WO2019072488A1

WO2019072488A1 - Energiespeichereinrichtung sowie vorrichtung und verfahren zur bestimmung einer kapazität einer energiespeichereinrichtung

Info

Publication number: WO2019072488A1
Application number: PCT/EP2018/074751
Authority: WO
Inventors: Armin Friegel; Philipp RIEMANN
Original assignee: Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2019-04-18
Also published as: US20200191845A1; CN111051906A; DE102017218211A1; CN111051906B; US11162992B2

Abstract

Es wird eine Energiespeichereinrichtung mit einer Mehrzahl von Speicherzellen vorgeschlagen. Hierbei ist jede Speicherzelle dazu eingerichtet, in einem Offline- Betrieb getrennt von den übrigen Speicherzellen mit einer Vorrichtung zum Bestimmen der Kapazität der Energiespeichereinrichtung verbunden zu werden.

Description

ENERGIESPEICHEREINRICHTUNG SOWIE VORRICHTUNG UND

VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG EINER KAPAZITÄT EINER ENERGIESPEICHEREINRICHTUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung mit einer Mehrzahl von Speicherzellen. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen der Kapazität einer solchen Energiespeichereinrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Kapazität einer Energiespeichereinrichtung.

Elektrische Energiespeicher, wie beispielsweise Hochvoltspeicher - insbesondere Hochvoltspeicher in Lithium-Ionen-Technologie mit einer Nennspannung von größer oder gleich 60 V -, oder Speicher mit niedriger Spannung, z.B. 12V, verlieren im Laufe ihrer Lebensdauer an Kapazität. Dieser Kapazitätsverlust basiert unter anderem auf einer Alterung der Speicherzellen des Hochvoltspeichers. Ist der Kapazitätsverlust zu hoch, muss der Hochvoltspeicher unter Umständen ausgetauscht werden.

Gerade bei dem Einsatz von Energiespeichern in Elektrofahrzeugen ist es für den Benutzer interessant, welche Kapazität der Energiespeicher tatsächlich hat. Zwar gibt es die Möglichkeit, die Kapazität des Energiespeichers während des Betriebs des Fahrzeugs direkt im Fahrzeug zu messen, allerdings sind diese Online-Messungen häufig ungenau. Eine genauere Kapazitätsmessung kann daher nur Offline, d.h. nicht während des Betriebs, erfolgen. Bei bisherigen Systemen wird bei einer solchen Offline-Kapazitätsmessung jedoch nur die Kapazität des Hochvoltspeichers in seiner Gesamtheit gemessen. Sind Zellen unterschiedlicher Kapazität in dem Hochvoltspeicher verbaut oder sind die Zellen unterschiedlich gealtert, wird dabei - selbst im günstigsten Fall - nur die Kapazität der Zelle mit der kleinsten Kapazität direkt vermessen, da diese die erfasste Spannung des Hochvoltspeichers sowohl nach oben als auch nach unten begrenzt. In einem ungünstigen Fall liegen die Spannungen der Einzelzellen so zueinander, dass selbst die Kapazität der Zelle mit der kleinsten Kapazität nicht vollständig vermessen werden kann. Eine solche Messung führt daher dazu, dass ein Kapazitätsverlust erfasst wird, der nicht unbedingt der Realität entspricht, da die Kapazität der Speicherzellen mit größerer Kapazität nicht in vollem Umfang gemessen wird.

Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Messung der Kapazität eines elektrischen Energiespeichers zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch eine Energiespeichereinrichtung gemäß Patentanspruch 1 , eine Vorrichtung zum Bestimmen der Kapazität einer Energiespeichereinrichtung gemäß Patentanspruch 3 sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Kapazität einer Energiespeichereinrichtung gemäß Patentanspruch 14 gelöst.

Dabei wird gemäß einem ersten Aspekt eine Energiespeichereinrichtung mit einer Mehrzahl von Speicherzellen vorgeschlagen, bei der die Kapazität jeder einzelnen Speicherzelle der Energiespeichereinrichtung erfasst wird, um die Messung der Kapazität der Energiespeichereinrichtung zu verbessern. Auf diese Weise liegen Informationen über die einzelnen Speicherzellen vor, so dass es möglich ist, nur diejenigen Speicherzellen, die tatsächlich einen Kapazitätsverlust in relevanter Höhe zeigen, auszutauschen.

Um dies zu erreichen, ist jede Speicherzelle der Energiespeichereinrichtung dazu eingerichtet, in einem Offline-Betrieb getrennt von den übrigen Speicherzellen mit einer Vorrichtung zum Bestimmen der Kapazität der Hochvolt-Energiespeichereinrichtung verbunden zu werden. Somit wird die Kapazität jeder Speicherzelle erfasst. Bei einem Kapazitätsverlust einer Speicherzelle, der über einem vorbestimmten Grenzwert liegt, kann anschließend genau diese Speicherzelle ausgetauscht werden, ohne einen Austausch der gesamten Energiespeichereinrichtung zu erfordern. Die Vorrichtung kann dabei extern zu der Energiespeichereinrichtung angeordnet sein oder einen Teil der Energiespeichereinrichtung bilden.

