WO2014135394A1 - Vorrichtung und verfahren zur vorbereitung eines ladevorgangs eines energiespeichers - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur vorbereitung eines ladevorgangs eines energiespeichers Download PDF

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WO2014135394A1
WO2014135394A1 PCT/EP2014/053588 EP2014053588W WO2014135394A1 WO 2014135394 A1 WO2014135394 A1 WO 2014135394A1 EP 2014053588 W EP2014053588 W EP 2014053588W WO 2014135394 A1 WO2014135394 A1 WO 2014135394A1
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cell
voltage
ustart
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respective cell
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PCT/EP2014/053588
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Bernd Christ
Ulf Pischke
Mirko Schinzel
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H02J2310/48—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for
  • an electronics connected to the cells which comprises a discharge unit for selectively discharging individual cells.
  • the discharge unit is set up such that it discharges a given cell substantially in part if the cell voltage of the relevant cell deviates more strongly from an average of a plurality of cell voltages than a predefined threshold value.
  • DE 10 2011 009 474 A1 already discloses a device and a method for monitoring and balancing a multicell energy storage stack.
  • a voltage measuring unit is provided, which indirectly via a first switching network with each
  • Energy storage cell is electrically conductively connected. Further, a
  • Energy storage means provided as an energy transfer medium between at least two connected in series electrical energy storage cells acts. Via a second switching network, the energy storage medium is indirectly via the first switching network with each
  • a control unit is provided which is connected to the voltage measuring unit and controls the first and second switching network taking into account the values transmitted by the voltage measuring unit.
  • the energy storage cells are balanced using the energy storage means until the voltage difference of the two measured cell voltages reaches a predetermined reference value
  • a method for balancing states of charge of a battery with a number of N battery cells is presented.
  • the core lies in the balancing of all cells of a battery pack in such a way that the cells have an individual charge state of 50% despite different capacities with a charge state of 50% of the pack. In other states of charge arise depending on the cell capacity different individual states of charge, so that a lower balancing effort must be operated.
  • the balancing is made with respect to the capacity or depth of discharge of the cell having the least capacity. From this, a desired target depth of discharge is calculated for each cell. This target depth of discharge is calculated as a function of the capacity and depth of discharge of the cell with the lowest capacity. From the target depth of discharge, the target load state is then calculated. Again, the optimization of the balancing process in the foreground.
  • the invention has for its object to provide a device and a method to optimize the charging process at different aging states of the individual cells in a particularly simple manner.
  • the voltage drop at the respective cell is preferably used, for example measured at two times.
  • the determination of the starting voltage can thus make do without a current measurement, whereby the device is further simplified.
  • Capacitance-current ratio is particularly easy to determine in this way.
  • the starting voltage depends on the desired final voltage and the individual voltage swing at the respective cell of the energy store.
  • the individual cells reach, approximately simultaneously, an upper limit voltage at which the charging process is stopped. This ensures that other cells can reach the upper limit voltage and not from a single cell with low capacity For example, by tolerance or aging early charging is stopped.
  • Particularly expedient energy storage is a so-called DLC module (Double Layer Capacitor) is used, which consists of several series-connected DLC cells. Due to the specific and particularly different aging behavior of the DLC 's , the device and the method are particularly suitable for this type of cells.
  • the means for detecting the voltage with which the parameter characteristic of the aging state of the individual cell is determined also for
  • FIG. 1 shows a block diagram of the device according to the invention
  • FIG. 2 is a flowchart of the corresponding method.
  • An energy store 11 comprises several, namely n cells ZI, 21, ... Zi, ..., Zn, which are connected in series.
  • the cells Zi are used as capacitors, in particular as DLCs (Double Layer Capacitor).
  • Ultracapacitor with the capacity Ci.
  • a first voltage Ul falls, at the second cell Z2 a second voltage U2, at the ith cell Zi an ith voltage Ui and at the nth cell Zn the nth voltage Un.
  • These voltages Ui are each determined separately from a detection means 14, which may be part of a monitoring unit 14.
  • Each cell Zi is connected in each case a discharge circuit 28 in parallel.
  • This discharge circuit 28 consists in each case of a switching means Sl, S2,... Si,... Sn and a resistor R1, R2,... Ri,..
  • the switching means Si is exemplified as a MOSFET or the like.
  • the switching means Si are individually monitored by the monitoring unit 14 via switch drivers Gl,
  • the balancing path of the cell Zi is closed.
  • the cell Zi is thereby discharged to the starting voltage Ustart.i, whereby the cell Zi is prepared for the next charging process.
  • the structure of the monitoring unit 14 provides that the individual
  • Voltages Ui at the cells Zi are measured and stored by the monitoring unit 14.
