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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung einzelner Zellen in einem Zellstapel eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Im Automobilbereich kommen immer mehr aus Einzelzellen aufgebaute Energiespeicher, vorzugsweise aus Doppelschichtkondensatoren aufgebaute Energiespeicher zum Einsatz. Diese Doppelschichtkondensatoren bieten bei der Bereitstellung und Speicherung von Energie den Vorteil, dass sie kurzfristig hohe Leistung zur Verfügung stellen können. Um auf die in einem Kraftfahrzeug notwendige Versorgungsspannung zu kommen, müssen die einzelnen Doppelschichtkondensatoren in Reihe geschaltet werden. Die in Reihe geschalteten Zellen bilden somit einen Zellstapel.
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Aufgrund der Toleranzen der Zellen laufen beim zyklischen Laden und Entladen die Zellspannungen auseinander. Dies ist vor allem dann kritisch, wenn die maximale Zellspannung erreicht wird. Die Folgen sind unterschiedliche Alterung der Zellen bis hin zum Ausfall einzelner Zellen.
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Aus der
DE 103 47 110 B3 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen einzelner Zellspannungen in einem Zellstapel eines Energiespeichers bekannt, wobei zum Messen der Zellspannung ein rechteckförmiger Wechselstrom in den der Zelle zugeordneten Kondensator eingespeist wird. Dadurch entsteht wiederum eine Wechselspannung. Durch geeignete Maßnahmen wird aus dieser Wechselspannung die an der Zelle anliegende Gleichspannung ermittelt. Ein Laden und/oder Entladen der Zelle wird ebenfalls über den am AC-Bus anliegenden Wechselstrom vorgenommen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird gleichzeitig die Spannung der einzelnen Zellen derart überwacht, dass eine Überspannung oder ein Kurzschluss einer Zelle erkennbar ist. Zusätzlich ist eine Langzeitüberwachung der Zellen möglich, so dass bei einem erkennbaren Abfall der Kapazität einer Zelle, einem Anstieg der Selbstentladung einer Zelle oder einem Anstieg des Innenwiderstands einer Zelle ein Warnhinweis erzeugt werden kann.
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Aus der
EP 1 035 627 A1 ist ein Verfahren zum Symmetrieren von in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren bekannt. Weiteren Stand der Technik offenbaren die
DE 35 33 437 A1 , die
DE 195 45 833 A1 , die
WO 93/10 589 A1 und die
US 2001/00 00 212 A1 .
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Aufgabe der Erfindung ist, ein alternatives Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung einzelner Zellen anzugeben, das einfach aufgebaut ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung einzelner Zellen in einem Zellstapel eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei für jede Zellengruppe die Spannung ermittelt wird und die Zellengruppe in Abhängigkeit von der ermittelten Spannung geladen und/oder entladen wird, zeichnet sich dadurch aus, dass jede Zellengruppe mit einer Zellengruppen-Logik verbunden ist und über jede Zellengruppe die Zellengruppen-Spannung ermittelt und in der Zellengruppen-Logik mit einer an einer Gleichspannungsleitung in Bezug auf Masse anliegenden Soll-Spannung verglichen wird und die Zellengruppe in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der ermittelten Zellengruppen-Spannung und der Soll-Spannung über die Gleichspannungsleitung geladen und/oder entladen wird. Wesentlich ist weiterhin, dass die an der Gleichspannungsleitung anliegende Soll-Spannung mittels einer übergeordneten Regelungseinrichtung auf einen vorgegebenen Spannungswert geregelt wird.
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Bei der genannten Zellengruppe handelt es sich entweder um eine einzelne Zelle oder um einen Verbund aus mehreren Einzelzellen, wobei die Anzahl der Zellen in der Zellengruppe in jedem Fall kleiner als der gesamte Zellstapel ist. Aus Kosten- und Aufwandsgründen ist es sinnvoll, mehrere Zellen in einer Zellengruppe zusammenzufassen und die Daten statt für jede einzelne Zelle für eine Zellengruppe zu ermitteln. Bei den Zellen handelt es sich vorteilhafterweise um Doppelschichtkondensatoren. Das Verfahren ist jedoch auch für jede andere Art von aus Einzelzellen aufgebauten Energiespeichern geeignet. Bei der Zellengruppen-Logik handelt es sich vorteilhafterweise um eine Einheit, die wenigstens eine Vergleichseinheit und eine Steuereinheit zum Laden und/oder Entladen der Zelle enthält. Die an der Zellengruppe anliegende Spannung kann ebenfalls direkt in der Zellengruppen-Logik ermittelt werden. Die Spannungssteuerung bzw. -regelung der Zellen dient einerseits der Ladungserhaltung und andererseits der Symmetrierung der Spannung der einzelnen Zellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, dass die an den einzelnen Zellen bzw. an den Zellengruppen anliegende (Gleich-)spannung nicht zuerst in eine Wechselspannung umgewandelt wird, um anschließend wieder in eine Gleichspannung umgeformt zu werden. Zusätzlich können durch die Kombination von Symmetrierung, Diagnose und Ladungserhaltung Synergieeffekte genutzt werden.