Zum Verbinden der Speicherzellen mit der Vorrichtung kann zum einen jede Speicherzelle separat über ein Verbindungselement mit der Vorrichtung verbunden werden. Alternativ kann die Mehrzahl der Speicherzellen mit einem einzigen Verbindungselement mit der Vorrichtung verbunden werden. Im letzteren Fall weist das Verbindungselement eine Mehrzahl von Kontakten auf, die den einzelnen Speicherzellen der Energiespeichereinrichtung zugeordnet sind. Auf diese Weise kann die Vorrichtung über die Kontakte die Kapazität der einzelnen Speicherzellen messen.

Bei der Energiespeichereinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Energiespeicher handeln, der in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann die Energiespeichereinrichtung eine Hochvolt- Energiespeichereinrichtung sein. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um ein konventionelles Verbrennungsmotorfahrzeug, um ein Elektro- oder um ein Hybridfahrzeug handeln, wobei die (Hochvolt-)Energiespeichereinrichtung eine elektrische Antriebsmaschine (Elektromotor oder Anlasser) mit Energie versorgt.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug mit einer wie oben beschriebenen Energiespeichereinrichtung vorgeschlagen. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere ein Personenkraftwagen sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der Kapazität einer Energiespeichereinrichtung mit einer Mehrzahl von Speicherzellen vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung Verbindungselemente aufweist, um mit jeder Speicherzelle verbunden zu werden. Die Vorrichtung kann dabei extern zu der Energiespeichereinrichtung angeordnet oder einen Teil der Energiespeichereinrichtung bilden. Es wird in jedem Fall keine Online-Messung der Speicherzellen während des laufenden Betriebs, sondern nur au ßerhalb des laufenden Betriebs, beispielsweise in einer Werkstatt, durchgeführt. Die Vorrichtung weist eine Entlade-/Ladeeinheit und eine Berechnungseinheit auf.

Um die genaue Kapazität und damit den Kapazitätsverlust der Energiespeichereinrichtung zu bestimmen, ist die Entlade-/Ladeeinheit dazu eingerichtet, mit den Speicherzellen der Energiespeichereinrichtung, insbesondere in einem Offline-Betrieb, verbunden zu werden, um die Speicherzellen zu entladen und anschließend zu laden. Die Entladung und Ladung der Speicherzellen erfolgt dabei vorzugsweise im Verbund. Unter einer Speicherzelle kann dabei sowohl eine einzelne Speicherzelle als auch eine Parallelschaltung mehrerer Speicherzellen verstanden werden, die als eine einzelne Speicherzelle wirken. Während des Ladevorgangs, im Anschluss an den Entladevorgang, ist die Berechnungseinheit dazu eingerichtet ist, das Spannungsniveau jeder Speicherzelle der Energiespeichereinrichtung zu überwachen. Im Gegensatz zu bekannten Systemen wird also nicht die Kapazität der gesamten Energiespeichereinrichtung bestimmt, sondern vielmehr die Kapazität jeder einzelnen Speicherzellen, indem deren Spannungsniveaus überwacht werden. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der gesamten Energiespeichereinrichtung eine zu geringe Kapazität zugeordnet wird, obwohl diese entweder nur auf einem ungünstigen Verhältnis der Zellspannungen zueinander (Asymmetrie) oder nur auf einer einzelnen Speicherzelle beruht. Weiterhin kann bestimmt werden, welche Speicherzelle eine zu geringe Kapazität aufweist und somit der Kapazitätsverlust den einzelnen Speicherzellen zugeordnet werden.

Die Entlade-/Ladeeinheit und/oder Berechnungseinheit kann hardwaretechnisch und/oder auch softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Implementierung kann die jeweilige Einheit als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als Computer oder als Mikroprozessor ausgebildet sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann die jeweilige Einheit als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Berechnungseinheit dazu eingerichtet, beim Entladen der Energiespeichereinrichtung eine untere Zellspannung jeder Speicherzelle am Ende des Entladevorgangs zu speichern und beim Laden der Energiespeichereinrichtung eine obere Zellspannung jeder Speicherzelle am Ende des Ladevorgangs zu speichern. Des Weiteren ist die Berechnungseinheit dazu eingerichtet, die unteren Zellspannungen der Speicherzellen und die oberen Zellspannungen der entsprechenden Speicherzellen zu vergleichen und basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs eine verfügbare Kapazität jeder der Speicherzellen zu berechnen.