  • the reading in of the voltage values Ui can be effected both serially (switched, for example, via a multiplexer 20) or in parallel.
  • the digitized voltages are stored in internal registers 24 of the monitoring unit 14 via an A / D converter 22. From there they can be read out by the microcontroller 18.
  • the monitoring unit 14 can exchange data with a microcontroller 18 via an interface 16. Furthermore, the monitoring unit 14 has an input 26 for detecting a temperature T of a device 10 or a module 10
  • Device 10 comprises the cells Zi, the monitoring unit 14, the
  • the device 10 also has unspecified connections for positive and negative
  • the monitoring circuit 14 may be realized as an integrated circuit.
  • the device 10 provides at least the monitoring unit 14 or else a plurality of monitoring units 14 designed as integrated circuits for monitoring the cell voltages Ui.
  • the monitoring unit 14 or the corresponding detection means measures sequentially, for example, regulated via a multiplexer 20 or in parallel or another comparable method, the voltages Ui of the individual cells Zi and the temperature T of
  • the Device 10 via the corresponding temperature detection input 26.
  • the determined values Ui, T are stored in the integrated memory of the register and the controller 24.
  • the register and the controller 24 communicate via the interface 16 with the microcontroller 18.
  • the microcontroller 18 takes over the actual cell management and the calculation of
  • Age condition characteristic characteristic of the individual cells Zi serve the energy storage 11.
  • the microcontroller 18 calculates the starting voltage Ustart, i and forwards these values to the monitoring unit 14. First, the calculated
  • Total capacity Cges of the energy storage 11. The calculation is done without a measurement of the current, only the corresponding voltages Ui are detected for this purpose.
  • a starting voltage Ustart.i is calculated for each cell Zi, to which the respective cell Zi is then discharged in a balancing phase (typically a resting phase).
  • the voltage Ui is reduced by the corresponding discharge circuit 28 to the starting voltage Ustart.i.
  • the monitoring unit 14 controls corresponding switching means Si in the sense of
  • a first block 101 which includes the steps 102, 103, 105 and 107, the relative proportion of the capacitance Ci of a single cell Zi to the total capacitance Cges is determined.
  • the monitoring unit 14 performs a voltage measurement Ui on the cells Zi at two times til, ti2:
  • the time interval til-ti2 of the two times til, ti2 is chosen such that the differential voltage Uil-Ui2 of the voltages of the voltages Uil, Ui2 detected at the times til and ti2 is sufficiently high for a meaningful evaluation.
  • the time interval til - ti2 between the two times til, ti2 is to be selected application - specific and can also be adapted during operation.
  • the measurement of the voltages Ui at the times t1, t2 is preferably carried out in the charging or discharging operation of the cells Zi.
  • I is the current flowing through the cells Zi.
  • a step 105 the total capacity Cges is then determined according to the following formula: Subsequently, in a step 107, the normalization of the capacity-current ratio yi to the total value takes place:
  • Xi is the value of the capacitance-current ratio yi standardized in this way.
  • the final voltage Uend.i of the individual cells Zi is determined in a step 111 as a function of the final voltage Uend.modul of the device 10, assuming the uniform distribution of the final voltages Uend.i of the total of n cells Zi according to the following relationship:
  • the respective starting voltage Ustart, i at the individual cell Zi is determined according to the following relationship: For this purpose, the difference is formed for each cell Zi from the respective end voltage Uend.i of the cell Zi (as determined in step 111) and the respective stroke voltage Uhub.i
  • the starting voltage Ustart.i is thus determined as a function of the individual aging state of the cell Zi or its capacitance Ci. For example, if a cell Zz has a low capacitance Cz, indicating an excessive aging, then the starting voltage Ustart.x for this cell Zz will be lower than those of the remaining higher capacitance cells Ci. This ensures that the cell Zz reaches the final voltage Uend.i at the same time as the remaining cells Zi during the subsequent charging process, and thus that the charging process does not prematurely end. In a block 117, the starting voltage Ustart.i determined in step 115 is determined for each
  • each cell Zi is brought to the individual starting voltage Ustartj with the help of the already beginning
  • the respective switching means Si is controlled so long as in the sense of closing until the respective starting voltage Ustart.i is reached.
  • the described device 10 pursues a symmetrization concept in which, on the one hand, the voltages Ui at the individual cells Zi are not balanced in an upper voltage range but in a lower voltage range. On the other hand, an aging-dependent or cell-selective balancing takes place, whereby all cells Zi simultaneously reach an upper limit voltage Uend.i when the device 10 is next charged. This makes it possible to maximize the energy intake, for example during the Rekuperationsvorgangs.
  • the microcontroller 18 determines the aging state of each cell Zi as accurately as possible.