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Vorteilhafterweise wird die Zellengruppe derart geladen und/oder entladen, dass sie der über die Gleichspannungsleitung in Bezug auf Masse geregelten Soll-Spannung entspricht. Entspricht die ermittelte Zellengruppen-Spannung der an der Gleichspannungsleitung anliegenden Soll-Spannung, wird die Zellengruppe weder entladen noch geladen. Ist die an der Zellengruppe anliegende Spannung jedoch geringer als die Soll-Spannung, wird die Zellengruppe durch die Gleichspannungsleitung geladen. Dementsprechend wird bei einer im Vergleich zur Soll-Spannung größeren Zellengruppen-Spannung die Zellengruppe entladen. Durch die übergeordnete Regeleinrichtung wird an der Gleichspannungsleitung in Bezug auf Masse jeweils diejenige Soll-Spannung vorgegeben, die gerade an der Zellengruppe anliegen sollte. Falls eine Zellengruppe mehrere Einzelzellen umfasst, kann die eingeregelte Soll-Spannung an der Gleichspannungsleitung, also die einzustellende Zellengruppen-Spannung auch einer in einem Fahrzeug anliegenden Bordnetzspannung entsprechen. Die über die Gleichspannungsleitung in Bezug auf Masse anliegende Soll-Spannung wird durch Steuerung bzw. Regelung des an der Gleichspannungsleitung anliegenden Gleichstroms eingestellt.
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Das Laden und Entladen dient in erster Linie der Ladungserhaltung. Neben der Ladungserhaltung der Zellen wird das Laden und Entladen auch im Hinblick auf eine Zellsymmetrierung eingesetzt. Diese Zellsymmetrierung dient dazu, dass trotz unterschiedlicher Alterung der Zellen oder anderer Einflüsse an jeder Zelle bzw. an jeder Zellengruppe die gleiche Spannung anliegt.
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Vorteilhafterweise wird die Zellengruppe kontinuierlich, zu bestimmten Zeitpunkten oder bei vorgegebenen Betriebszuständen des Zellstapels geladen und/oder entladen. Ein vorgegebener Betriebszustand liegt beispielsweise dann vor, wenn an dem Modul bzw. an dem Zellstapel kein Strom anliegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch für die Diagnose der einzelnen Zellen oder Zellenstapel verwendet werden. Dazu wird vorteilhafterweise zur Diagnose der einzelnen Zellengruppen aus der Zellengruppen-Spannung der Innenwiderstand und/oder die Kapazität der Zellengruppe ermittelt. Die Spannung wird dementsprechend zu genau definierten Betriebsphasen des Zellstapels ermittelt. Die Ermittlung des Innenwiderstands und der Kapazität wird vorteilhafterweise in der jeweiligen Zellengruppen-Logik vorgenommen.
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Vorteilhafterweise wird zur Bestimmung des Innenwiderstands der Zelle oder der Zellengruppe die Spannung der Zellgruppe unmittelbar vor und nach einem Stromsprung während eines Lade- und/oder Entladevorgangs der Zellengruppe ermittelt. Zur Bestimmung der Kapazität der Zellen bzw. Zellengruppen wird die Spannung unmittelbar vor und nach einem Lade- und/oder Entladevorgang der Zellengruppe oder unmittelbar nach dem Beginn und unmittelbar nach dem Ende des Lade- und/oder Entladevorgangs der Zellengruppe ermittelt. Die Bestimmung des Innenwiderstands und/oder der Kapazität erfolgt anschließend durch Berechnung.
