WO2014037157A1 - Steuereinrichtung und verfahren zum bestimmen des ladungszustands von energiespeicherzellen einer energiespeichereinrichtung - Google Patents
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- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
Definitions
- the invention relates to a control device and a method for determining the state of charge of energy storage cells of an energy storage device, in particular an energy storage device with a modular battery system.
- Wind turbines or solar systems as well as in vehicles such as hybrid or
- DC voltage in a multi-phase AC voltage for example, a three-phase AC voltage to be reversed.
- the DC link is fed by a string of serially connected battery modules.
- multiple battery modules are often connected in series in a traction battery.
- the series connection of several battery modules involves the problem that the entire string fails if a single battery module fails. Such a failure of the power supply string can lead to a failure of the entire system.
- temporarily or permanently occurring power reductions of a single battery module can lead to power reductions in the entire power supply line.
- Energy storage module strings which are directly connectable to an electrical machine or an electrical network.
- the energy storage module strands in this case have a plurality of energy storage modules connected in series, wherein each energy storage module has at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which makes it possible to interrupt the respective energy storage module strand depending on control signals or to bridge the respectively associated at least one battery cell or each associated with at least one battery cell in the respective energy storage module string to switch.
- suitable activation of the coupling units e.g.
- suitable phase signals for controlling the phase output voltage can also be provided so that a separate pulse inverter can be dispensed with. The required for controlling the phase output voltage pulse inverter is thus integrated so to speak in the BDI.
- BDIs usually have higher efficiency and higher
- Coupling units can be switched out of the power supply lines.
- the phase output voltage of an energy storage module string can be varied by appropriate activation of the coupling units and in particular be set in stages.
- the gradation of the output voltage results from the voltage of a single energy storage module, the maximum possible
- Energy storage modules of an energy storage module string is determined.
- the publications DE 10 2010 027 857 A1 and DE 10 2010 027 861 A1 disclose battery direct inverters with a plurality of battery module strings, which can be connected directly to an electrical machine.
- the energy storage module strands have a plurality of energy storage modules connected in series, each energy storage module having at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which allows the respective assigned at least one battery cell to be bridged as a function of control signals or the respectively assigned at least one battery cell to switch the respective energy storage module string.
- the coupling unit be designed such that it also allows the associated at least one battery cell with inverse polarity in the respective
- a pulse width modulated (PWM) control of the coupling units can take place. This makes it possible to output a desired mean value as energy storage module voltage by specific variation of the on or off times.
- PWM pulse width modulated
- Quiet voltage, open circuit voltage or OCV Open Circuit Voltage
- the present invention provides a method for determining the state of charge of energy storage cells of an energy storage device having a plurality of energy storage modules connected in series in at least one energy supply branch, each comprising: an energy storage cell module having at least one energy storage cell, and a coupling device Coupling elements, which are designed to selectively switch or bypass the energy storage cell module in the respective power supply branch.
- the method comprises the steps of selecting a first part of the energy storage modules of a power supply branch of the energy storage device, the driving of the
- a power supply branch for switching the respective energy storage cell modules in the power supply branch, driving the coupling means of the first part of the energy storage modules of the power supply branch for bypassing the respective energy storage cell modules in the power supply branch for a predetermined first period, and detecting the open circuit voltage of
- the present invention provides a controller for determining the state of charge of energy storage cells
- the present invention provides an electrical
- a power supply system comprising an energy storage device having a plurality of connected in at least one power supply branch in series
- Energy storage modules each comprising: an energy storage cell module, which has at least one energy storage cell, and a coupling device with coupling elements, which are adapted to selectively connect or bypass the energy storage cell module in the respective power supply branch; and with a control device according to the invention, which is coupled to the energy storage device.
- Energy storage device with in one or more power supply branches serially connected battery cells to allow the determination of the rest voltage of the individual battery cells even during operation of the energy storage device. This is to generate the output voltage of the or
- the rest Part is at least for a first predetermined period of time from the
- Power supply branch decoupled so that after the first predetermined period in which the energy storage modules to be measured are in the unloaded state, the rest voltage in the remaining part of the energy storage modules can set. After the first predetermined time period has elapsed, a precise and reliable measurement of the quiescent voltage of the energy storage modules or their battery cells can take place.
- Power supply system in which the energy storage device is used to interrupt or affect. Especially with electric
- Propulsion systems of land or water-based vehicles such as electric cars or ships this is advantageous.
- Charge state determination via a charge balance method can be completely dispensed with.
- the methods and systems described here are suitable both for a discharging and a charging operation of the energy storage device.
- Energy storage device to be designed for generating an n-phase supply voltage, wherein n> 1, and n parallel-connected power supply branches, each between an output terminal and a
- Reference potential rail are coupled, wherein each of the n power supply branches having a plurality of series-connected energy storage modules. In this case, the steps of the method for each of the n connected in parallel
- Power supply branches are carried out separately.
- the predetermined first period of time may be greater than one minute.
- the predetermined first Each time span in a module also be significantly longer, for example between 10 and 30 minutes. The longer the first period of time, the more accurately the actual charge state can be determined from the measured open circuit voltage.
- the method may further comprise, after detecting the quiescent voltage of the energy storage cells of the first part of the energy storage modules, the steps of selecting a second part of the energy storage modules of a power supply branch
- Energy storage cell modules in the power supply branch for a predetermined second period of time and detecting the rest voltage of the energy storage cells of the second part of the energy storage modules after the expiration of the predetermined second period of time.
- the predetermined second time period may coincide with the predetermined first time period.
- the energy storage cells may comprise lithium-ion accumulators. In principle this is
- the coupling devices may comprise coupling elements in full-bridge connection.
- the coupling devices may comprise coupling elements in a half-bridge circuit.
- the energy storage cells may include lithium-ion batteries.
- Fig. 1 is a schematic representation of an electrical
- a power supply system having an energy storage device according to an embodiment of the present invention
- Fig. 2 is a schematic representation of an embodiment of a
- Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of a
- Fig. 4 is a schematic representation of an electrical
- a power supply system having an energy storage device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 1 shows an electrical energy supply system or drive system 100 for voltage conversion of energy storage modules 3 provided
- the energy supply system 100 comprises an energy storage device 1 with energy storage modules 3, which are connected in series in several energy supply lines or energy supply branches Z.
- the power supply branches Z are each between two
- Output terminals 1 a and 1 b of the energy storage device 1 are coupled, which are each coupled to a DC voltage intermediate circuit 2b.
- the power supply system 100 in FIG. 1 is used to supply a three-phase electrical machine 6.
