DE102008038860A1

DE102008038860A1 - Energiespeichermodul für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102008038860A1
Application number: DE102008038860A
Authority: DE
Inventors: Michael Wansner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-08-13
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2010-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul (1) mit einem Hauptspeichermodul (10) und einem Reservespeichermodul (20) und einer Auswerte- und Steuereinheit (40) zur Überwachung der Leistungsfähigkeit des Energiespeichermoduls. Erfindungsgemäß weist das Reservespeichermodul (20) mindestens eine Reserveenergiespeicherzelle (22) auf, und das Hauptspeichermodul (109 weist mindestens einen Strang mit mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen (12, 14, 16) auf, deren Zustand die Auswerte- und Steuereinheit (40) einzeln überwacht, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (40) eine als defekt erkannte Energiespeicherzelle (14) des Hauptspeichermoduls (10) durch eine Reserveenergiespeicherzelle (22) des Reservespeichermoduls (20) ersetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei modernen Energienetztopologien von Fahrzeugen werden verstärkt Energiespeichermodule, wie z. B. Li-Ionen-Batterien, und/oder Leistungsspeichermodule, wie z. B. Doppelschichtkondensatoren, eingesetzt. Diese werden zur Rekuperation von Bremsenergie, zur Stützung von Verbrauchern oder zur Elektrotraktion eingesetzt. Diese Module bestehen in der Regel aus mehreren Einzelzellen, welche seriell in Strängen angeordnet sind, wobei eine vorgegebene Anzahl von Strängen, beispielsweise zwei Stränge parallel geschaltet sind. Bei einer solchen Anordnung bestimmt die schwächste Zelle eines Stranges die Leistungsfähigkeit des gesamten Stranges und somit des Gesamtsystems.
In der Offenlegungsschrift DE 39 08 324 A1 wird eine Schaltungsanordnung zur Batteriepufferung eines Versorgungsstroms von elektrischen Baugruppen beschrieben. In der beschriebenen Schaltungsanordnung ist ein Komparator vorgesehen, welcher die Spannung einer Hauptbatterie mit einer Referenzspannung vergleicht und bei Unterschreiten einen Schaltzustand einnimmt, in welchem die elektrische Baugruppe von der Hauptbatterie getrennt und mit der Reservebatterie verbunden wird. Dieser Schaltzustand wird aufrechterhalten, bis der Komparator von einem durch den Austausch der Hauptbatterie bedingten Impuls zurückgesetzt wird.
In der Offenlegungsschrift DE 101 10 940 A1 wird ein Sicherheitsbatteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens zwei Batterieanordnungen beschrieben. Das beschriebene Sicherheitsbatteriesystem umfasst in einem gemeinsamen Batteriegehäuse eine erste Batterieanordnung mit mindestens einer Batteriezelle, eine zweite Batterieanordnung mit mindestens einer Batteriezelle, eine Schalteranordnung und eine die Schalteranordnung steuernde Steuereinheit, wobei die Steuereinheit die Schalteranordnung in Reaktion auf ein elektrisches Ereignis von einem ersten Batteriezustand in einen zweiten Batteriezustand umschaltet. Während des ersten Batteriezustands ist die erste Batterieanordnung so mit einem gemeinsam zugeordneten Plus-Anschluss und einem gemeinsam zugeordneten Minus-Anschluss des Sicherheitsbatteriesystems verbunden, dass die erste Batterieanordnung bei einem entsprechenden Ladezustand über den Plus-Anschluss und den Minusanschluss des Sicherheitsbatteriesystems geladen werden kann oder als Energiequelle verwendet werden kann. Die zweite Batterieanordnung ist während des ersten Batteriezustands so angeschlossen, dass sie nicht über den Plus-Anschluss und den Minus-Anschluss des Sicherheitsbatteriesystems entladen werden kann, aber bei einem entsprechenden Ladezustand über den Plus-Anschluss und den Minus_Anschluss des Sicherheitsbatteriesystems geladen werden kann. Während des zweiten Batteriezustands wird die zweite Batterieanordnungen so mit dem gemeinsam zugeordneten Plus-Anschluss und dem gemeinsam zugeordneten Minus-Anschluss des Sicherheitsbatteriesystems verbunden, dass die zweite Batterieanordnung als Energiequelle verwendet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Energiespeichermodul für ein Fahrzeug bereitzustellen, welches mit einer geringen Anzahl von Energiespeicherzellen die Leistungsfähigkeit des Speichermoduls erhält und einen sicheren Betrieb des Energiespeichermoduls ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellung eines Energiespeichermoduls für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß weist ein Reservespeichermodul eines Energiespeichermoduls mindestens eine Reserveenergiespeicherzelle auf, und das Hauptspeichermodul des