Es werden also die Zellspannungen jeder einzelnen Speicherzelle direkt gemessen und verglichen. Eine Bestimmung der Kapazität der einzelnen Speicherzellen ist somit auf einfache Weise möglich, da diese direkt basierend auf den oberen und unteren Zellspannungen jeder Speicherzelle berechnet werden kann. Statt die Speicherzellen jeweils vollständig zu entladen und anschließend vollständig zu laden, kann auch vorgesehen sein, die Entladung der Speicherzellen gleichzeitig zu starten und bis zu einem ersten Zeitpunkt fortzusetzen, an dem eine erste der Speicherzellen eine untere Spannungsgrenze erreicht und anschließend alle Speicherzellen gleichzeitig bis zu einem zweiten Zeitpunkt, an dem eine erste der Speicherzellen eine obere Spannungsgrenze erreicht, zu laden. Die obere Spannungsgrenze kann dabei eine Zielladespannung definieren. Die Zellspannungen der Speicherzellen zu dem ersten Zeitpunkt und die Zellspannungen der Speicherzellen zu dem zweiten Zeitpunkt werden in diesem Fall ebenfalls verglichen und die tatsächliche Kapazität über eine Hochskalierung basierend auf bekannten Werten der jeweiligen Speicherzellen ermittelt.

Bestimmt die Berechnungseinheit, dass die verfügbare Kapazität unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, kann sie basierend auf der berechneten verfügbaren Kapazität ein Signal auszugeben, welches angibt, ob eine Speicherzelle auszutauschen ist. Insbesondere kann die Berechnungseinheit dabei ausgeben, welche Speicherzelle auszutauschen ist. Somit ist ein gezielter Tausch einzelner Zellen möglich.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Entlade-/Ladeeinheit dazu eingerichtet, die Speicherzellen bis zu einem ersten Zeitpunkt zu entladen, an dem eine erste der Speicherzellen der Energiespeichereinrichtung eine untere vordefinierte Spannungsgrenze erreicht und diese Speicherzelle zu identifizieren und zu kennzeichnen. Anschließend lädt die Entlade-/Ladeeinheit jede der Speicherzellen bis zu einem zweiten Zeitpunkt, an dem eine erste der Speicherzellen der Energiespeichereinrichtung eine obere vordefinierte Spannungsgrenze erreicht und identifiziert und kennzeichnet diese Speicherzelle.

Die gekennzeichneten Speicherzellen entsprechen also denjenigen Zellen, deren Spannungsniveau dabei zuerst an die untere bzw. obere Spannungsgrenze anstößt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Berechnungseinheit des Weiteren dazu eingerichtet, das Spannungsniveau jeder Speicherzelle zu dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen. Basierend auf diesen Informationen kann dann ermittelt werden, ob eine Kalibrierung der Speicherzellen erforderlich ist. Diese Ausführungsform basiert auf der Tatsache, dass es bei der Kapazitätsmessung der Energiespeichereinrichtung zu Asymmetrien zwischen den Ladezuständen der Speicherzellen zu den verschiedenen Zeitpunkten kommen kann, beispielsweise weil eine Speicherzelle eine geringere Kapazität als die anderen Speicherzellen aufweist oder sich die Ladedauer der Speicherzellen unterscheidet. Dadurch kann die Spannung einer Zelle die Kapazitätsmessung nach unten begrenzen, aber eine andere Zelle nach oben, wenn die Speicherzellen unterschiedliche Spannungsverläufe haben.

Im Idealfall besteht keine Asymmetrie zwischen den Ladezuständen der Speicherzellen. Das bedeutet, dass die Spannung der Speicherzelle der Energiespeichereinrichtung mit der kleinsten Kapazität die Messung sowohl nach oben als auch nach unten begrenzt. In diesem Fall, wenn also die gekennzeichneten Speicherzellen dieselbe Speicherzelle sind, ist die Berechnungseinheit dazu eingerichtet, eine Kapazität der Hochvolt-Energiespeichereinheit basierend auf der Differenz der Spannungsniveaus der gekennzeichneten Speicherzelle zu dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.

Nach Ermitteln der Kapazität kann die Berechnungseinheit bestimmen, ob die Kapazität unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, und, wenn dies der Fall ist, ein Signal auszugeben, welches angibt, dass die gekennzeichnete Speicherzelle auszutauschen ist. Es kann also die Speicherzelle mit der geringsten Kapazität, ermittelt und gezielt ausgetauscht werden.

In einer Ausführungsform kann die Bestimmung der Kapazität anschließend erneut durchgeführt werden, um festzustellen, ob weitere Speicherzellen eine zu geringe Kapazität zeigen und diese dann gezielt auszutauschen.