  • the monitoring unit 14, which is connected in parallel to the individual cells Zi detects characteristics of the individual cells Zi characteristic of the state of aging or power state. In the example, this is done by two measurements of the voltage Ui, namely at the times til and ti2.
  • the cells Zi are discharged to the individual starting voltages Ustart.i. Since each cell Zi is assigned an aging-specific starting voltage Ustart.i, all cells Zi simultaneously reach the upper limit voltage as the charging end voltage.
  • Inventive device and the inventive method for preparing the charging of an energy storage device 11 are particularly suitable for
  • Discharge operations a corresponding preparation of the charging process is particularly advantageous.
  • devices 10 are preferably used.

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vorbereitung eines Ladevorgangs eines Energiespeichers vorgeschlagen, wobei ein Energiespeicher (11) aus mehreren Zellen (Zi) besteht. Hierbei wird zumindest eine charakteristische Kenngröße (Ui) einer Zelle (Zi) erfasst. Abhängig von der erfassten Kenngröße (Ui) wird für jede Zelle (Zi) eine individuelle Startspannung (Ustarti) ermittelt, mit der der Ladevorgang des Energiespeichers (11) begonnen wird. Die Startspannung (Ustarti) hängt von der ermittelten Kenngröße (Ui) der jeweiligen Zelle (Zi) ab.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung und Verfahren zur Vorbereitung eines Ladevorgangs eines
Energiespeichers
Stand der Technik
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur
Vorbereitung eines Ladevorgangs eines Energiespeichers nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist bereits aus der DE 10 2006 022 394 AI bekannt. Dort ist eine Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Energiequelle mit mehreren Zellen beschrieben. Die Gefahr von
Überspannungen beim Laden der Energiequelle kann wesentlich verringert werden, wenn eine mit den Zellen verbundene Elektronik vorgesehen wird, die eine Entladeeinheit zum selektierten Entladen einzelner Zellen umfasst. Die Entladeeinheit ist hierbei so eingerichtet, dass sie eine vorgegebene Zelle wesentlich teilweise entlädt, wenn die Zellenspannung der betreffenden Zelle von einem Mittelwert mehrerer Zellenspannungen stärker abweicht als ein vorgegebener Schwellenwert.
Aus DE 10 2011 009 474 AI sind bereits eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen und Symmetrieren eines mehrzelligen Energiespeicherstapels bekannt. Zur Überwachung der Zellenspannung der mindestens zwei in Reihe geschalteten elektrischen Energiespeicherzellen ist eine Spannungsmesseinheit vorgesehen, die mittelbar über ein erstes Schaltnetz mit jeder
Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbindbar ist. Ferner ist ein
Energiespeicherungsmittel vorgesehen, das als Energietransfermedium zwischen wenigstens zwei in Reihe geschalteten elektrischen Energiespeicherzellen agiert. Über ein zweites Schaltnetz ist das Energiespeicherungsmittel mittelbar über das erste Schaltnetz mit jeder
Energiespeicherzelle des mehrzelligen Energiespeicherstapels
elektrisch leitend verbindbar. Ferner ist eine Steuerungseinheit vorgesehen, die mit der Spannungsmesseinheit in Verbindung steht und unter Berücksichtigung der von der Spannungsmesseinheit übermittelten Werte das erste und zweite Schaltnetz steuert. Die Energiespeicherzellen werden unter Verwendung des Energiespeichermittels symmetriert, bis die Spannungsdifferenz der beiden gemessenen Zellenspannungen einen vorbestimmten Referenzwert
unterschreitet. Eine Optimierung des Ladeverfahrens wird jedoch nicht vorgeschlagen.
In der DE 10 2010 002 326 AI wird ein Verfahren zum Ausbalancieren von Ladezuständen einer Batterie mit einer Anzahl von N Batteriezellen vorgestellt. Der Kern liegt in der Balancierung sämtlicher Zellen eines Batteriepacks in der Art, dass die Zellen trotz unterschiedlicher Kapazitäten bei einem Ladezustand von 50% des Packs einen individuellen Ladezustand von 50% aufweisen. Bei anderen Ladezuständen ergeben sich je nach Zellkapazität unterschiedliche individuelle Ladezustände, sodass ein geringerer Balancierungsaufwand betrieben werden muss. In dem Verfahren wird die Ausbalancierung mit Bezug auf die Kapazität bzw. Entladetiefe der Zelle mit der geringsten Kapazität vorgenommen. Daraus wird dann eine gewünschte Zielentladetiefe für jede Zelle berechnet. Diese Zielentladetiefe wird dabei in Abhängigkeit von der Kapazität und Entladetiefe der Zelle mit der geringsten Kapazität berechnet. Aus der Zielentladetiefe wird dann der Zielladezustand berechnet. Auch hier steht die Optimierung des Ausbalancierungsvorgangs im Vordergrund.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, um in besonders einfacher Art und Weise den Ladevorgang bei unterschiedlichen Alterungszuständen der einzelnen Zellen zu optimieren. Diese
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Vorteile der Erfindung Durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vorbereitung eines Ladevorgangs eines Energiespeichers gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche lässt sich in einfacher Weise der Ladevorgang optimieren, da jeweils eine für den Alterungszustand charakteristische Kenngröße der einzelnen Zellen des
Energiespeichers individuell ermittelt wird und abhängig davon unterschiedliche
Startspannungen für die jeweiligen Zellen des Ladevorgangs vorgegeben werden.