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Durch eine geeignete Bewertung der Messwerte bzw. des ermittelten Innenwiderstands und der Kapazität in der Zellengruppen-Logik kann ein Abdriften des Innenwiderstands oder der Kapazität oder ein gebrochener Zellverbinder detektiert werden und dementsprechend geeignete Maßnahmen, wie beispielsweise ein Notlaufverhalten des Gesamtsystems, eingeleitet werden.
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Die Diagnosemöglichkeit ermöglicht einerseits eine weitreichende Qualitätssicherung und andererseits können dadurch geeignete Maßnahmen zur Lebensdauerverlängerung vorgenommen werden.
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Vorteilhafterweise kann zusätzlich in den Zellengruppen-Logiken die Temperatur der Zelle bzw. Zellengruppe, bspw. mittels eines Temperatursensors ermittelt werden. Dies erweitert die Diagnosemöglichkeiten, da sie als Grundlage zur Initiierung eines Degradationsvorgangs herangezogen werden kann. Zusätzlich oder stattdessen kann die ermittelte Temperatur zur Plausibilisierung der Innenwiderstandsberechnung herangezogen werden, da mit sinkender Temperatur der Zellengruppe auch die Verlustleistung steigt.
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Vorteilhafterweise ist in der Zellengruppen-Logik die Zellengruppen-Spannung von der gesteuerten bzw. geregelten Soll-Spannung galvanisch getrennt. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Zellstapel-Spannung beispielsweise größer als 60 V ist. Zusätzlich kann die galvanische Trennung noch überwacht werden.
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Vorteilhafterweise werden die Daten der jeweiligen Zellengruppen-Logiken in einer Zentral-Logik zusammengeführt. In der Zentral-Logik kann ein Vergleich der ermittelten Daten für jede Zellengruppe im Verhältnis zu den restlichen Zellengruppen vorgenommen werden. Dies ist wiederum besonders für die Symmetrierung der einzelnen Zellengruppen oder auch für die Diagnose im Hinblick auf Fehler oder Defekte der Zellengruppen relevant. Die Zentral-Logik kann zusätzlich mit dem Bordnetz eines Fahrzeugs, in dem sich der Zellstapel befindet, über einen sog. CAN-Bus verbunden sein.
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Falls eine derartige Zentral-Logik vorhanden ist, kann es auch sinnvoll sein, die Berechnung des Innenwiderstands und/oder der Kapazität der Zellengruppen in der Zentral-Logik vorzunehmen. Das bietet den Vorteil, dass nicht alle Zellengruppen-Logiken mit der Berechnungseinheit ausgestattet werden müssen.
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Vorteilhafterweise werden die Daten zwischen den jeweiligen Zellengruppen-Logiken und der Zentral-Logik mittels eines separaten Datenbusses oder über ein aufmoduliertes Signal auf der Gleichspannungsleitung übermittelt. Bei dem separaten Datenbus kann es sich beispielsweise um einen standardisierten Datenbus mit einer Eindrahtschnittstelle, ein sog. LIN (Local Interconnect Network) handeln. Die Versorgung der Zellengruppen-Logiken und der Zentral-Logik erfolgt vorteilhafterweise aus dem Bordnetz oder direkt über die Gleichspannungsleitung.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt die
- 1 eine erste Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine zweite Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 3 einen möglichen Spannungs- und Stromverlauf über die Zeit einer bestimmten Zellengruppe.
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In den 1 und 2 sind zwei Alternativen für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Vorrichtungen sind beispielsweise in einem hier nicht dargestellten Fahrzeug implementiert. In beiden 1 und 2 sind in einem Zellstapel Z mehrere Zellen C1, C2, C3, C4 und C5 in Reihe geschaltet. Der Zellstapel Z ist an das Energiebordnetz E des Fahrzeugs angeschlossen und dient zur Energiebereitstellung, vor allem bei Hybridfahrzeugen. Bei den Zellen C1 bis C5 handelt es sich vorteilhafterweise um Doppelschichtkondensatoren. Jede Zelle C1 bis C5 des Zellstapels Z ist mit einer Zellengruppenlogik verbunden.
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In der 1 ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass jede Zelle C1 bis C5 eine Zellengruppe bildet und mit einer eigenen Zellengruppen-Logik verbunden ist. Zu besseren Übersicht ist in der 1 lediglich die Zellengruppen-Logik ZGL2 für die Zelle C2 dargestellt. Bei der Vorrichtung in 1 wird in der Zellengruppenlogik ZGL2 kontinuierlich die Spannung UC2 über die Zelle bzw. Zellengruppe C2 ermittelt.