Wenn die gekennzeichneten Speicherzellen unterschiedliche Speicherzellen sind, also eine Asymmetrie besitzen, ist die Berechnungseinheit dazu eingerichtet, eine Differenz der oberen Spannungsniveaus der gekennzeichneten Speicherzellen zu dem zweiten Zeitpunkt zu berechnen, und die Energiespeichereinrichtung basierend auf der berechneten Differenz zu kalibrieren.

Um die Energiespeichereinrichtung zu kalibrieren, wird der Zeitpunkt des Beginns des Ladevorgangs für die gekennzeichneten Speicherzellen derart angepasst, dass sie zum selben zweiten Zeitpunkt die obere vordefinierte Spannungsgrenze erreichen. Das bedeutet, dass sich der Zeitpunkt des Beginns des Ladevorgangs für eine der gekennzeichneten Speicherzellen verschiebt, so dass beide gleichzeitig die obere Spannungsgrenze erreichen. Eine solche Kalibrierung kann auch als Symmetrierung der Speicherzellen bezeichnet werden.

Im Anschluss an die Kalibrierung kann die Entlade-/Ladeeinheit die Energiespeichereinrichtung erneut entladen und laden. Der Entlade-/Ladevorgang kann dabei durch die Entlade-/Ladeeinheit und die Berechnungseinheit iterativ durchgeführt werden, bis die berechnete Differenz der oberen Spannungsniveaus der Speicherzellen unter einem vorbestimmten Grenzwert ist.

Um nach der Kalibrierung festzustellen, ob eine Speicherzelle auszutauschen ist, ist die Berechnungseinheit weiterhin dazu eingerichtet, zu bestimmen, ob die Kapazität der gekennzeichneten Speicherzellen, die innerhalb der Zeitdauer von einem Beginn des Ladens, insbesondere von dem angepassten Zeitpunkt, bis zum Erreichen der oberen definierten Spannungsgrenze erreicht wird, unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt. In diesem Fall liefert die Speicherzelle nicht die erforderliche Kapazität und sollte daher ausgetauscht werden. Wenn also die ermittelte Kapazität unter dem vorbestimmten Grenzwert liegt, kann ein Signal ausgegeben werden, welches angibt, dass die gekennzeichnete Speicherzelle auszutauschen ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen der Kapazität einer Energiespeichereinrichtung mit einer Mehrzahl von Speicherzellen vorgeschlagen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Verbinden jeder Speicherzelle der Energiespeichereinrichtung mit einer Vorrichtung zum Bestimmen der Kapazität; Entladen der Speicherzellen und anschließendes Laden der Speicherzellen; Überwachen des Spannungsniveaus jeder der Speicherzellen der Energiespeichereinrichtung während des sich dem Entladevorgang anschließenden Ladevorgangs.

Die für die vorgeschlagene Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend.

Ein solches Verfahren kann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden:

• Entladen der Energiespeichereinrichtung bzw. jeder Speicherzelle • Entlade-Stopp, wenn eine erste der Speicherzellen eine untere Spannungsgrenze erreicht (zu einem ersten Zeitpunkt)

• Abspeichern aller Zellspannungen zum Entlade-Stopp

• Laden der Energiespeichereinrichtung bzw. jeder Speicherzelle

• Lade-Stopp, wenn eine erste der Zellen eine obere Spannungsgrenze erreicht (zu einem zweiten Zeitpunkt)

• Abspeichern aller Zellspannungen zum Zeitpunkt des Lade-Stopps

• Berechnen der Differenz der unteren Spannung und oberen Spannung für jede Speicherzelle, um die Kapazität für jede Speicherzelle zu bestimmen. Alternativ können die nicht vermessenen Kapazitätsanteile beim Entladen (unterer Spannungsbereich) und beim Laden (oberer Spannungsbereich) für jede Zelle berechnet werden, d.h. Berechnen der Differenz zwischen gespeicherter Zellspannung und der eigentlich zu erreichenden Spannung (diese entspricht der oberen Spannungsgrenze). Anschließend können die Zellkapazitäten über eine Hochskalierung der vermessenen Kapazität auf 100 %, unter Verwendung der berechneten Differenz, bestimmt werden.