Dadurch werden unterschiedliche Alterungszustände einzelner Zellen
berücksichtigt und ausgeglichen. Dadurch wirkt sich nicht mehr diejenige Zelle, die am schnellsten altert, negativ auf das Gesamtverhalten des Energiespeichers hinsichtlich des Ladevorgangs aus. Es wird verhindert, dass ein frühzeitiges Erreichen der Grenzspannung einer gealterten Zelle den Ladevorgang des gesamten Energiespeichers beendet, so dass die anderen Zellen nicht mehr die obere Grenzspannung erreichen würden und der Energiespeicher hinsichtlich seiner Energieaufnahme nicht ausgereizt werden könnte. Der Divergenz des Alterungsverhaltens wird entgegnet. Durch die individuelle Wahl der
Startspannung des Ladevorgangs wird entgegengewirkt, dass eine gealterte Zelle noch schneller altert durch übermäßige Belastung.
Zur Bestimmung der charakteristischen Kenngröße des Alterungszustands wird bevorzugt der Spannungsabfall an der jeweiligen Zelle verwendet, beispielsweise zu zwei Zeitpunkten gemessen. Die Ermittlung der Startspannung kann somit ohne eine Strommessung auskommen, wodurch sich die Vorrichtung weiter vereinfacht. Das in den Spannungshub während des Ladens eingehende
Kapazität- Strom-Verhältnis lässt sich auf diese Weise besonders leicht bestimmen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Startspannung von der gewünschten Endspannung und dem individuellen Spannungshub an der jeweiligen Zelle des Energiespeichers abhängt. Dadurch erreichen bei der individuellen Vorgabe der Startspannung die einzelnen Zellen näherungsweise gleichzeitig eine obere Grenzspannung, bei der der Ladevorgang gestoppt wird. Damit wird sichergestellt, dass auch andere Zellen die obere Grenzspannung erreichen können und nicht von einer Einzelzelle mit niedriger Kapazität beispielsweise durch Toleranz oder Alterung schon frühzeitig der Ladevorgang gestoppt wird. Dadurch wird der Energiespeicher hinsichtlich der
Energieaufnahme optimiert, was insbesondere bei Rekuperationsvorgängen in Kraftfahrzeugen von besonderem Vorteil ist.
Besonders zweckmäßig wird als Energiespeicher ein sogenanntes DLC-Modul (Double Layer Capacitor) verwendet, das aus mehreren in Reihe geschalteten DLC-Zellen besteht. Aufgrund des spezifischen und besonders unterschiedlichen Alterungsverhaltens der DLC's eignen sich die Vorrichtung und das Verfahren besonders für diese Art von Zellen. In einer zweckmäßigen Weiterbildung werden die Mittel zur Spannungserfassung, mit denen die für den Alterungszustand charakteristische Kenngröße der einzelnen Zelle ermittelt wird, auch zur
Überspannungsüberwachung bzw. zur Temperaturmessung eingesetzt. Die Sicherheit der entsprechenden Vorrichtung lässt sich ohne größeren
Mehraufwand erhöhen bzw. eine ohnehin vorhandene Überwachungsschaltung für die Optimierung der erfindungsgemäßen Ladungsvorbereitung einsetzen.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen:
Die Figur 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie
die Figur 2 ein Flussdiagramm des entsprechenden Verfahrens.
