DE102009034596A1

DE102009034596A1 - Parallelschaltung von Energiespeichern mit schaltbarer Ausgleichszelle

Info

Publication number: DE102009034596A1
Application number: DE102009034596A
Authority: DE
Inventors: Björn Demitter; Hans-Georg Schweiger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2011-02-03

Abstract

Es wird ein System (100) zum Speichern von elektrischer Energie beschrieben. Das System (100) weist auf (a) eine erste Energiespeicheranordnung (110), welche zumindest zwei in Reihe geschaltete erste Energiespeicherzellen (111) aufweist, (b) eine zweite Energiespeicheranordnung (120), welche zumindest zwei in Reihe geschaltete zweite Energiespeicherzellen (121) aufweist und welche parallel zu der ersten Energiespeicheranordnung (110) geschaltet ist, (c) eine Ausgleichs-Energiespeicherzelle (131), und (d) eine Schalteinrichtung (140) zum optionalen Zuschalten der Ausgleichs-Energiespeicherzelle (131) zu der zweiten Energiespeicheranordnung (120), so dass ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Energiespeicheranordnungen (110, 120) minimierbar ist. Es wird ferner ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Energiespeichersystem (100) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Speicherung von elektrischer Energie. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein System zum Speichern von elektrischer Energie, welches zumindest zwei parallel geschaltete Energiespeicheranordnungen umfasst, die jeweils eine Mehrzahl von in Serie geschalteten einzelnen Energiespeicherzellen aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen System zum Speichern von elektrischer Energie.
Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug bezeichnet man Kraftfahrzeuge, die ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen bestehen allgemein aus einer Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einem Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einem elektrochemischen Energiespeicher und einer elektrischen Maschine für den Antrieb.
Die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie und Bordnetzversorgung.
Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine elektronische Schaltung, welche allgemein als HybridController bezeichnet wird. Der HybridController regelt unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll.
Die Energieentnahme aus einer Brennstoffzelle oder aus einem Energiespeicher dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Energiespeichers bzw. zur Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie d. h. dem regenerativen Bremsen.
Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit.
Als Energielieferanten und Energiespeicher für Elektrofahrzeuganwendungen lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, NickelMetallhydrid- oder Lithium-Ionen Zellen nutzen.
Aufgrund von Herstellungstoleranzen weisen die Zellen eines Energiespeichers leichte Unterschiede in ihren Parametern wie beispielsweise ihrer Kapazität, ihrem Innenwiderstand und ihrer Selbstentladung auf. Diese Unterschiede nehmen typischerweise im Laufe der Lebensdauer des Energiespeichers durch unterschiedliche Alterung der einzelnen Zellen unsystematisch zu. Aufgrund der Tatsache, dass die Leistungsfähigkeit eines Energiespeichers jedoch durch die schwächste Zelle des Zellverbundes des Energiespeichers bestimmt wird, sollte die Alterung der einzelnen Zellen zum einen möglichst gering sein und zum anderen möglichst gleichmäßig erfolgen.
Da die Alterung einer Energiespeicherzelle im Wesentlichen durch die Temperatur, den Ladezustand und den Ladungsdurchsatz bestimmt wird, kann eine unterschiedliche Alterung dadurch reduziert werden, dass diese Bedingungen für alle Energiespeicherzellen möglichst gleich eingestellt werden. Durch ein entsprechend dimensioniertes Kühlsystem lässt sich die unterschiedliche Alterung durch Temperaturunterschiede vermeiden. Besteht ein Energiespeicher nur aus einem Strang aus in Reihe geschalteten Zellen, so ist hier prinzipbedingt die Alterung durch den Ladungsdurchsatz für alle Zellen gleich. Unterschiede in den Alterungsraten durch Unterschiede der Ladungszustände der einzelnen Energiespeicherzellen können bei Energiespeichern, die nur aus in Reihe geschalteten Zellen bestehen, durch einen Ladungsausgleich zwischen den Zellen, der so genannten Symmetrierung, ausgeglichen werden.