Alternativ kann die Kapazitätsmessung wie folgt durchgeführt werden:

• Entladen der Energiespeichereinrichtung bzw. der einzelnen Speicherzellen

• Entlade-Stopp, wenn eine erste der Speicherzellen eine untere Spannungsgrenze erreicht (erster Zeitpunkt)

• Kennzeichnen dieser Speicherzelle

• Laden der Energiespeichereinrichtung bzw. der einzelnen Speicherzellen

• Starten der Ladungszählung zur Kapazitätsvermessung basierend auf den unteren Spannungsniveaus

• Lade-Stopp, wenn eine erste der Speicherzellen eine obere Spannungsgrenze erreicht (zweiter Zeitpunkt)

• Stoppen der Ladungszählung zur Kapazitätsvermessung

• Kennzeichnen dieser Speicherzelle

• Falls die gekennzeichneten Speicherzellen gleich sind, ist das Asymmetriepotential gleich null. Es wird davon ausgegangen, dass die Kapazitätsmessung keine Ungenauigkeit aufgrund einer Asymmetrie enthält und die Speicherzelle mit der kleinsten Kapazität die Kapazität der Energiespeichereinrichtung begrenzt. Diese kann dann ausgetauscht werden. • Falls die gekennzeichneten Speicherzellen verschieden sind: Bildung der Spannungsdifferenz im Moment des Lade-Stopps zwischen der oberen Spannungsgrenze (= Spannung der zweiten gekennzeichneten Speicherzelle) minus der Spannung der ersten gekennzeichneten Speicherzelle. Basierend auf dieser Differenz kann eine Kalibrierung der Speicherzellen durchgeführt werden, wie sie oben beschrieben ist.

Alternativ kann diese Spannungsdifferenz als Anteil der nicht vermessenen Kapazität der ersten Speicherzelle angesehen werden und in eine Information darüber umgerechnet werden, um wieviel Prozent die Kapazitätsvermessung wegen Asymmetrie, d.h. unterschiedlicher Spannungsverläufe der Speicherzellen, zu klein ausgefallen ist. Diese Asymmetrie kann durch die oben beschriebene Kalibrierung behoben werden.

Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches einen Programmcode aufweist, der dazu ausgebildet ist, auf einem Computer die Durchführung des wie oben erläuterten Verfahrens zu veranlassen.

Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerprogramm-Mittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.

Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Kraftfahrzeugs mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Energiespeichereinrichtung, und

Figuren 2 bis 5 zeigen verschiedene Varianten des Verlaufs von Spannungen der Speicherzellen einer Energiespeichereinrichtung.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.

Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 1 . Die Energiespeichereinrichtung 1 1 weist eine Mehrzahl von Speicherzellen 1 , 2, 3 auf (in Fig. 1 sind beispielhaft 3 Zellen gezeigt, es ist jedoch jede andere Anzahl von Zellen denkbar).

Um die vorhandene Kapazität der Energiespeichereinrichtung 1 1 zu bestimmen, oder um einen Kapazitätsverlust der Energiespeichereinrichtung 1 1 zu berechnen, wird jede Speicherzelle 1 , 2, 3 mit einer Vorrichtung 20 zum Bestimmen der Kapazität der Energiespeichereinrichtung 1 1 verbunden. Obwohl die Vorrichtung 20 extern zu der Energiespeichereinrichtung 1 1 gezeigt ist, kann diese auch in der Energiespeichereinrichtung integriert sein.

Dies kann über eine direkte Kopplung jeder Speicherzelle 1 , 2, 3 mit der Vorrichtung 20 erfolgen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Alternativ kann die Mehrzahl von Speicherzellen 1 , 2, 3 über ein einziges Verbindungselement, beispielsweise einen Stecker, mit der Vorrichtung 20 verbunden werden. Das Verbindungselement kann dabei eine Mehrzahl von Kontakten aufweisen, die den einzelnen Speicherzellen 1 , 2, 3 der Energiespeichereinrichtung 1 1 zugeordnet sind.

Die Verbindung der Speicherzellen 1 , 2, 3 mit der Vorrichtung 20 erfolgt in einem Offline-Betrieb, d.h. wird extern, beispielsweise in einer Werkstatt, und nicht während des Betriebs des Kraftfahrzeugs 10 durchgeführt. Durch die Vorrichtung 20 kann die Kapazität jeder einzelnen Speicherzelle 1 , 2, 3 der Energiespeichereinrichtung 1 1 erfasst werden. Basierend auf dieser Information können dann diejenigen Speicherzellen 1 , 2, 3, die tatsächlich einen Kapazitätsverlust, oder einen zu hohen Kapazitätsverlust zeigen, ausgetauscht werden.

Um die Kapazität der Energiespeichereinrichtung 1 1 zu bestimmen, weist die Vorrichtung 20 eine Entlade-/Ladeeinheit 21 und eine Berechnungseinheit 22 auf.

Wie bereits erläutert, ist jede Speicherzelle 1 , 2, 3 mit der Vorrichtung 20 verbunden. Die Entlade-/Ladeeinheit 21 entlädt dann zunächst die Speicherzellen 1 , 2, 3, bis eine erste der Speicherzellen 1 , 2, 3 an eine untere Spannungsgrenze stößt. Nach dem Entladen werden die Speicherzellen 1 , 2, 3 geladen, bis die Spannung einer ersten der Speicherzellen 1 , 2, 3 eine obere Spannungsgrenze erreicht.