- the energy storage device 1 is used for generating electrical power for a power supply network 6.
- the electric machine 6 also a synchronous or
- Wind turbines, photovoltaic systems or cogeneration plants in
- Energy storage facilities such as compressed air storage power plants
- FIG. 1 Battery storage power plants, flywheel storage, pumped storage or similar systems.
- passenger or goods transport vehicles which are designed for locomotion on or under the water, for example, ships, motor boats or the like.
- each of the energy supply branches Z of the energy storage device 1 is coupled via a coupling inductance 2 a to the DC voltage intermediate circuit 2 b.
- the coupling inductors 2a can, for example, specifically between the
- Energy storage device 1 be switched inductive chokes.
- the coupling inductances 2a may also be possible for the coupling inductances 2a to be formed by already existing parasitic inductances in the interconnection between the energy storage device 1 and
- the DC voltage intermediate circuit 2b feeds a pulse inverter 4, which from the DC voltage of the DC intermediate circuit 2b a three-phase
- the power supply system 100 may further comprise a controller 8, which is connected to the energy storage device 1, and by means of which the
- Energy storage device 1 can be controlled to the desired
- Output terminals 1 a, 1 b provide.
- the control device 8 to be designed when charging the energy storage cells of the
- Energy storage device 1 to control the respective coupling elements or active switching elements of the energy storage device 1. Furthermore, the control device 8 can be designed to determine the quiescent voltage of the individual energy storage modules 3 or their energy storage cells, as explained in more detail below with reference to FIG. 5.
- the number of power supply branches Z in FIG. 1 is two, but any other number of power supply branches Z is also possible.
- the energy supply branches Z of the energy storage device 1 have at least two series-connected energy storage modules 3.
- the number of energy storage modules 3 in FIG. 1 is four, but any other number of
- Energy storage modules 3 per power supply branch is also possible.
- the energy storage modules 3 each have two output terminals 3a and 3b, via which a module output voltage of the energy storage modules 3 can be provided. Since the energy storage modules 3 are primarily connected in series, the module output voltages of the energy storage modules 3 add up to the
- Power supply branches Z of the energy storage device 1 is provided.
- the energy supply branches Z can in particular more
- Output voltage are provided, and the remaining part of the energy storage modules 3 for the detection of the rest voltage are temporarily bridged in the power supply branch Z.
- the energy storage modules 3 each comprise one
- Coupling device 7 with a plurality of coupling elements 7a and 7c and optionally 7b and 7d.
- the energy storage modules 3 further include one each
- the energy storage cell module 5 can, for example, have energy storage cells 5a to 5k connected in series, for example lithium-ion batteries or accumulators.
- the number of energy storage cells 5a to 5k in the energy storage module 3 shown in FIG. 2 is by way of example two, but any other number of energy storage cells 5a to 5k is likewise possible.
- the energy storage cells 5a to 5k can use secondary cells with different cell chemistry, for example lead-acid batteries, nickel-metal hydride accumulators, nickel-cadmium accumulators, lithium-polymer accumulators or the like.
- double-layer or supercapacitors for the energy storage cells 5a to 5k.
- the energy storage cell modules 5 are connected via connecting lines
- Coupling device 7 is shown in Fig. 2 by way of example as a full bridge circuit, each with two
- Coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d can each have an active switching element, for example a semiconductor switch, and a free-wheeling diode connected in parallel therewith.
- the semiconductor switches may comprise field effect transistors (FETs), for example.
- FETs field effect transistors
- the freewheeling diodes can also be integrated in each case in the semiconductor switches.
- the coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d in Fig. 2 can be controlled in such a way, for example by means of the control device 8 in Fig. 1, that the
- Energy storage cell module 5 is selectively switched between the output terminals 3a and 3b or that the energy storage cell module 5 is bypassed or bypassed.
- the energy storage cell module 5 may be connected in the forward direction between the output terminals 3a and 3b by the
- a bypass state can be set, for example, by the two coupling elements 7a and 7b in
- FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of an energy storage module 3.
- the energy storage module 3 shown in FIG. 3 differs from the energy storage module 3 shown in FIG. 2 only in that the coupling device 7 has two instead of four coupling elements which are in a half-bridge circuit instead of a full-bridge circuit are interconnected.
- the active switching elements as a power semiconductor switch, for example in the form of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (junction field-effect transistor) or as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), be executed.
- IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
- JFETs junction field-effect transistor
- MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors
- Power supply branches Z are varied over a suitable control in stages from a negative maximum value to a positive maximum value.
- the gradation of the voltage level results here depending on the gradation of the individual energy storage cell modules 5. For example, a medium
- the coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d of an energy storage module 3 can be controlled clocked, for example in a pulse width modulation (PWM), so that the relevant energy storage module 3 in the time average, a module voltage which provides a value between zero and the maximum possible determined by the energy storage cells 5a to 5k
- PWM pulse width modulation
- the control of the coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d can, for example, a control device, such as the control device 8 in Fig. 1, make, which is designed to perform, for example, a current control with a lower voltage control, so that a gradual supply or Shutdown of individual energy storage modules 3 can be done.
- a control device such as the control device 8 in Fig. 1, make, which is designed to perform, for example, a current control with a lower voltage control, so that a gradual supply or Shutdown of individual energy storage modules 3 can be done.
- the coupling devices 7 selected energy storage cell modules 5 of
- Energy storage modules 3 can contribute to the power supply by the energy storage device 1 for this period.
- the energy storage module labeled A in FIG. 1 can be selected as the first part of all energy storage modules 3 and its coupling device 7 can be activated for bridging or bypassing in the energy supply branch. This will do that
- Energy storage cell module 5 is disabled and the energy storage cells 5a to 5k of the energy storage cell module 5 can drop to a stable rest voltage during the rest phase. After expiration of the rest phase, that is, the predetermined first time period, the rest voltage of the energy storage cells 5 a to 5 k of the energy storage module A can be detected. The charge state of the energy storage cells 5 a to 5 k of the energy storage module A can be determined precisely and reliably from the rest voltage detected in this way.
- the energy storage module B can be provided for example as a reserve module, that is, the number of energy storage modules 3 per power supply branch Z is greater than the required for the maximum desired output voltage of a power supply branch Z number.
- the energy storage module A can then be coupled back into the energy supply branch Z and the
- the energy storage module B in the power supply branch Z may be bypassed for a predetermined second time period, and the procedure for detecting the quiescent voltage for the energy storage module B may be repeated.