Energiespeichermoduls weist mindestens einen Strang mit mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen auf, deren Zustände von einer Auswerte- und Steuereinheit einzeln überwacht werden, wobei die Auswerte- und Steuereinheit eine als defekt erkannte Energiespeicherzelle des Hauptspeichermoduls durch eine Reserveenergiespeicherzelle des Reservespeichermoduls ersetzt. Die mindestens eine Reserveenergiespeicherzelle ist im Nennbetrieb des Energiespeichermoduls passiv, d. h. sie wird nicht zyklisiert und unterliegt somit keiner Alterung. Bei Bedarf kann die neuwertige mindestens eine Reserveenergiespeicherzelle durch die Auswerte- und Steuereinheit einer defekten bzw. zu schwachen Energiespeicherzelle des Hauptspeichermoduls parallel geschaltet werden. Durch den Einsatz von einzelnen Reserveenergiespeicherzellen, welche gezielt als defekt erkannte Energiespeicherzellen des Hauptspeichermoduls ersetzen können, kann die Leistungsfähigkeit des Energiespeichermoduls erhalten werden, ohne alle Energiespeicherzellen eines Strangs des Hauptspeichermoduls durch ein entsprechend aufge bautes Reservespeichermodul zu ersetzen. Dies ist besonderes vorteilhaft, wenn das Hauptspeichermodul mehrere parallel geschaltete Stränge aufweist, welche jeweils eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen aufweisen. in diesen Strängen können bei Bedarf einzelne Energiespeicherzellen durch eine Reserveenergiespeicherzelle des Reservespeichermoduls ersetzt werden. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau kann die Einsatzdauer des Energiespeichermoduls in vorteilhafter Weise verlängert werden, so dass das Energiespeichermodul weniger häufig getauscht werden muss.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls erfasst die Auswerte- und Steuereinheit jeweils mindestens eine physikalische Größe, beispielsweise eine aktuelle Spannung oder einen aktuellen Stromfluss, der Energiespeicherzellen und vergleicht diese mit mindestens einem korrespondierenden Schwellwert. Die Auswerte- und Steuereinheit erkennt eine defekte Energiespeicherzelle, wenn der vorgegebene mindestens eine Schwellwert erreicht und/oder unterschritten wird.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls schaltet die Auswerte- und Steuereinheit die mindestens eine Reserveenergiespeicherzelle über eine Schaltereinheit parallel zu der als defekt erkannten Energiespeicherzelle des Hauptspeichermoduls. Die Schaltereinheit umfasst beispielsweise mehrere Schaltelemente, deren Anzahl von der Anzahl der Energiespeicherzellen und der Anzahl von Reserveenergiespeicherzellen abhängig ist. So ist beispielsweise jede Reserveenergiespeicherzelle jeweils über zwei Schaltelemente mit einer der Energiespeicherzellen des Hauptspeichermoduls verbindbar.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls für ein Fahrzeug.
Wie aus der einzigen Figur ersichtlich ist, umfasst ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Hauptspeichermodul 10, ein Reservespeichermodul 20, eine Auswerte- und Steuereinheit 40 und eine Schalteinheit 50. Das Hauptspeichermodul 10 umfasst einen Strang mit mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 12, 14, 16, deren Ladungszustände zur Erkennung eines so genannten State-of Health-Zustandes einzeln von der Auswerte- und Steuereinheit 40 überwacht werden. Die Auswerte- und Steuereinheit 40 erfasst beispielsweise eine aktuelle Zellenspannung, welche den augenblicklichen Ladungszustand der korrespondierenden Energiespeicherzelle 12, 14, 16 repräsentiert, und vergleicht die erfasste Spannung mit einem korrespondierenden Schwellwert bzw. einem Referenzspannungswert, Die Auswerte- und Steuereinheit 40 erkennt eine defekte Energiespeicherzelle, hier die Energiespeicherzelle 14, wenn der vorgegebene Schwellwert erreicht und/oder unterschritten ist. Die Auswerte- und Steuereinheit 40 ersetzt eine als defekt erkannte Energiespeicherzelle 14 des Hauptspeichermoduls 10 durch eine Reserveenergiespeicherzelle 22 des Reservespeichermoduls 20. Die Reserveenergiespeicherzelle 22 ist im Nennbetrieb des Energiespeichermoduls 1 passiv, d. h. sie wird nicht zyklisiert und unterliegt somit keiner Alterung.
Zur Erleichterung der Beschreibung umfasst das Hauptspeichermodul 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel nur einen Strang mit drei Energiespeicherzellen 12, 14, 16, und das Reservespeichermodul 20 umfasst nur eine Reserveenergiespeicherzelle 22. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. So kann das Hauptspeichermodul beispielsweise mehrere Stränge mit zwei oder mehr Energiespeicherzellen aufweisen, und das Reservespeichermodul kann mehr als eine Reserveenergiespeicherzelle aufweisen.
