierbar sind.
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