Während des Ladevorgangs werden die Spannungsniveaus der Speicherzellen 1 , 2, 3 entweder durch die Energiespeichereinheit 1 1 selbst oder durch die Berechnungseinheit 22 überwacht. Nach Abschluss des Ladevorgangs vergleicht die Berechnungseinheit 22, welche Speicherzelle 1 , 2, 3 zuerst an die untere (erster Zeitpunkt) bzw. obere Spannungsgrenze (zweiter Zeitpunkt) anstößt.

Sind dies unterschiedliche Speicherzellen 1 , 2, 3, kann die Berechnungseinheit eine Kalibrierung der Speicherzellen 1 , 2, 3 vornehmen. Bei einer solchen Kalibrierung werden die Spannungsverläufe der Speicherzellen 1 , 2, 3 verschoben, wobei der Spannungsverlauf derjenigen Zelle 1 , 2, 3, die zuerst an die obere Spannungsgrenze stößt, verschoben wird, bis er mit dem obersten Wert mit dem Spannungsverlauf derjenigen Zelle 1 , 2, 3 zusammenfällt, die zuerst an die untere Spannungsgrenze stößt.

Anschließend kann Entladung und Ladung der Speicherzellen 1 , 2, 3 erneut durchgeführt werden, wobei dann die nutzbare Kapazität bzw. der Kapazitätsverlust der Speicherzelle 1 , 2, 3 bestimmt werden kann, die sowohl an die untere als auch die obere Spannungsgrenze stößt. Die entsprechende Speicherzelle 1 , 2, 3 kann dann ausgetauscht werden. Alternativ kann die Ladekapazität jeder einzelnen Speicherzelle 1 , 2, 3 separat durch die Berechnungseinheit 22 bestimmt werden. In diesem Fall kann die Zellspannung jeder einzelnen Speicherzelle 1 , 2, 3 direkt gemessen und verglichen werden. Bestimmt die Energiespeichereinheit 1 1 selbst oder die Berechnungseinheit 22, dass der Kapazitätsverlust einer Speicherzelle 1 , 2, 3 über einem vorbestimmten Grenzwert liegt, kann die entsprechende Speicherzelle 1 , 2, 3 ausgetauscht werden. Somit ist ein gezielter Tausch einzelner Zellen 1 , 2, 3 möglich.

Verschiedene Spannungsverläufe C1 , C2, C3 der Speicherzellen 1 , 2, 3 sind in den Figuren 2 bis 5 gezeigt.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel sind die Spannungsverläufe C1 , C2, C3 der Speicherzellen 1 , 2, 3 parallel. Dabei stößt die Speicherzelle 3 zuerst an die untere Spannungsgrenze, wohingegen die Speicherzelle 1 zuerst an die obere Spannungsgrenze stößt. Dies führt zu einer Asymmetrie, da keine der Speicherzellen 1 , 2, 3 in ihrer gesamten Kapazität erfasst wird. In diesem Fall kann daher eine Kalibrierung der Speicherzellen 1 und 3 durchgeführt werden. Dabei wird der Spannungsverlauf der Speicherzelle 1 verschoben, bis der obere Wert der Kurve C1 dem oberen Wert der Kurve C2 entspricht. In diesem Fall liegen die Kurven C1 und C3 anschließend übereinander. Im Anschluss kann der Entlade-/Ladevorgang erneut durchgeführt werden.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel kreuzt der Spannungsverlauf C3 der Speicherzelle 3 die Spannungsverläufe C1 , C2 der Speicherzellen 1 , 2. Daher stößt die Speicherzelle 3 zuerst an die untere und an die obere Spannungsgrenze. Durch diese wird daher die nutzbare Kapazität begrenzt. Hat die Speicherzelle 3 einen Kapazitätsverlust, der über einem vorbestimmten Grenzwert liegt, kann diese Speicherzelle 3 ausgetauscht werden.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel sind die Spannungsverläufe C1 und C2 der Speicherzellen 1 und 2 parallel, wohingegen der Spannungsverlauf C3 der Speicherzelle 3 diese zum Teil kreuzt. Die Speicherzelle 3 stößt dabei zuerst an die untere Spannungsgrenze, wohingegen die Speicherzelle 1 zuerst an die obere Spannungsgrenze stößt. Dies führt zu einer Asymmetrie, da keine der Speicherzellen 1 , 2, 3 in ihrer gesamten Kapazität erfasst wird. In diesem Fall kann daher ebenfalls eine Kalibrierung der Speicherzellen 1 und 3 durchgeführt werden. Dabei wird der Spannungsverlauf der Speicherzelle 1 verschoben, bis der obere Wert der Kurve C1 dem oberen Wert der Kurve C3 entspricht. Im Anschluss kann der Entlade- /Ladevorgang erneut durchgeführt werden.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel sind ebenfalls die Spannungsverläufe C1 und C2 der Speicherzellen 1 und 2 parallel, wohingegen der Spannungsverlauf C3 der Speicherzelle 3 diese zum Teil kreuzt. In diesem Fall stößt allerdings die Speicherzelle 2 zuerst an die untere Spannungsgrenze, wohingegen die Speicherzelle 1 zuerst an die obere Spannungsgrenze stößt. Dies führt ebenfalls zu einer Asymmetrie, da keine der Speicherzellen 1 , 2, 3 in ihrer gesamten Kapazität erfasst wird. In diesem Fall kann daher ebenfalls eine Kalibrierung der Speicherzellen 1 und 2 durchgeführt werden. Dabei wird der Spannungsverlauf der Speicherzelle 1 verschoben, bis der obere Wert der Kurve C1 dem oberen Wert der Kurve C2 entspricht. Anschließend würden die Kurven C1 und C2 übereinanderliegen. Im Anschluss kann der Entlade-/Ladevorgang erneut durchgeführt werden.