- the rest periods and in particular the first and second predetermined time periods can be at least one minute or even significantly longer, for example 10 to 30 minutes. In general, the longer the rest phases, the more accurately the actual state of charge of the energy storage cells 5 a to 5 k of the respective energy storage module can be determined from the measured rest voltage.
- the first and second predetermined time periods depend on the cell chemistry used.
- the necessary waiting time for supercapacitors is in the range of milliseconds, while that of lithium-ion batteries is within the range of minutes.
- FIG. 4 shows a further electrical energy supply system or drive system 200 for voltage conversion of energy storage modules 3 provided DC voltage in an n-phase AC voltage.
- the energy supply system 200 comprises an energy storage device 1 with energy storage modules 3, which are connected in energy supply branches Z in series.
- energy supply branches Z are shown in FIG. 4, which are used to generate a three-phase
- the energy storage device 1 has at each power supply branch via an output terminal 1 a, 1 b, 1 c, which are respectively connected to phase lines 6a, 6b and 6c, which couple the energy storage device 1 with an electric machine 6.
- the energy supply system 200 in FIG. 4 is used to supply a three-phase electric machine 6
- the energy storage device 1 is used to generate electricity for a power grid 6.
- the electric machine 6 also a synchronous or
- Wind turbines, photovoltaic systems or cogeneration plants in
- Energy storage facilities such as compressed air storage power plants
- FIG. 4 Battery storage power plants, flywheel storage, pumped storage or similar systems.
- Another possible use of the system in Fig. 4 are passenger or goods transport vehicles, which are designed for locomotion on or under the water, for example, ships, motor boats or the like.
- the power supply system 200 may further include a controller 8, which is connected to the energy storage device 1, and by means of which the
- Energy storage device 1 can be controlled to the desired
- Output voltages to the respective output terminals 1 a, 1 b, 1 c provide.
- the power supply branches Z can be connected at their end to a reference potential 4 (reference rail). This can lead to an average potential with respect to the phase lines 6a, 6b, 6c of the electric machine 6 and, for example, be connected to a ground potential.
- Each of the power supply branches Z has at least two energy storage modules 3 connected in series.
- the number of energy storage modules 3 per power supply branch in FIG. 4 is three, but any other number of energy storage modules 3 is also possible.
- each of the power supply branches Z comprises the same number of energy storage modules 3, but it is also possible for each
- Energy supply branch Z to provide a different number of energy storage modules 3.
- the energy storage modules 3 can correspond to the energy storage modules shown in connection with FIGS. 2 and 3.
- FIG. 5 shows a schematic representation of a method 10 for determining the state of charge of energy storage cells of an energy storage device
- the method 10 is particularly suitable for use in electrically operated land or water vehicles, which a
- Energy storage devices 1 used in such vehicles often have to operate in a continuous mode in order to ensure the drive for the vehicle and therefore can not be put out of operation for the conventional determination of the state of charge of their energy storage cells.
- the method 10 can, as a first step 1 1, select a first part of the energy storage modules 3 of a power supply branch Z of FIG
- the non-selected energy storage modules 3 of the power supply branch Z that is, the other energy storage modules 3 that do not belong to the selected first part, can be controlled by activating the
- Energy storage cell modules 5 are used in the power supply branch Z.
- the coupling devices 7 of the first part of the energy storage modules 3 of the power supply branch Z are activated
- Power supply branch Z for a predetermined first time period.
- the rest voltage of the energy storage cells 5a to 5k stabilizes to a value on the basis of which the state of charge of the energy storage cells 5a to 5k can be determined precisely and reliably. This capture the
- Quiescent voltage of the energy storage cells 5a to 5k of the first part of the Energy storage modules 3 can be done in a step 14 after the expiration of the predetermined first time period.
- steps of method 10 in the case of application to an electric drive system 200 as shown in FIG. 4, may be for each of the n connected in parallel
- Power supply branches Z are performed separately. Furthermore, after detecting the quiescent voltage of the energy storage cells 5a to 5k of the first part of the energy storage modules 3, a selection of a second part of the energy storage modules 3 of a power supply branch Z of the energy storage device 1 can take place. In this case, the energy storage modules 3 of the second part at least do not completely match the energy storage modules 3 of the first part.
- the predetermined second time period can match recordable with the predetermined first time period.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands von Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung mit einer Vielzahl von in mindestens einem Energieversorgungszweig in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu umgehen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Auswählens eines ersten Teils der Energiespeichermodule eines Energieversorgungszweigs der Energiespeichereinrichtung, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen der nicht ausgewählten Energiespeichermodule des Energieversorgungszweigs zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in den Energieversorgungszweig, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen des ersten Teils der Energiespeichermodule des Energieversorgungszweigs zum Umgehen der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in dem Energieversorgungszweig für eine vorbestimmte erste Zeitspanne, und des Erfassens der Ruhespannung der Energiespeicherzellen des ersten Teils der Energiespeichermodule nach Ablauf der vorbestimmten ersten Zeitspanne.
Description
Beschreibung Titel
Steuereinrichtung und Verfahren zum Bestimmen des Ladungszustands von
Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Ladungszustands von Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung mit modularem Batteriesystem.
Stand der Technik Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B.
Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder
Elektrofahrzeugen und Schiffen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Die Einspeisung von mehrphasigem Strom in eine elektrische Maschine wird
üblicherweise durch einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters bewerkstelligt. Dazu kann eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte
Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis wird dabei von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule in einer Traktionsbatterie in Serie geschaltet. Die Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen.
In der Druckschrift US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter
Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI)
bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren
Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in den BDI integriert.
BDIs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere
Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Überbrückungsansteuerung der
Koppeleinheiten aus den Energieversorgungssträngen herausgeschaltet werden können. Die Phasenausgangsspannung eines Energiespeichermodulstrangs kann durch entsprechendes Ansteuern der Koppeleinheiten variiert und insbesondere stufig eingestellt werden. Die Stufung der Ausgangsspannung ergibt sich dabei aus der Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls, wobei die maximal mögliche
Phasenausgangsspannung durch die Summe der Spannungen aller
Energiespeichermodule eines Energiespeichermodulstrangs bestimmt wird.
Die Druckschriften DE 10 2010 027 857 A1 und DE 10 2010 027 861 A1 beispielsweise offenbaren Batteriedirektinverter mit mehreren Batteriemodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine anschließbar sind.
Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Optional kann die Koppeleinheit
derart gestaltet sein, dass sie es zusätzlich erlaubt, die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle auch mit inverser Polarität in den jeweiligen
Energiespeichermodulstrang zu schalten oder auch den jeweiligen
Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen.