Die Leistungssteigerung eines Energiespeichers erfolgt gemäß dem Stand der Technik entweder durch die Erhöhung der Anzahl der Einzelzellen oder durch eine Vergrößerung der einzelnen Zellen. Dies kann beispielsweise durch eine Kapazitätserhöhung und/oder durch eine Reduzierung des Innenwiderstandes erfolgen. Aufgrund von technischen Gründen (Verfügbarkeit von Leistungsschalter(n), Funkenlöschstrecke) und sicherheitstechnischen Gründen (Niederspannungsrichtlinie) wird für Energiespeicher, die in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, meist eine Spannung von kleiner als 1000 V gewählt. Die Verwendung von unterschiedlich großen Energiespeicherzellen würde zu einer hohen Variantenvielfalt auf Zellebene führen, wodurch hohe Kosten entstehen würden.
Um für Nischenanwendungen hohe Energiespeicherleistungen wirtschaftlich darstellen zu können, bietet es sich an, mehrere Zellen parallel zu schalten. Die Parallelschaltung kann beispielsweise auf Zellebene geschehen, d. h. es werden mehrere Einzelspeicherzellen zu Bi-, Tri- oder Quadpacks zusammen geschaltet. Die Parallelschaltung kann aber auch auf Systemebene des Energiespeichers geschehen. Hier werden ganze Energiespeichermodule, bestehend aus in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen, parallel geschaltet. Für Nischenabwendung hätte dies einen erheblichen Vorteil, da auf Energiespeichermodule aus Anwendungen mit großen Stückzahlen zurückgegriffen werden könnte, wodurch sich erhebliche synergetische Effekte ergeben. Aufgrund der oben genannten Unterschiede bezgl. der Parameter der Einzelzellen kann kommt es allerdings häufig zu hohen unerwünschten Ausgleichsströmen, wenn mehreren Energiespeicher parallel verschaltet werden. Daraus folgt typischerweise eine ungleichmäßig erhöhte Alterung der einzelnen Energiespeicherzellen sowie eine Leistungsreduzierung der parallel verschalteten Energiespeichermodule.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zum Speichern von elektrischer Energie zu schaffen, welches trotz einer hohen Speicherleistung eine gleichmäßige und möglichst geringe Alterung der einzelnen Energiespeicherzellen aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein System zum Speichern von elektrischer Energie beschrieben. Das beschriebene Energiespeichersystem weist auf (a) eine erste Energiespeicheranordnung, welche zumindest zwei in Reihe geschaltete erste Energiespeicherzellen aufweist, (b) eine zweite Energiespeicheranordnung, welche zumindest zwei in Reihe geschaltete zweite Energiespeicherzellen aufweist und welche parallel zu der ersten Energiespeicheranordnung geschaltet ist, (c) eine Ausgleichs-Energiespeicherzelle, und (d) eine Schalteinrichtung zum optionalen Zuschalten der Ausgleichs-Energiespeicherzelle zu der zweiten Energiespeicheranordnung, so dass ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Energiespeicheranordnungen minimierbar ist.
Dem beschriebenen Energiespeichersystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch ein bedarfsweises Zuschalten einer Ausgleichs-Energiespeicherzelle zu einer der beiden Energiespeicheranordnungen unerwünschte Ausgleichsströme zwischen den beiden Energiespeicheranordnungen auf effektive Weise vermieden werden können. Dabei kann durch eine externe Ansteuerung der Ausgleichs-Energiespeicherzelle die Spannung einer Energiespeicheranordnung bzw. eines Zellstrangs in gewissen Grenzen eingestellt werden. Somit können verschiedene Energiespeicheranordnungen, welche jeweils mehrere in Serie geschaltete Einzel-Energiespeicherzellen aufweisen, zum Zwecke der Leistungserhöhung des Energiespeichersystems parallel geschalten werden, wobei auf einfache Weise die oben genannten Nachteile vermieden werden.
Zu den in Reihe geschalteten einzelnen Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeicheranordnung kann somit bei Bedarf eine oder mehrere weitere Ausgleichs-Energiespeicherzellen schaltbar hinzugefügt werden. Diese Ausgleichs-Energiespeicherzelle(n) dient (dienen) dazu Spannungsunterschiede zwischen den einzelnen Energiespeicheranordnungen auszugleichen. Sind die Spannungsunterschiede komplett ausgeglichen, so ergeben sich auch keine Ausgleichsströme.