Ein Energiespeicher 11 umfasst mehrere, nämlich n Zellen ZI, 21,... Zi,... , Zn, die in Reihe verschaltet sind. Beispielhaft sind die Zellen Zi als Kondensatoren, insbesondere als DLC's (Double Layer Capacitor bzw. Doppelschichtkondensator, auch bekannt als Superkondensator oder
Ultrakondensator) mit der Kapazität Ci ausgeführt. An der ersten Zelle ZI fällt eine erste Spannung Ul, an der zweiten Zelle Z2 eine zweite Spannung U2, an der i-ten Zelle Zi eine i-te Spannung Ui sowie an der n-ten Zelle Zn die n-te Spannung Un ab. Diese Spannungen Ui (Ul bis Un) werden jeweils separat von einem Erfassungsmittel 14, das Bestandteil einer Überwachungseinheit 14 sein kann, ermittelt. Jeder Zelle Zi ist jeweils eine Entladeschaltung 28 parallel geschaltet. Diese Entladeschaltung 28 besteht jeweils aus einem Schaltmittel Sl, S2, ...Si, ...Sn und einem Widerstand Rl, R2, ... Ri, ... Rn, der als
Entladewiderstand für die jeweilige Zelle Zi dient. Das Schaltmittel Si ist beispielhaft als MOSFET oder ähnliches ausgebildet. Die Schaltmittel Si werden von der Überwachungseinheit 14 individuell über Schalttreiber Gl,
G2, ...,Gi, ... Gn angesteuert. Durch aktives Ansteuern des Schaltmittels Si durch den zugehörigen Schalttreiber Gi wird der Balancierungspfad der Zelle Zi geschlossen. Im folgenden Verfahren wird dadurch während der Balancierung die Zelle Zi auf die Startspannung Ustart.i entladen, wodurch die Zelle Zi auf den nächsten Ladevorgang vorbereitet wird.
Der Aufbau der Überwachungseinheit 14 sieht vor, dass die einzelnen
Spannungen Ui an den Zellen Zi von der Überwachungseinheit 14 gemessen und gespeichert werden. Das Einlesen der Spannungswerte Ui kann hierbei sowohl seriell (geschaltet beispielsweise über einen Multiplexer 20) oder parallel erfolgen. Über einen A/D-Wandler 22 werden die digitalisierten Spannungen in internen Registern 24 der Überwachungseinheit 14 abgelegt. Von dort können sie vom Mikrocontroller 18 ausgelesen werden. Die Überwachungseinheit 14 kann über eine Schnittstelle 16 Daten mit einem Mikrocontroller 18 austauschen. Weiterhin weist die Überwachungseinheit 14 einen Eingang 26 auf zur Erfassung einer Temperatur T einer Vorrichtung 10 bzw. eines Moduls 10. Diese
Vorrichtung 10 umfasst die Zellen Zi, die Überwachungseinheit 14, die
Schnittstelle 16 sowie den Mikrocontroller 18. Über diese Komponenten ist auch ein Überspannungsmanagement realisiert. Die Vorrichtung 10 besitzt zudem nicht näher bezeichnete Anschlüsse für positive und negative
Versorgungsspannung. Die Überwachungsschaltung 14 kann als integrierte Schaltung realisiert sein. Die Vorrichtung 10 sieht zumindest die Überwachungseinheit 14 oder aber auch mehrere als integrierte Schaltungen ausgeführte Überwachungseinheiten 14 zur Überwachung der Zellspannungen Ui vor. Die Überwachungseinheit 14 bzw. das entsprechende Erfassungsmittel misst sequenziell beispielsweise geregelt über einen Multiplexer 20 oder parallel oder ein sonstiges vergleichbares Verfahren die Spannungen Ui der einzelnen Zellen Zi sowie die Temperatur T der
Vorrichtung 10 über den entsprechenden Temperaturerfassungseingang 26. Die ermittelten Werte Ui,T werden in dem integrierten Speicher des Registers und der Steuerung 24 abgelegt. Das Register und die Steuerung 24 kommunizieren über die Schnittstelle 16 mit dem Mikrocontroller 18. Der Microcontroller 18 übernimmt das eigentliche Zellmanagement und die Berechnung der
Startspannung Ustart,i für die einzelnen Zellen Zi wie nachfolgend beschrieben. Die Spannung Ui an der jeweiligen Zelle Zi kann als eine für den
Alterungszustand charakteristische Kenngröße der einzelnen Zellen Zi des Energiespeichers 11 dienen.
Der Mikrocontroller 18 berechnet die Startspannung Ustart,i und leitet diese Werte an die Überwachungseinheit 14 weiter. Zunächst berechnet der
Microcontroller 18 den relativen Anteil der Einzelkapazitäten Ci an der
Gesamtkapazität Cges des Energiespeichers 11. Dabei kommt die Berechnung ohne eine Messung des Stroms aus, lediglich die entsprechenden Spannungen Ui werden hierzu erfasst. Um die Vorrichtung 10 auf den nächsten Ladevorgang vorzubereiten, wird für jede Zelle Zi eine Startspannung Ustart.i berechnet, auf die die jeweilige Zelle Zi dann in einer Balancierungsphase (typischer Weise eine Ruhephase) entladen wird. Die Spannung Ui wird durch die entsprechende Entladeschaltung 28 bis zur Startspannung Ustart.i abgebaut. Hierzu steuert die Überwachungseinheit 14 entsprechende Schaltmittel Si im Sinne eines
Schließens solange an, bis sich an der Zelle Zi die gewünschte Startspannung Ustart,i eingestellt hat. Sobald die Startspannung Ustart,i erreicht ist, wird das jeweilige Schaltmittel Si wieder geöffnet. Dadurch wird die Spannung an der Zelle Zi gehalten.