Zur Einstellung einer Ausgangsspannung eines Energiespeichermoduls kann eine pulsbreitenmodulierte (PWM) Ansteuerung der Koppeleinheiten erfolgen. Dadurch ist es möglich, durch gezielte Variation der Ein- bzw. Ausschaltzeiten einen gewünschten Mittelwert als Energiespeichermodulspannung auszugeben.
Bei einem Einsatz in elektrisch betriebenen Fahrzeugen wie beispielsweise Elektroautos oder Hybridfahrzeugen ist es wünschenswert, genaue Kenntnis über den Ladezustand der Batteriezellen zu besitzen, um eine optimale Ansteuerung des BDI gewährleisten zu können. Für Batteriezellen, welche für eine bestimmte Zeitdauer nicht genutzt werden, kann der Ladezustand recht genau über eine Messung der Ruhespannung - auch
Ruheklemmenspannung, Leerlaufspannung oder OCV („Open Circuit Voltage") genannt - bestimmt werden, da der Zusammenhang zwischen Ruhespannung und Ladezustand, insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren genau bekannt ist. Im Betrieb von Batteriezellen, beispielsweise bei einem Dauerbetrieb in einem
elektrischen Antriebssystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, ist es häufig nicht möglich, die Ruhespannung direkt zu bestimmen. Daher wird in diesen Fällen auf Lade- Entlade-Bilanzverfahren zurückgegriffen, das heißt, es werden Spannung und Strom der Batteriezellen erfasst, um daraus die aus den Batteriezellen entnommene Ladung zu ermitteln. Alternativ kann auch ein aus der Druckschrift DE 10 2010 050 980 A1 bekanntes Verfahren zur Kalibrierung der Ruhespannungskennlinie während des Betriebs eines elektrischen Fahrzeugs eingesetzt werden.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer Methode, bei Batteriesystemen, die sich dauerhaft im Einsatz befinden, den Ladezustand zuverlässig und präzise zu ermitteln.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands von Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung mit einer Vielzahl von in mindestens einem Energieversorgungszweig in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit
Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu umgehen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Auswählens eines ersten Teils der Energiespeichermodule eines Energieversorgungszweigs der Energiespeichereinrichtung, des Ansteuerns der
Koppeleinrichtungen der nicht ausgewählten Energiespeichermodule des
Energieversorgungszweigs zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in den Energieversorgungszweig, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen des ersten Teils der Energiespeichermodule des Energieversorgungszweigs zum Überbrücken der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in dem Energieversorgungszweig für eine vorbestimmte erste Zeitspanne, und des Erfassens der Ruhespannung der
Energiespeicherzellen des ersten Teils der Energiespeichermodule nach Ablauf der vorbestimmten ersten Zeitspanne.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Steuereinrichtung zum Bestimmen des Ladezustands von Energiespeicherzellen einer
Energiespeichereinrichtung mit einer Vielzahl von in mindestens einem
Energieversorgungszweig in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches
Energieversorgungssystem, mit einer Energiespeichereinrichtung mit einer Vielzahl von in mindestens einem Energieversorgungszweig in Serie geschalteten
Energiespeichermodulen, welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken; und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, welche mit der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist. Vorteile der Erfindung
Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, in einer modular aufgebauten
Energiespeichereinrichtung mit in einem oder mehreren Energieversorgungszweigen seriell verschalteten Batteriezellen die Ermittlung der Ruhespannung der einzelnen Batteriezellen auch während des laufenden Betriebs der Energiespeichereinrichtung zu ermöglichen. Dazu wird zur Erzeugung der Ausgangsspannung des oder der
Energieversorgungszweige jeweils nur ein Teil der in dem jeweiligen
Energieversorgungszweig verfügbaren Energiespeichermodule herangezogen. Der übrige
Teil wird zumindest für eine erste vorbestimmte Zeitspanne aus dem
Energieversorgungszweig ausgekoppelt, so dass sich nach der ersten vorbestimmten Zeitspanne, in welcher sich die zu messenden Energiespeichermodule in unbelastetem Zustand befinden, die Ruhespannung im übrigen Teil der Energiespeichermodule einstellen kann. Nach Ablauf der ersten vorbestimmten Zeitspanne kann eine präzise und zuverlässige Messung der Ruhespannung der Energiespeichermodule bzw. deren Batteriezellen erfolgen.
Dies hat den Vorteil, dass die Ruhespannung der Energiespeicherzellen auch im laufenden Betrieb bestimmt werden kann, ohne den Betrieb des elektrischen
Energieversorgungssystems, in welchem die Energiespeichereinrichtung eingesetzt wird, zu unterbrechen oder zu beeinträchtigen. Insbesondere bei elektrischen
Antriebssystemen land- oder wasserbasierter Fahrzeuge wie Elektroautos oder Schiffen ist dies vorteilhaft.
Ferner ist es vorteilhafterweise möglich, die Ladezustandsbestimmung über die
Ruhespannungsmessung wesentlich präziser und zuverlässiger durchzuführen. Dadurch können aus Sicherheitsgründen vorgehaltene Kapazitätsreserven deutlich kleiner ausfallen, was zu Einsparungen in Kosten und Bauraum führt.