Durch die vorgeschlagene Energiespeichereinrichtung und die Vorrichtung ist es möglich, die Kapazität und den Kapazitätsverlust der einzelnen Speicherzellen einer Energiespeichereinrichtung zu bestimmen. Auf diese Weise kann eine genauere Bestimmung der Kapazität der Energiespeichereinrichtung durchgeführt werden. Des Weiteren liegen Informationen über die Kapazität der einzelnen Speicherzellen vor, so dass es möglich, bei Bedarf einzelne Speicherzellen auszutauschen und nicht einen Austausch der gesamten Energiespeichereinrichtung.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.

Bezuqszeichen

1 , 2, 3 Speicherzellen

10 Kraftfahrzeug

1 1 Energiespeichereinrichtung

20 Vorrichtung

21 Entlade-/Ladeeinheit

22 Berechnungseinheit

Spannungsverläufe

Claims

Ansprüche:

1 . Energiespeichereinrichtung (1 1 ) mit einer Mehrzahl von Speicherzellen (1 , 2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass

jede Speicherzelle (1 , 2, 3) dazu eingerichtet ist, in einem Offline-Betrieb getrennt von den übrigen Speicherzellen (1 , 2, 3) mit einer Vorrichtung (20) zum Bestimmen der Kapazität der Energiespeichereinrichtung (1 1 ) verbunden zu werden.

2. Energiespeichereinrichtung (1 1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jede Speicherzelle (1 , 2, 3) separat über ein Verbindungselement mit der Vorrichtung (20) verbindbar ist oder dass die Mehrzahl von Speicherzellen (1 , 2, 3) mit einem einzigen Verbindungselement mit der Vorrichtung (20) verbindbar ist.

3. Vorrichtung (20) zum Bestimmen der Kapazität einer

Energiespeichereinrichtung (1 1 ) mit einer Mehrzahl von Speicherzellen (1 , 2, 3), wobei die Vorrichtung (20) Verbindungselemente aufweist, um mit jeder Speicherzelle (1 , 2, 3) verbunden zu werden, wobei die Vorrichtung (20) eine Entlade-/Ladeeinheit (21 ) und eine Berechnungseinheit (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass

die Entlade-/Ladeeinheit (21 ) dazu eingerichtet ist, mit den Speicherzellen (1 , 2, 3) der Energiespeichereinrichtung (1 1 ) verbunden zu werden und die

Speicherzellen (1 , 2, 3) zu entladen und anschließend zu laden, und dass die Berechnungseinheit (22) dazu eingerichtet ist, während des sich dem

Entladevorgang anschließenden Ladevorgangs das Spannungsniveau jeder der Speicherzellen (1 , 2, 3) der Energiespeichereinrichtung (1 1 ) zu überwachen.

4. Vorrichtung (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die

Berechnungseinheit (22) dazu eingerichtet ist, beim Entladen der

Energiespeichereinrichtung (1 1 ) eine untere Zellspannung jeder Speicherzelle (1 , 2, 3) am Ende des Entladevorgangs zu speichern und beim Laden der Energiespeichereinrichtung (1 1 ) eine obere Zellspannung jeder Speicherzelle (1 , 2, 3) am Ende des Ladevorgangs zu speichern, und dass die Berechnungseinheit (22) dazu eingerichtet ist, die unteren Zellspannungen der Speicherzellen (1 , 2, 3) und die oberen Zellspannungen der entsprechenden Speicherzellen (1 , 2, 3) zu vergleichen und basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs eine verfügbare Kapazität jeder der Speicherzellen (1 , 2, 3) zu berechnen.