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In der 2 ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass mehrere Zellen, im vorliegenden Beispiel zwei Zellen, zu einer Zellengruppe zusammengefasst und mit einer Zellengruppen-Logik verbunden sind. Zur besseren Übersicht ist in der 2 lediglich die Zellengruppen-Logik ZGL23 für die Zellengruppe, bestehend aus Zelle C2 und C3, dargestellt. Bei der Vorrichtung in 2 wird in der Zellengruppen-Logik die Spannung UC23 kontinuierlich über die Zellengruppe C2 und C3 ermittelt.
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Die Zellengruppen-Logiken ZGL2 bzw. ZGL23 sind mit einer Gleichspannungsleitung GL, einer dazugehörigen Masse M und einem Datenbus DB verbunden. Über die Gleichspannungsleitung GL liegt in Bezug auf die Masse M eine vorgegebene Soll-Spannung Usoll an, die als Eingangssignal an der in 1 dargestellten Zellengruppen-Logik ZGL2 bzw. an der in 2 dargestellten Zellengruppen-Logik ZGL23 anliegt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung könnte zusätzlich die Temperatur der jeweiligen Zelle oder Zellengruppe erfasst und im Rahmen der Zellen-Diagnose ausgewertet werden. Die an der Gleichspannungsleitung GL in Bezug auf die Masse M anliegende Soll-Spannung Usoll kann mittels einer hier nicht dargestellten übergeordneten Regelungseinrichtung vorgegeben werden.
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In beiden Vorrichtungen sind über den Datenbus DB alle Zellengruppen-Logiken, in der 1 somit die Zellengruppen-Logik ZGL2 und in der 2 die Zellengruppen-Logik ZGL23 mit einer übergeordneten Zentral-Logik ZL verbunden. Zusätzlich sind auch die Gleichspannungsleitung GL und die Masse M angeschlossen. In der Zentral-Logik ZL werden die Daten der jeweiligen Zellengruppen-Logiken ZGL2 bzw. ZGL23 zusammengeführt und bei Bedarf zeitlich unterschiedlich gesteuert. Die Versorgung der Zellengruppen-Logiken ZGL2 und der Zentral-Logik ZL kann über das Bordnetz oder direkt durch die Gleichspannungsleitung erfolgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Zentral-Logik zusätzlich die Gesamtspannung UM des Zellstapels Z und/oder den Gesamtstrom IM des Zellstapels Z als Eingangssignal erhalten. Die zum Einstellen der an der Gleichspannungsleitung GL anliegenden Soll-Spannung Usoll Regelungseinrichtung kann ein Teil der Zentral-Logik sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung oder Regelung der einzelnen Zellen bzw. Zellengruppen wird nun anhand der 1 näher erläutert. In der Zellengruppen-Logik ZGL2 wird die an der Zelle C2 anliegende Spannung U2 mit der Soll-Spannung Usoll verglichen. Um Abweichungen in den Kapazitäten der einzelnen Zellen auszugleichen, wird eine sogenannte Symmetrierung der Zellen vorgenommen. Dies bedeutet, dass die einzelnen Zellen C1 bis C5 derart geladen oder entladen werden, dass an jeder Zelle C1 bis C5 die gleiche Spannung anliegt. Die Symmetrierung basiert bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einem Spannungsvergleich bzw. einer Spannungsnivellierung der jeweiligen Zelle mit der an der Gleichspannungsleitung GL anliegenden Soll-Spannung Usoll. Die Symmetrierung der einzelnen Zellen C1 bis C5 kann kontinuierlich, zu bestimmten Zeitabschnitten oder bei bestimmten Betriebsbedingungen erfolgen. Beispielsweise ist es sinnvoll, die Symmetrierung während einer Ruhephase des Zellstapels Z, also wenn am Zellstapel Z kein Strom IM anliegt, vorzunehmen. Somit stellt nach erfolgten Abgleich, also im eingeschwungenen Zustand, die an der Gleichspannungsleitung GL anliegende Soll-Spannung Usoll im Idealfall die an der Zelle C2 anliegende Spannung UC2 dar.