Überdies besteht der Vorteil, dass keine zusätzlichen Komponenten oder Schaltungsteile notwendig werden. Unter bestimmten Umständen kann auf eine aufwändige
Ladezustandsbestimmung über ein Ladebilanz-Verfahren auch komplett verzichtet werden. Die hier beschriebenen Verfahren und Systeme eignen sich sowohl für einen Entlade- als auch einen Ladebetrieb der Energiespeichereinrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die
Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung ausgelegt sein, wobei n > 1 , und n parallel geschaltete Energieversorgungszweige aufweisen, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss und eine
Bezugspotentialschiene gekoppelt sind, wobei jeder der n Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweist. Dabei können die Schritte des Verfahrens für jeden der n parallel geschalteten
Energieversorgungszweige separat ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die vorbestimmte erste Zeitspanne größer als eine Minute sein. Infolge der
Spannungsreserve in den Energieversorgungszweigen kann die vorbestimmte erste
Zeitspanne in einem Modul jeweils auch deutlich länger sein, beispielsweise zwischen 10 und 30 Minuten. Je länger die erste Zeitspanne ist, desto genauer kann der tatsächliche Ladezustand aus der gemessenen Ruhespannung ermittelt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin nach dem Erfassen der Ruhespannung der Energiespeicherzellen des ersten Teils der Energiespeichermodule die Schritte des Auswählens eines zweiten Teils der Energiespeichermodule eines Energieversorgungszweigs der
Energiespeichereinrichtung, wobei die Energiespeichermodule des zweiten Teils zumindest nicht vollständig mit den Energiespeichermodule des ersten Teils
übereinstimmen, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen der nicht ausgewählten Energiespeichermodule des Energieversorgungszweigs zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in den Energieversorgungszweig, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen des zweiten Teils der Energiespeichermodule des
Energieversorgungszweigs zum Überbrücken der jeweiligen
Energiespeicherzellenmodule in dem Energieversorgungszweig für eine vorbestimmte zweite Zeitspanne, und des Erfassens der Ruhespannung der Energiespeicherzellen des zweiten Teils der Energiespeichermodule nach Ablauf der vorbestimmten zweiten Zeitspanne umfassen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass durch ein rollierendes Auswählen verschiedener Energiespeichermodule alle der Energiespeichermodule in mindestens einem Iterationsschritt für die Erfassung der Ruhespannung zur Verfügung stehen, ohne dass die Spannungsversorgung durch den jeweiligen
Energieversorgungszweig unterbrochen oder beeinträchtigt wird. Dabei kann die vorbestimmte zweite Zeitspanne mit der vorbestimmten ersten Zeitspanne übereinstimmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Energiespeicherzellen Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen. Prinzipiell ist das
Verfahren für jede Zellchemie geeignet. Durch geeignete Auslegung des
Energieversorgungszweigs mit hinreichender Spannungsreserve können auch
Energiespeicherzellen verwendet werdem, die lange benötigen, um den Ruhezustand zu erreichen, beispielsweise Blei-Säure-Systeme. Grundsätzlich ist das Verfahren anwendbar, wenn bei den verwendeten Energiespeicherzellen eine Korrelation zwischen Ladezustand und Leerlaufspannung besteht. Besonders bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist die Abklingphase nach Benutzung, bis die Ruhespannung wieder stabilisiert ist, für die Bestimmung des Ladezustands relevant.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems können die Koppeleinrichtungen Koppelelemente in Vollbrückenschaltung umfassen. Alternativ können die Koppeleinrichtungen Koppelelemente in Halbbrückenschaltung umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Energieversorgungssystems können die Energiespeicherzellen Lithium-Ionen- Akkumulatoren umfassen.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen
Energieversorgungssystems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach Fig. 1 ;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines
Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach Fig. 1 ;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines elektrischen
Energieversorgungssystems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bestimmen des
Ladungszustands von Energiespeicherzellen einer
Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein elektrisches Energieversorgungssystem bzw. Antriebssystem 100 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter
Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das Energieversorgungssystem
100 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in mehreren Energieversorgungssträngen bzw. Energieversorgungszweigen Z in Serie geschaltet sind. Die Energieversorgungszweige Z sind jeweils zwischen zwei
Ausgangsanschlüsse 1 a und 1 b der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt, die jeweils an einen Gleichspannungszwischenkreis 2b gekoppelt sind. Beispielhaft dient das Energieversorgungssystem 100 in Fig. 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 6. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 6 verwendet wird. Alternativ kann die elektrische Maschine 6 auch eine Synchron- oder
Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC,„brushless DC motor") sein. Es kann dabei auch möglich sein, die
Energiespeichereinrichtung 1 in stationären Systemen einzusetzen, beispielsweise in Kraftwerken, in elektrischen Energiegewinnungsanlagen wie zum Beispiel
Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder Kraftwärmekopplungsanlagen, in
Energiespeicheranlagen wie zum Beispiel Druckluftspeicherkraftwerken,
Batteriespeicherkraftwerken, Schwungradspeichern, Pumpspeichern oder ähnlichen Systemen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des Systems in Fig. 1 sind Personen- oder Gütertransportfahrzeuge, welche zur Fortbewegung auf oder unter dem Wasser ausgelegt sind, beispielsweise Schiffe, Motorboote oder dergleichen.
Dazu ist jeder der Energieversorgungszweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 über eine Koppelinduktivität 2a mit dem Gleichspannungszwischenkreis 2b gekoppelt. Die Koppelinduktivitäten 2a können beispielsweise gezielt zwischen den
Gleichspannungszwischenkreis 2b und den Ausgangsanschluss 1 a der
Energiespeichereinrichtung 1 geschaltete induktive Drosseln sein. Alternativ kann es auch möglich sein, dass die Koppelinduktivitäten 2a durch ohnehin vorhandene parasitäre Induktivitäten in der Verschaltung zwischen Energiespeichereinrichtung 1 und
Gleichspannungszwischenkreis 2b gebildet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis 2b speist einen Pulswechselrichter 4, welcher aus der Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises 2b eine dreiphasige
Wechselspannung für die elektrische Maschine 6 bereitstellt.
Das Energieversorgungssystem 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 8 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die
Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschte
Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 an den jeweiligen
Ausgangsanschlüssen 1 a, 1 b bereitzustellen. Zudem kann die Steuereinrichtung 8 dazu
ausgelegt sein, bei einem Laden der Energiespeicherzellen der
Energiespeichereinrichtung 1 die jeweiligen Koppelelemente bzw. aktiven Schaltelemente der Energiespeichereinrichtung 1 anzusteuern. Weiterhin kann die Steuereinrichtung 8 dazu ausgelegt sein, die Ruhespannung der einzelnen Energiespeichermodule 3 bzw. deren Energiespeicherzellen zu bestimmen, wie im Folgenden in Bezug auf Fig. 5 näher erläutert.
Die Anzahl der Energieversorgungszweige Z in Fig. 1 beträgt beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen Z ebenso möglich ist. Die Energieversorgungszweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 weisen mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 in Fig. 1 vier, wobei jedoch jede andere Anzahl von
Energiespeichermodulen 3 pro Energieversorgungszweig ebenso möglich ist. Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Modulausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Da die Energiespeichermodule 3 primär in Reihe geschaltet sind, summieren sich die Modulausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 zu der
Gesamtausgangsspannung, welche an den Ausgangsanschlüssen 1 a, 1 b der
Energieversorgungszweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt wird.
Die Energieversorgungszweige Z können dabei insbesondere mehr
Energiespeichermodule 3 aufweisen als für die maximal gewünschte
Gesamtausgangsspannung an den Ausgangsanschlüssen 1 a, 1 b der
Energieversorgungszweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 notwendig sind. Dadurch kann auch durch lediglich einen Teil der Energiespeichermodule 3 die maximale
Ausgangsspannung bereitgestellt werden, und der übrige Teil der Energiespeichermodule 3 für die Erfassung der Ruhespannung temporär in dem Energieversorgungszweig Z überbrückt werden.
Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den Fig. 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen jeweils eine
Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a und 7c sowie gegebenenfalls 7b und 7d. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein
Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten
Energiespeicherzellen 5a, 5k.
Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder - Akkumulatoren aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem in Fig. 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist. Ebenso ist es möglich für die Energiespeicherzellen 5a bis 5k Sekundärzellen mit anderer Zellchemie zu verwenden, beispielsweise Blei-Säure-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkumulatoren oder dergleichen. Weiterhin können für die Energiespeicherzellen 5a bis 5k auch Doppelschicht- oder Superkondensatoren eingesetzt werden.
Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit
Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. Die
Koppeleinrichtung 7 ist in Fig. 2 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei
Koppelelementen 7a, 7c und zwei Koppelelementen 7b, 7d ausgebildet. Die
Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können dabei jeweils ein aktives Schaltelement, beispielsweise einen Halbleiterschalter, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode aufweisen. Die Halbleiterschalter können beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In diesem Fall können die Freilaufdioden auch jeweils in die Halbleiterschalter integriert sein.
Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d in Fig. 2 können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der Steuereinrichtung 8 in Fig. 1 , dass das
Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt bzw. umgangen wird. Beispielsweise kann das Energiespeicherzellenmodul 5 in Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das
Koppelelement 7d rechts unten und das Koppelelement 7a links oben in einen
geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen Koppelelemente in einen offenen Zustand versetzt werden. Ein Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, indem die beiden Koppelelemente 7a und 7b in
geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden Koppelelemente 7c und 7d in offenem Zustand gehalten werden. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne
Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die
Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs Z integriert werden.
Fig. 3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Das in Fig. 3 gezeigte Energiespeichermodul 3 unterscheidet sich von dem in Fig. 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 nur dadurch, dass die Koppeleinrichtung 7 zwei statt vier Koppelelemente aufweist, die in Halbbrückenschaltung statt in Vollbrückenschaltung verschaltet sind.
In den dargestellten Ausführungsvarianten können die aktiven Schaltelemente als Leistungshalbleiterschalter, zum Beispiel in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.
Mit den Koppelelementen 7a, 7b, 7c, 7d kann die Ausgangsspannung jedes der
Energieversorgungszweige Z über eine geeignete Ansteuerung in Stufen von einem negativen Maximalwert bis hin zu einem positiven Maximalwert variiert werden. Die Abstufung der Spannungslevel ergibt sich hierbei in Abhängigkeit von der Stufung der einzelnen Energiespeicherzellenmodule 5. Um beispielsweise einen mittleren
Spannungswert zwischen zwei durch die Stufung der Energiespeicherzellenmodule 5 vorgegebenen Spannungsstufen zu erhalten, können die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d eines Energiespeichermoduls 3 getaktet angesteuert werden, beispielsweise in einer Pulsbreitenmodulation (PWM), so dass das betreffende Energiespeichermodul 3 im zeitlichen Mittel eine Modulspannung liefert, welche einen Wert zwischen Null und der durch die Energiespeicherzellen 5a bis 5k bestimmten, maximal möglichen
Modulspannung aufweisen kann. Die Ansteuerung der Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d kann dabei beispielsweise eine Steuereinrichtung, wie die Steuereinrichtung 8 in Fig. 1 , vornehmen, welche dazu ausgelegt ist, zum Beispiel eine Stromregelung mit einer untergelagerten Spannungssteuerung durchzuführen, so dass ein stufiges Zu- oder Abschalten von einzelnen Energiespeichermodulen 3 erfolgen kann.
Durch den Einsatz einer derartigen Energiespeichereinrichtung 1 ist es möglich, die Koppeleinrichtungen 7 ausgewählter Energiespeicherzellenmodule 5 der
Energiespeichermodule 3 gezielt in einem der Energieversorgungszweig Z für eine vorbestimmte erste Zeitspanne zu überbrücken bzw. zu umgehen. Andere
Energiespeichermodule 3 können für diesen Zeitraum zur Spannungsversorgung durch die Energiespeichereinrichtung 1 beitragen. Beispielsweise kann das in Fig. 1 mit A gekennzeichnete Energiespeichermodul als erster Teil aller Energiespeichermodule 3 ausgewählt werden und deren Koppeleinrichtung 7 zur Überbrückung bzw. Umgehung in dem Energieversorgungszweig angesteuert werden. Dadurch wird das
Energiespeicherzellenmodul 5 außer Betrieb gesetzt und die Energiespeicherzellen 5a bis
5k des Energiespeicherzellenmoduls 5 können während der Ruhephase auf eine stabile Ruhespannung absinken. Nach Ablauf der Ruhephase, das heißt der vorbestimmten ersten Zeitspanne, kann die Ruhespannung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k des Energiespeichermoduls A erfasst werden. Aus der derart erfassten Ruhespannung kann präzise und zuverlässig der Ladezustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5k des Energiespeichermoduls A ermittelt werden.
Während der vorbestimmten ersten Zeitspanne kann beispielsweise das mit B
gekennzeichnete Energiespeichermodul, gesteuert durch die Steuereinrichtung 8, in den Energieversorgungszweig Z gekoppelt werden, um den ausfallenden Spannungsbeitrag des Energiespeichermoduls A temporär zu kompensieren. Das Energiespeichermodul B kann dabei beispielsweise als Reservemodul vorgesehen sein, das heißt, dass die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig Z größer ist als die für die maximal gewünschte Gesamtausgangsspannung eines Energieversorgungszweigs Z erforderliche Anzahl.
Nach der ersten vorbestimmten Zeitspanne kann dann das Energiespeichermodul A wieder in den Energieversorgungszweig Z eingekoppelt werden und zur
Gesamtausgangsspannung beitragen. Stattdessen kann das Energiespeichermodul B in dem Energieversorgungszweig Z für eine vorbestimmte zweite Zeitspanne überbrückt bzw. umgangen werden, und das Prozedere für das Erfassen der Ruhespannung für das Energiespeichermodul B wiederholt werden.