Die Schaltereinheit 50 umfasst mehrere Schaltelemente 51.1, 51.2, 52.1, 52.2, 53.1, 53.2, deren Anzahl von der Anzahl der Energiespeicherzellen 12, 14, 16 und der Reserveenergiespeicherzellen 22 abhängig ist, wobei jede Reserveenergiespeicherzelle 22 jeweils über zwei Schaltelemente 51.1, 51.2, 52.1, 52.2, 53.1, 53.2 mit einer der Energiespeicherzellen 12, 14, 16 verbindbar ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Reserveenergiespeicherzelle 22 über ein erstes Schaltelement 52.1 und ein zweites Schaltelement 52.2 parallel zu der als defekt erkannten Energiespeicherzelle 14 geschaltet, so dass die Reserveenergiespeicherzelle 22 die defekte Energiespeicherzelle 14 überbrückt. Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, kann die Reserveenergiespeicherzelle 22 des Reservespeichermodul 20 über ein drittes Schaltelement 51.1 und ein viertes Schaltelement 51.2 zur ersten Energiespeicherzelle 12 parallel geschaltet werden, wie durch die strichpunktierten Verbindungsleitungen angezeigt wird. Zudem kann die Reserveenergiespeicherzelle 22 des Reservespeichermodul 20 über ein fünftes Schaltelement 53.1 und ein sechstes Schaltelement 53.2 zur dritten Energiespeicherzelle 16 parallel geschaltet werden, wie durch die punktierten Verbindungsleitungen angezeigt wird. Die einzelnen Schaltelemente 51.1, 51.2, 52.1, 52.2, 53.1, 53.2 der Schalteinheit 50 können von der Auswerte- und Steuereinheit 40 in Abhängigkeit vom ermittelten Ladungszustand der Energiespeicherzellen 12, 14, 16 aktiviert werden, wie durch die gestrichelte Steuerungslinie dargestellte wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Energiespeichermoduls bleibt die Leistungsfähigkeit durch Einsatz der Reserveenergiespeicherzellen erhalten, wodurch die Einsatzdauer des Energiespeichermoduls in vorteilhafter Weise verlängert werden kann, und die Module weniger häufig getauscht werden müssen.

1: Energiespeichermodul
10: Hauptspeichermodul
12, 14, 16: Energiespeicherzelle
20: Reservespeichermodul
22: Reserveenergiespeicherzelle
40: Auswerte- und Steuereinheit
50: Schaltereinheit
51.1, 51.2: Schaltelement
52.1, 53.2: Schaltelement
53.1, 53.2: Schaltelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3908324 A1 [0003]
- DE 10110940 A1 [0004]

Claims

Energiespeichermodul mit einem Hauptspeichermodul (10) und einem Reservespeichermodul (20) und einer Auswerte- und Steuereinheit (40) zur Überwachung der Leistungsfähigkeit des Energiespeichermoduls (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Reservespeichermodul (20) mindestens eine Reserveenergiespeicherzelle (22) aufweist, und das Hauptspeichermodul (10) mindestens einen Strang mit mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen (12, 14, 16) aufweist, deren Zustände die Auswerte- und Steuereinheit (40) einzeln überwacht, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (40) eine als defekt erkannte Energiespeicherzelle (14) des Hauptspeichermoduls (10) durch eine Reserveenergiespeicherzelle (22) des Reservespeichermoduls (20) ersetzt.
Energiespeichermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (40) jeweils mindestens eine physikalische Größe der Energiespeicherzellen (12, 14, 16) erfasst und mit mindestens einem korrespondierenden Schwellwert vergleicht, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (40) eine defekte Energiespeicherzelle (14) erkennt, wenn der vorgegebene mindestens eine Schwellwert erreicht und/oder unterschritten ist.
Energiespeichermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (40) die mindestens eine Reserveenergiespeicherzelle (22) über eine Schaltereinheit (50) zu der als defekt erkannten Energiespeicherzelle (14) parallel schaltet.
Energiespeichermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltereinheit (50) mehrere Schaltelemente (51.1, 51.2, 52.1, 52.2, 53.1, 53.2) umfasst, deren Anzahl von der Anzahl der Energiespeicherzellen (12, 14, 16) und der Reserveenergiespeicherzellen (22) abhängig ist.
Energiespeichermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reserveenergiespeicherzelle (22) jeweils über zwei Schaltelemente (51.1, 51.2, 52.1, 52.2, 53.1, 53.2) mit einer der Energiespeicherzellen (12, 14, 16) verbindbar ist.