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Die einzelnen Zellen C1 bis C5 werden nicht nur zum Zweck der Symmetrierung, sondern auch im Rahmen der Ladungserhaltung der einzelnen Zellen C1 bis C5 bzw. des gesamten Zellstapels Z geladen oder entladen. Zur Ladungserhaltung muss die an der Gleichspannungsleitung GL anliegende Soll-Spannung Usoll geregelt werden. Das Laden oder Entladen der einzelnen Zellen C1 bis C5 oder des Zellstapels Z ist ebenfalls über die Gleichspannungsleitung GL möglich. Dies kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen.
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Wahlweise wird die Diagnose der jeweiligen Zellen C1 bis C5 in den jeweiligen Zellengruppen-Logiken ZGL 2 bzw. ZGL23 oder in der Zentral-Logik ZL vorgenommen. Die Vorgehensweise wird anhand 3 näher erläutert. In der 3 ist ein beispielhafter Spannungsverlauf U und Stromverlauf I einer Zelle über die Zeit t während eines Ladevorgangs aufgetragen. Der Spannungsverlauf U ist mittels einer durchgehenden Linie, der Stromverlauf I ist mittels einer gestrichelten Linie dargestellt.
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Für eine geeignete Diagnose müssen der Innenwiderstand Ri und die Kapazität C der Zellen bzw. der Zellengruppen ermittelt werden, um anschließend durch eine geeignete Bewertung dieser Werte eine defekte Zelle und/oder einen gebrochenen Zellverbinder detektierten zu können.
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Zur Bestimmung des Innenwiderstands R
i der Zelle oder Zellengruppe wird die Spannung U der Zellgruppe unmittelbar vor und nach einem signifikanten Stromsprung während eines Lade- und/oder Entladevorgangs der Zellengruppe ermittelt. Als signifikanter Stromsprung wird ein Stromanstieg oder - abfall von beispielsweise mindestens 30% innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls angesehen. Gemäß der
3 wird somit zum Zeitpunkt t1 die Spannung
U1 und der Strom
I1, und zum Zeitpunkt t2 die Spannung
U2 und der Strom
I2 ermittelt. Die Berechnung des Innenwiderstands R
i erfolgt beispielsweise gemäß der bekannten Formel
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Zur Bestimmung der Kapazität C der Zelle oder Zellgruppe wird die Spannung U unmittelbar vor und nach einem Lade- und/oder Entladevorgang der Zellgruppe oder unmittelbar nach dem Beginn und nach dem Ende des Lade- und/oder Entladevorgangs der Zellengruppe ermittelt. Gemäß der
3 wird bei der ersten Alternative somit zum Zeitpunkt t1 die Spannung
U1 und der Strom
11, und zum Zeitpunkt t3 die Spannung
U3 und der Strom
I3 ermittelt. Die Berechnung der Kapazität erfolgt beispielsweise durch geeignetes Umformen und Ineinander-Einsetzen der Formeln
Die Kapazität C berechnet sich somit gemäß nachstehender Formel:
Vorteilhafter ist jedoch die Berechnung gemäß der zweiten Alternative. Hierzu wird gemäß der
3 zum Zeitpunkt t2 die Spannung
U2 und der Strom
12, und zum Zeitpunkt t3 die Spannung
U3 und der Strom
13 ermittelt. Die Kapazität C berechnet sich dann gemäß dieser Formel:
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Durch eine geeignete Bewertung des Innenwiderstands Ri und der Kapazität C der Zellen oder Zellengruppen im Verhältnis zum Innenwiderstand und der Kapazität der anderen Zellen oder Zellengruppen oder über die Zeit ist ein Erkennen eines möglichen Abdriftens des Innenwiderstands oder der Kapazität der Zellen oder Zellengruppen, oder auch das Erkennen eines gebrochenen Zellverbinders möglich.
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Eine sinnvolle Kombination zur Ladungserhaltung würde sich beispielsweise auch durch eine Verbindung der Gleichspannungsleitung mit einer weiteren elektrischen Energiequelle, beispielsweise einer Brennstoffzelle ergeben. Wird beispielsweise eine kontinuierliche Ladungserhaltung gewählt, reicht eine niedrige Spannung der Brennstoffzelle aus, um auf die hohe Spannung des Zellstapels zu gelangen. Dies würde wiederum die Kosten und den Aufwand des Gesamtsystems reduzieren.