Auf diese Weise können sukzessive alle Energiespeichermodule 3 eines
Energieversorgungszweigs Z zur Erfassung der Ruhespannung und die daraufhin mögliche präzise Bestimmung des Ladezustands während der jeweiligen Ruhephasen aus dem Energieversorgungszweig Z ausgekoppelt werden. Die Ruhephasen und dabei insbesondere die ersten und zweiten vorbestimmten Zeitspannen können dabei mindestens eine Minute betragen oder auch deutlich länger, zum Beispiel 10 bis 30 Minuten. Generell gilt - je länger die Ruhephasen, desto genauer kann der tatsächliche Ladezustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5k des jeweiligen Energiespeichermoduls aus der gemessenen Ruhespannung bestimmt werden. Die ersten und zweiten vorbestimmten Zeitspannen sind von der verwendeten Zellchemie abhängig.
Beispielsweise liegt die notwendige Wartezeit bei Superkondensatoren im Bereich von Millisekunden, während die von Lithium-Ionen-Akkumulatoren im Minutenbereich lieght.
Fig. 4 zeigt ein weiteres elektrisches Energieversorgungssystem bzw. Antriebssystem 200 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter
Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das Energieversorgungssystem 200 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in Energieversorgungszweigen Z in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in Fig. 4 drei Energieversorgungszweige Z gezeigt, welche zur Erzeugung einer dreiphasigen
Wechselspannung, beispielsweise für eine Drehstrommaschine, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem Energieversorgungszweig über einen Ausgangsanschluss 1 a, 1 b, 1 c, welche jeweils an Phasenleitungen 6a, 6b bzw. 6c angeschlossen sind, die die Energiespeichereinrichtung 1 mit einer elektrischen Maschine 6 koppeln. Beispielhaft dient das Energieversorgungssystem 200 in Fig. 4 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 6. Beispielhaft dient das
Energieversorgungssystem 200 in Fig. 4 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 6. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 6 verwendet wird. Alternativ kann die elektrische Maschine 6 auch eine Synchron- oder
Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC,„brushless DC motor") sein. Es kann dabei auch möglich sein, die
Energiespeichereinrichtung 1 in stationären Systemen einzusetzen, beispielsweise in Kraftwerken, in elektrischen Energiegewinnungsanlagen wie zum Beispiel
Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder Kraftwärmekopplungsanlagen, in
Energiespeicheranlagen wie zum Beispiel Druckluftspeicherkraftwerken,
Batteriespeicherkraftwerken, Schwungradspeichern, Pumpspeichern oder ähnlichen Systemen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des Systems in Fig. 4 sind Personen- oder Gütertransportfahrzeuge, welche zur Fortbewegung auf oder unter dem Wasser ausgelegt sind, beispielsweise Schiffe, Motorboote oder dergleichen.
Das Energieversorgungssystem 200 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 8 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die
Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschten
Ausgangsspannungen an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1 a, 1 b, 1 c bereitzustellen.
Die Energieversorgungszweige Z können an ihrem Ende mit einem Bezugspotential 4 (Bezugsschiene) verbunden werden. Diese kann in Bezug auf die Phasenleitungen 6a, 6b, 6c der elektrischen Maschine 6 ein mittleres Potential führen und beispielsweise mit einem Massepotential verbunden werden. Jeder der Energieversorgungszweige Z weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig in Fig. 4 drei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist.
Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungszweige Z die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden
Energieversorgungszweig Z eine unterschiedliche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 vorzusehen. Die Energiespeichermodule 3 können dabei den im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 gezeigten Energiespeichermodulen entsprechen.
Für das elektrische Energieversorgungssystem 200 in Fig. 4 gelten mit Bezug auf das Ermitteln der Ruhespannungen der Energiespeicherzellen 5a bis 5k der jeweiligen Energiespeichermodule 3 der Energieversorgungszweige Z analoge Erwägungen.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 10 zum Bestimmen des Ladezustands von Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung,
beispielsweise von Energiespeicherzellen 5a bis 5k der Energiespeichereinrichtungen 1 wie in den Fig. 1 bis 4 beschrieben. Das Verfahren 10 eignet sich insbesondere für den Einsatz in elektrisch betriebenen Land- oder Wasserfahrzeugen, welche einen
Elektromotor als elektrische Maschine 6 aufweisen. In derartigen Fahrzeugen eingesetzte Energiespeichereinrichtungen 1 müssen häufig in einem Dauerbetrieb arbeiten, um den Antrieb für das Fahrzeug zu gewährleisten und können daher für die konventionelle Bestimmung des Ladezustands ihrer Energiespeicherzellen nicht ohne weiteres außer Betrieb gesetzt werden.
Das Verfahren 10 kann als ersten Schritt 1 1 ein Auswählen eines ersten Teils der Energiespeichermodule 3 eines Energieversorgungszweigs Z der
Energiespeichereinrichtung 1 aufweisen. Die nicht ausgewählten Energiespeichermodule 3 des Energieversorgungszweigs Z, das heißt die übrigen nicht zum ausgewählten ersten Teil gehörigen Energiespeichermodule 3, können über ein Ansteuern der
Koppeleinrichtungen 7 in einem zweiten Schritt 12 zum Schalten der jeweiligen
Energiespeicherzellenmodule 5 in den Energieversorgungszweig Z herangezogen werden. In einem dritten Schritt 13 erfolgt ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 des ersten Teils der Energiespeichermodule 3 des Energieversorgungszweigs Z zum
Überbrücken der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule 5 in dem
Energieversorgungszweig Z für eine vorbestimmte erste Zeitspanne.
Während dieser vorbestimmten ersten Zeitspanne, welche beispielsweise länger als eine Minute betragen kann, stabilisiert sich die Ruhespannung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k auf einen Wert, auf dessen Basis der Ladezustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5k präzise und zuverlässig bestimmt werden kann. Dieses Erfassen der
Ruhespannung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k des ersten Teils der
Energiespeichermodule 3 kann in einem Schritt 14 nach Ablauf der vorbestimmten ersten Zeitspanne erfolgen.
Die Schritte des Verfahrens 10 können im Falle der Anwendung für ein elektrisches Antriebssystem 200 wie in Fig. 4 gezeigt für jeden der n parallel geschalteten
Energieversorgungszweige Z separat ausgeführt werden. Weiterhin kann nach dem Erfassen der Ruhespannung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k des ersten Teils der Energiespeichermodule 3, ein Auswählen eines zweiten Teils der Energiespeichermodule 3 eines Energieversorgungszweigs Z der Energiespeichereinrichtung 1 erfolgen. Dabei stimmen die Energiespeichermodule 3 des zweiten Teils zumindest nicht vollständig mit den Energiespeichermodulen 3 des ersten Teils überein.