Das Berechnungs- und Steuerungsverfahren läuft in nachfolgend beschriebenen Schritten ab. In einem ersten Block 101, der die Schritte 102, 103, 105 und 107 umfasst, wird der relative Anteil der Kapazität Ci einer Einzelzelle Zi an der Gesamtkapazität Cges ermittelt. In einem ersten Schritt 102 führt die Überwachungseinheit 14 hierzu eine Spannungsmessung Ui an den Zellen Zi zu zwei Zeitpunkten til, ti2 durch:
UiftJ = UÜ I = 1>~> N
Figure imgf000009_0001
Der zeitliche Abstand til - ti2 der zwei Zeitpunkte til, ti2 ist so gewählt, dass die Differenzspannung Uil - Ui2 der Spannungen der zu den Zeitpunkten til und ti2 erfassten Spannungen Uil, Ui2 hinreichend groß ist für eine aussagekräftige Auswertung. Der zeitliche Abstand til - ti2 zwischen den zwei Zeitpunkten til, ti2 ist applikationsspezifisch zu wählen und kann auch im laufenden Betrieb angepasst werden.
Die Messung der Spannungen Ui zu den Zeitpunkten tl, t2 erfolgt bevorzugt im Lade- oder Entladebetrieb der Zellen Zi.
In einem Schritt 103 erfolgt anschließend die Berechnung des Kapazitäts-Strom- Verhältnisses yi nach folgender Formel:
Figure imgf000009_0002
Hierbei wird das Kapazitäts-Strom-Verhältnis yi = Ci/I für jede Zelle Zi nicht durch eine Messung des Stroms I bestimmt, sondern mithilfe des Quotienten des betragsmäßigen zeitlichen Abstands til - ti2 der zwei Messzeitpunkte til, ti2 und der auftretenden betragsmäßigen Spannungsänderung zu diesen Zeitpunkten Uil - Ui2. I ist der durch die Zellen Zi fließende Strom.
In einem Schritt 105 wird anschließend die Gesamtkapazität Cges nach folgender Formel ermittelt: Anschließend erfolgt in einem Schritt 107 die Normierung des Kapazitäts-Strom- Verhältnisses yi auf den Gesamtwert:
Figure imgf000010_0001
Als xi wird der so normierte Wert des Kapazitäts-Strom-Verhältnisses yi bezeichnet.
In einem Block 109, der die Schritte 111, 113, 115 umfasst, wird die
Startspannung Ustart.i jeder Einzelzelle Zi bestimmt.
Hierzu wird in einem Schritt 111 die Endspannung Uend.i der Einzelzellen Zi ermittelt abhängig von der Endspannung Uend.modul der Vorrichtung 10 unter der Annahme der Gleichverteilung der Endspannungen Uend.i der insgesamt n Zellen Zi nach der folgenden Beziehung:
In Schritt 113 wird der Spannungshub Uhub.i an der Einzelzelle Zi berechnet folgt: Au = 1,...,«
Dies erfolgt unter Rückgriff auf die Differenz der bekannte Endspannung Uend.modul der Vorrichtung 10 und der bekannten Startspannung Ustart,modul der Vorrichtung, multipliziert mit dem jeweiligen normierten Kapazitäts-Strom- Verhältnisses xi wie in Schritt 107 ermittelt. Damit wird in dem jeweiligen Spannungshub Uhub.i der individuelle Alterungszustand der Zelle Zi
beziehungsweise deren Kapazität Ci berücksichtigt.
Im nachfolgenden Schritt 115 wird die jeweilige Startspannung Ustart,i an der Einzelzelle Zi nach der folgenden Beziehung ermittelt: Hierzu wird für jede Zelle Zi die Differenz gebildet aus der jeweiligen Endspannung Uend.i der Zelle Zi (wie in Schritt 111 ermittelt) und der jeweiligen Hubspannung Uhub.i
(wie in Schritt 113 ermittelt). Die Startspannung Ustart.i wird somit abhängig vom individuellen Alterungszustand der Zelle Zi beziehungsweise deren Kapazität Ci so festgelegt. Besitzt beispielsweise eine Zelle Zz eine niedrige Kapazität Cz, was auf eine übermäßige Alterung hindeutet, so wird die Startspannung Ustart.x für diese Zelle Zz niedriger sein als diejenigen der restlichen Zellen mit höherer Kapazität Ci. Dadurch wird sichergestellt, dass die Zelle Zz beim anschließenden Ladevorgang zeitgleich mit den restlichen Zellen Zi die Endspannung Uend.i erreicht und es somit nicht vorzeitig zum Beenden des Ladevorgangs kommt. In einem Block 117 wird die in Schritt 115 ermittelte Startspannung Ustart.i für jede
Zelle Zi in den Balancierungsphasen eingestellt. Hierzu wird jede Zelle Zi auf die individuelle Startspannung Ustartj gebracht mit Hilfe der bereits eingangs
beschriebenen Entladeschaltung 28. Hierzu wird das jeweilige Schaltmittel Si solange im Sinne eines Schließens angesteuert, bis die jeweilige Startspannung Ustart.i erreicht ist.