5. Vorrichtung (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die

Berechnungseinheit dazu eingerichtet ist, zu bestimmen, ob die verfügbare Kapazität unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, und basierend auf der berechneten verfügbaren Kapazität ein Signal auszugeben, welches angibt, ob eine und/oder welche Speicherzelle (1 , 2, 3) auszutauschen ist.

6. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlade-/Ladeeinheit (21 ) dazu eingerichtet ist, jede der

Speicherzellen (1 , 2, 3) bis zu einem ersten Zeitpunkt zu entladen, an dem eine erste der Speicherzellen (1 , 2, 3) der Energiespeichereinrichtung (1 1 ) eine untere vordefinierte Spannungsgrenze erreicht und diese Speicherzelle (1 , 2, 3) zu identifizieren und zu kennzeichnen, und anschließend jede der

Speicherzellen (1 , 2, 3) bis zu einem zweiten Zeitpunkt zu laden, an dem eine erste der Speicherzellen (1 , 2, 3) der Energiespeichereinrichtung (1 1 ) eine obere vordefinierte Spannungsgrenze erreicht und diese Speicherzelle (1 , 2, 3) zu identifizieren und zu kennzeichnen.

7. Vorrichtung (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die

Berechnungseinheit (22) dazu eingerichtet ist, das Spannungsniveau jeder Speicherzelle (1 , 2, 3) zu dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.

8. Vorrichtung (20) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die gekennzeichneten Speicherzellen (1 , 2, 3) dieselbe Speicherzelle (1 , 2, 3) sind, die Berechnungseinheit (22) dazu eingerichtet ist, eine Kapazität der Energiespeichereinheit (1 1 ) basierend auf der Differenz der Spannungsniveaus der gekennzeichneten Speicherzelle (1 , 2, 3) zu dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.

9. Vorrichtung (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die

Berechnungseinheit (22) dazu eingerichtet ist, zu bestimmen, ob die Kapazität unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, und, wenn dies der Fall ist, ein Signal auszugeben, welches angibt, dass die gekennzeichnete Speicherzelle (1 , 2, 3) auszutauschen ist.

10. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die gekennzeichneten Speicherzellen (1 , 2, 3) unterschiedliche Speicherzellen (1 , 2, 3) sind, die Berechnungseinheit (22) dazu eingerichtet ist, eine Differenz der oberen Spannungsniveaus der gekennzeichneten

Speicherzellen (1 , 2, 3) zu dem zweiten Zeitpunkt zu berechnen, und die Energiespeichereinrichtung (1 1 ) basierend auf der berechneten Differenz zu kalibrieren, indem der Zeitpunkt des Beginns des Ladevorgangs für die gekennzeichneten Speicherzellen (1 , 2, 3) derart angepasst wird, dass sie zum selben zweiten Zeitpunkt die obere vordefinierte Spannungsgrenze erreichen, und dass die Entlade-/Ladeeinheit (21 ) dazu eingerichtet ist, die

Energiespeichereinrichtung (1 1 ) nach der Kalibrierung erneut zu entladen und zu laden.

1 1 . Vorrichtung (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlade- /Ladeeinheit (21 ) und die Berechnungseinheit (22) dazu eingerichtet sind, den Entlade-/Ladevorgang und die Kalibrierung iterativ durchzuführen, bis die berechnete Differenz unter einem vorbestimmten Grenzwert ist.

12. Vorrichtung (20) nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (22) dazu eingerichtet ist, zu bestimmen, ob die Kapazität der gekennzeichneten Speicherzellen (1 , 2, 3), die innerhalb der Zeitdauer von einem Beginn des Ladens, insbesondere von dem angepassten Zeitpunkt, bis zum Erreichen der oberen definierten Spannungsgrenze erreicht wird, unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, und, wenn dies der Fall ist, ein Signal auszugeben, welches angibt, dass die gekennzeichnete Speicherzelle (1 , 2, 3) auszutauschen ist.

13. Verfahren zum Bestimmen der Kapazität einer Energiespeichereinrichtung (1 1 ) mit einer Mehrzahl von Speicherzellen (1 , 2, 3), gekennzeichnet durch die Schritte:

Verbinden der Speicherzellen (1 , 2, 3) der Energiespeichereinrichtung (1 1 ) mit einer Vorrichtung (20) zum Bestimmen der Kapazität;

Entladen der Speicherzellen (1 , 2, 3) und anschließendes Laden der

Speicherzellen (1 , 2, 3);

Überwachen des Spannungsniveaus jeder der Speicherzellen (1 , 2, 3) der Energiespeichereinrichtung (1 1 ) während des sich dem Entladevorgang anschließenden Ladevorgangs.