Danach kann wiederum ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 der nicht ausgewählten Energiespeichermodule 3 des Energieversorgungszweigs Z zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule 5 in den Energieversorgungszweig Z, und ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 des zweiten Teils der Energiespeichermodule 3 des
Energieversorgungszweigs Z zum Überbrücken der jeweiligen
Energiespeicherzellenmodule 5 in dem Energieversorgungszweig Z für eine vorbestimmte zweite Zeitspanne erfolgen, so dass ein Erfassen der Ruhespannung der
Energiespeicherzellen des zweiten Teils der Energiespeichermodule 3 nach Ablauf der vorbestimmten zweiten Zeitspanne möglich wird. Die vorbestimmte zweite Zeitspanne kann dabei bespielsweise mit der vorbestimmten ersten Zeitspanne übereinstimmen.
Claims
Ansprüche 1 . Verfahren (10) zum Bestimmen des Ladezustands von Energiespeicherzellen (5a, 5k) einer Energiespeichereinrichtung (1 ) mit einer Vielzahl von in mindestens einem Energieversorgungszweig (Z) in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3), welche jeweils umfassen:
ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) aufweist, und
eine Koppeleinrichtung (7) mit Koppelelementen (7a, 7b; 7c, 7d), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig (Z) zu schalten oder zu umgehen,
wobei das Verfahren (10) die Schritte aufweist:
Auswählen (1 1 ) eines ersten Teils der Energiespeichermodule (3) eines
Energieversorgungszweigs (Z) der Energiespeichereinrichtung (1 );
Ansteuern (12) der Koppeleinrichtungen (7) der nicht ausgewählten
Energiespeichermodule (3) des Energieversorgungszweigs (Z) zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule (5) in den Energieversorgungszweig (Z); Ansteuern (13) der Koppeleinrichtungen (7) des ersten Teils der
Energiespeichermodule (3) des Energieversorgungszweigs (Z) zum Umgehen der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule (5) in dem Energieversorgungszweig (Z) für eine vorbestimmte erste Zeitspanne; und
Erfassen (14) der Ruhespannung der Energiespeicherzellen (5a, 5k) des ersten Teils der Energiespeichermodule (3) nach Ablauf der vorbestimmten ersten Zeitspanne.
2. Verfahren (10) nach Anspruch 1 , wobei die Energiespeichereinrichtung (1 ) zum
Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung ausgelegt ist, wobei n > 1 , und n parallel geschaltete Energieversorgungszweige (Z) aufweist, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss (1 a, 1 b, 1 c) und eine Bezugspotentialschiene (4) gekoppelt sind, wobei jeder der n Energieversorgungszweige (Z) eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3) aufweist.
3. Verfahren (10) nach Anspruch 2, wobei die Schritte des Verfahrens (10) für jeden der n parallel geschalteten Energieversorgungszweige (Z) separat ausgeführt werden.
4. Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die vorbestimmte erste
Zeitspanne größer als eine Minute ist.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin mit den Schritten:
nach dem Erfassen (14) der Ruhespannung der Energiespeicherzellen (5a, 5k) des ersten Teils der Energiespeichermodule (3), Auswählen (1 1 ) eines zweiten Teils der Energiespeichermodule (3) eines Energieversorgungszweigs (Z) der
Energiespeichereinrichtung (1 ), wobei die Energiespeichermodule (3) des zweiten Teils zumindest nicht vollständig mit den Energiespeichermodulen (3) des ersten Teils übereinstimmen;
Ansteuern (12) der Koppeleinrichtungen (7) der nicht ausgewählten
Energiespeichermodule (3) des Energieversorgungszweigs (Z) zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule (5) in den Energieversorgungszweig (Z); Ansteuern (13) der Koppeleinrichtungen (7) des zweiten Teils der
Energiespeichermodule (3) des Energieversorgungszweigs (Z) zum Überbrücken der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule (5) in dem Energieversorgungszweig (Z) für eine vorbestimmte zweite Zeitspanne; und
Erfassen (14) der Ruhespannung der Energiespeicherzellen (5a, 5k) des zweiten Teils der Energiespeichermodule (3) nach Ablauf der vorbestimmten zweiten Zeitspanne.
Verfahren (10) nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte zweite Zeitspanne mit der vorbestimmten ersten Zeitspanne übereinstimmt.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Energiespeicherzellen (5a, 5k) Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen.
Steuereinrichtung (8) zum Bestimmen des Ladezustands von Energiespeicherzellen (5a, 5k) einer Energiespeichereinrichtung (1 ) mit einer Vielzahl von in mindestens einem Energieversorgungszweig (Z) in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3), wobei die Steuereinrichtung (8) dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Elektrisches Energieversorgungssystem (100; 200), mit:
einer Energiespeichereinrichtung (1 ) mit einer Vielzahl von in mindestens einem Energieversorgungszweig (Z) in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3), welche jeweils umfassen:
ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle
(5a, 5k) aufweist, und
eine Koppeleinrichtung (7) mit Koppelelementen (7a, 7b; 7c, 7d), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig (Z) zu schalten oder zu umgehen; und
einer Steuereinrichtung nach Anspruch 8, welche mit der Energiespeichereinrichtung (1 ) gekoppelt ist.
10. Elektrisches Energieversorgungssystem (200) nach Anspruch 9, wobei die
Energiespeichereinrichtung (1 ) zum Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung ausgelegt ist, wobei n > 1 , und n parallel geschaltete Energieversorgungszweige (Z) aufweist, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss (1 a, 1 b, 1 c) und eine
Bezugspotentialschiene (4) gekoppelt sind, wobei jeder der n
Energieversorgungszweige (Z) eine Vielzahl von in Serie geschalteten
Energiespeichermodulen (3) aufweist, weiterhin mit:
einer n-phasigen elektrischen Maschine (2); und
n Phasenleitungen (6a, 6b, 6c), welche jeweils einen der Ausgangsanschlüsse (1 a, 1 b,
1 c) der Energiespeichereinrichtung (1 ) mit jeweils einem von n Phasenanschlüssen der n-phasigen elektrischen Maschine (2) koppeln.
1 1 . Elektrisches Energieversorgungssystem (100; 200) nach einem der Ansprüche 9 und 10, wobei die Koppeleinrichtungen (7) Koppelelemente (7a; 7b; 7c; 7d) in
Vollbrückenschaltung umfassen.
12. Elektrisches Energieversorgungssystem (100; 200) nach einem der Ansprüche 9 und 10, wobei die Koppeleinrichtungen (7) Koppelelemente (7a; 7c) in
Halbbrückenschaltung umfassen.
13. Elektrisches Energieversorgungssystem (100; 200) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Energiespeicherzellen (5a, 5k) Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen.
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