Durch die beschriebene Vorrichtung 10 wird ein Symmetrierungskonzept verfolgt, bei dem zum einen die Spannungen Ui an den Einzelzellen Zi nicht in einem oberen Spannungsbereich, sondern in einem unteren Spannungsbereich symmetriert werden. Zum anderen findet eine alterungsabhängige bzw. zellselektive Symmetrierung statt, wodurch beim nächsten Laden der Vorrichtung 10 alle Zellen Zi gleichzeitig eine obere Grenzspannung Uend.i erreichen. Dadurch wird es möglich, die Energieaufnahme beispielsweise während des Rekuperationsvorgangs zu maximieren. Hierzu ermittelt der Mikro kontroller 18 den Alterungszustand jeder einzelnen Zelle Zi so genau wie möglich. Hierzu erfasst die Überwachungseinheit 14, die parallel zu den Einzelzellen Zi geschaltet ist, für den Alterungszustand bzw. Leistungszustand charakteristische Kenngrößen der Einzelzellen Zi. Im Beispiel erfolgt dies durch zwei Messungen der Spannung Ui, nämlich zu den Zeitpunkten til und ti2. In dem
beschriebenen Verfahren kann gezielt auf eine Strommessung verzichtet werden, wodurch sich die Vorrichtung 10 vereinfacht. Jedoch wäre es prinzipiell auch anders möglich, für den Alterungszustand bzw. Leistungszustand charakteristische
Kenngrößen der Einzelzellen Zi zu ermitteln.
Während der Balancierungsphasen (typischer Weise Ruhephasen) werden die Zellen Zi auf die individuellen Startspannungen Ustart.i entladen. Da jeder Zelle Zi eine alterungsspezifische Startspannung Ustart.i zugeordnet wird, erreichen alle Zellen Zi gleichzeitig die obere Grenzspannung als Ladeendspannung erreicht.
Erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorbereitung des Ladevorgangs eines Energiespeichers 11 eignen sich besonders für
Energiespeicher wie DLC-Module. Insbesondere bei häufigen Lade- und
Entladevorgängen ist eine entsprechende Vorbereitung des Ladevorgangs besonders vorteilhaft. Insbesondere bei Bordnetzsystemen von Kraftfahrzeugen, bei denen oft im laufenden Betrieb bei Rekuperationsvorgängen Energie wieder in das Bordnetz zurückgespeist werden soll, finden solche Vorrichtungen 10 bevorzugt Verwendung.

Claims

Vorrichtung zur Vorbereitung eines Ladevorgangs eines Energiespeichers, mit mehreren Zellen (Zi), die den Energiespeicher (11) bilden, mit zumindest einem Erfassungsmittel (14) zur Erfassung zumindest einer Kenngröße (Ui), die für einen Alterungszustand der jeweiligen Zelle (Zi) charakteristisch ist, mit zumindest einer Entladeschaltung (28) zum Entladen der jeweiligen Zelle (Zi) auf eine bestimmte Spannung (Ustartj), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Berechnungsmittel (18) vorgesehen ist, das abhängig von der ermittelten Kenngröße (Ui) der jeweiligen Zelle (Zi) eine Startspannung (Ustart.i) für die jeweilige Zelle (Zi) ermittelt als Startspannung (Ustart,i) für einen anschließenden Ladevorgang des Energiespeichers (11).
Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Erfassungsmittel (14) als die für den
Alterungszustand charakteristische Kenngröße (Ui) die jeweiligen
Spannungen (Ui) an den Zellen (Zi) erfasst ist, vorzugsweise jeweils zu zwei Zeitpunkten (til, ti2).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnungsmittel (18) die Startspannung (Ustart.i) für die jeweilige Zelle (Zi) in Abhängigkeit von einer Änderung der Kenngröße (Ui) zwischen zwei Zeitpunkten (til, ti2) ermittelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnungsmittel (18) die Startspannung (Ustart.i) an der jeweiligen Zelle (Zi) berechnet unter Berücksichtigung einer Endspannung (Uend.i) der Zelle (Zi) und/oder eines während des
Ladevorgangs zu erwartenden Spannungshubs (Uhub.i) an der jeweiligen Zelle (Zi).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnungsmittel (18) den während des Ladevorgangs zu erwartenden Spannungshub (Uhub.i) an der jeweiligen Zelle (Zi) abhängig von der Kenngröße (Ui) bestimmt.
6. Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Berechnungsmittel (18) zur Bestimmung der
Startspannung (Ustart.i) für jede Zelle (Zi) einen relativen Anteil (xi; yi) einer jeweiligen Kapazität (Ci) einer bestimmten Zelle (Zi) bezogen zu einer Gesamtkapazität (Cges) sämtlicher Zellen (Zn) des Energiespeichers (11) ermittelt, vorzugsweise unter Unterbildung eines Quotienten der Dauer zwischen den zwei Zeitpunkten (til, ti2) und der Änderung der Kenngröße
(Ui) zwischen diesen Zeitpunkten (til, ti2).
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Berechnungsmittel (18) einen Spannungshub (Uhub.i) an der einzelnen Zelle (Zi) unter Verwendung der Endspannung
(Uend.i) der einzelnen Zelle (Zi) und/oder in Abhängigkeit des Verhältnisses (xi; yi) der Kapazität (Ci) der einzelnen Zelle (Zi) an der Gesamtkapazität (Cges) sämtlicher Zellen (Cn) berechnet. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (28) zumindest ein Schaltmittel (Si) umfasst, das so angesteuert ist, dass die individuelle Startspannung (Ustart,i) an der jeweiligen Zelle (Zi) eingestellt ist. 9. Verfahren zur Vorbereitung des Ladevorgangs eines Energiespeichers, wobei ein Energiespeicher (11) aus mehreren Zellen (Zi) besteht, wobei zumindest eine für den Alterungszustand der Zelle (Zi) charakteristische Kenngröße (Ui) an der jeweiligen Zelle (Zi) ermittelt wird, wobei abhängig von der Kenngröße (Ui) eine individuelle Startspannung (Ustart,i) für die einzelne Zelle (Zi) ermittelt wird, wobei zur Vorbereitung des Ladevorgangs die Zellen (Zi) auf die ermittelte Startspannung (Ustart.i) entladen werden und für den nächsten Ladevorgang ausgehend von dieser Startspannung (Ustart,i) geladen werden. 10. Verfahren nach dem der vorhergehenden Verfahrensanspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass die Startspannung (Ustart.i) für die jeweiligen Zelle (Zi) in Abhängigkeit von einer Änderung der Kenngröße (Ui) zwischen zwei Zeitpunkten ermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startspannung (Ustart.i) an der jeweiligen Zelle (Zi) unter Berücksichtigung einer Endspannung (Uend.i) der Zelle (Zi) und/oder eines während des Ladevorgangs zu erwartenden Spannungshubs (Uhub.i) an der jeweiligen Zelle (Zi) ermittelt wird. 12. Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein relativer Anteil (xi, yi) einer Kapazität (Ci) einer jeweiligen Zelle (Zi) an einer Gesamtkapazität (Cges) ermittelt wird, indem zu zumindest zwei Zeitpunkten (til, ti2) die Spannungen (Uli, U2i) an den jeweiligen Zellen (Zi) gemessen werden, dass aus dem Quotienten der betragsmäßigen Differenz zwischen den zwei Zeitpunkten (til, ti2) und der betragsmäßigen Differenz der an den zwei Zeitpunkten (til, ti2) gemessenen Spannungen (Uli, U2i) für jede Zelle (Zi) ein Kapazitäts-Strom-Verhältnis (yi) ermittelt wird zur späteren Bestimmung der Startspannungen (Ustart.i). 13. Verfahren nach einer der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Anteil (xi, yi) der jeweiligen Kapazität (Ci) normiert bezogen auf die Summe sämtlicher relativer Anteile (yges) ermittelt wird. 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungshub (Uhub.i) ermittelt wird, indem der relative Anteil (xi, yi) einer Kapazität (Ci) einer jeweiligen Zelle (Zi) an einer Gesamtkapazität (Cges) multipliziert wird mit der Differenz einer
Endspannung (Uend.modul) des Energiespeichers (11), bei der der
Ladevorgang beendet wird, und einer Startspannung (Ustart.modul) des
Energiespeichers (11), mit der der Ladevorgang des Energiespeichers (11) gestartet wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startspannung (Ustart.i) an der Zelle (Zi) ermittelt wird, indem eine Differenz gebildet wird von einer Endspannung (Uend.i) der jeweiligen Zelle (Zi), die von einer Endspannung (Uend.modul) des Energiespeichers (11) abhängt, bei der der Ladevorgang beendet wird, und dem Spannungshub (Uhub.i) für die jeweilige Zelle.
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