In anderen Worten, durch die schaltbare(n) Ausgleichs-Energiespeicherzelle(n) wird der Spannungsunterschied zwischen den einzelnen Energiespeicheranordnungen bzw. Zellsträngen von in Reihe geschalteten Zellen ausgeglichen. Dadurch werden die Ausgleichströme reduziert, die sonst zwischen den beiden Energiespeicheranordnungen bzw. Zellsträngen fließen. Auf diese Weise ergibt sich eine Erhöhung der nutzbaren Leistung, des nutzbaren Energieinhalts und der Lebensdauer des beschriebenen Energiespeichersystems, welches eine Parallelverschaltung von einzelnen Energiespeicheranordnungen bzw. Zellsträngen aufweist. Dies wird durch die gleichmäßige Leistungsverteilung auf die beiden Energiespeicheranordnungen ermöglicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die ersten Energiespeicherzellen, die zweiten Energiespeicherzellen und die Ausgleichs-Energiespeicherzelle gleiche Klemmspannungen auf.
Das ganze Energiespeichersystem kann damit auf vorteilhafte Weise aus gleichartigen Einzel-Energiespeicherzellen aufgebaut werden. Dies gilt nicht nur für die ersten und die zweiten Energiespeicherzellen sondern auch für die Ausgleichs-Energiespeicherzelle.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Ausgleichs-Energiespeicherzelle im Vergleich zu den ersten Energiespeicherzellen und/oder zu den zweiten Energiespeicherzellen eine unterschiedliche Klemmspannung auf. Dies bedeutet, dass für die Ausgleichs-Energiespeicherzelle auch andere Zelltypen als die ersten bzw. die zweiten Energiespeicherzellen verwendet werden können. Dadurch erhöht sich auf vorteilhafte Weise die Design-Flexibilität für die Realisierung eines für die jeweilige Anwendung optimal geeigneten Energiespeichersystems.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Ausgleichs-Energiespeicherzelle einen Kondensator und insbesondere einen Doppelschicht-Kondensator auf. Dies hat den Vorteil, dass ein Doppelschicht-Kondensator unempfindlich bezüglich seiner Anschlusspolung ist und damit auch umgepolt verwendet werden kann.
Im Vergleich zu anderen Kondensatoren weisen Doppelschicht-Kondensatoren, welche den beteiligten Fachkreisen auch unter den Begriffen bzw. Markennamen Goldcaps, Supercaps, Boostcaps oder Ultracaps geläufig sind, eine deutlich größere Kapazität auf. Die hohe Kapazität dieser Kondensatoren und damit die Möglichkeit der effektiven elektrostatischen Energiespeicherung beruht auf (a) einer großen Elektrodenfläche und (b) der Dissoziation von Ionen in einem flüssigen Elektrolyt, welches typischerweise ein Dielektrikum mit einer Dicke von nur wenigen Atomlagen bildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Ausgleichs-Energiespeicherzelle im zugeschalteten Zustand in Reihe zu den zumindest zwei zweiten Energiespeicherzellen geschalten.
Durch eine Zuschaltung der Ausgleichszelle in Reihe zu dem Zellstrang der zweiten Energiespeicheranordnung erfolgt somit eine Spannungsanpassung in Schritten der Einzelzellspannung der Ausgleichs-Energiespeicherzelle.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Ausgleichs-Energiespeicherzelle im zugeschalteten Zustand parallel zu zumindest einer der beiden zweiten Energiespeicherzellen geschalten.
Durch eine parallele Schaltung der Ausgleichs-Energiespeicherzelle zu einer Einzel-Energiespeicherzelle der zweiten Energiespeicheranordnung bzw. des zweiten Zellstrangs kann eine besonders feine Einstellung der Spannung der zweiten Energiespeicheranordnung erfolgen. Die Spannungsanpassung kann hierbei insbesondere durch die Vergrößerung der Kapazität an der betreffenden Stelle im zweiten Zellstrang erfolgen, wodurch sich eine deutlich langsamere Veränderung der Klemmspannung des gesamten zweiten Zellstrangs im Vergleich zu der Strangspannung des ersten Zellstrang ergibt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Ausgleichs-Energiespeicherzelle alternativ zu der ersten Energiespeicheranordnung zuschaltbar. Dies bedeutet, dass die Ausgleichs-Energiespeicherzelle zwischen den beiden Energiespeicheranordnungen hin und her geschaltet werden kann. In einem ersten Zuschaltzustand ist die Ausgleichs-Energiespeicherzelle der ersten Energiespeicheranordnung und in einem zweiten Zuschaltzustand ist die Ausgleichs-Energiespeicherzelle der zweiten Energiespeicheranordnung zugeschaltet.
Die optionale Zuschaltung der Ausgleichs-Energiespeicherzelle zu einer der beiden Energiespeicheranordnungen hat den Vorteil, dass unter Verwendung lediglich einer Ausgleichs-Energiespeicherzelle sowohl ein Abfall einer ersten Klemmspannung der ersten Energiespeicheranordnung gegenüber einer zweiten Klemmspannung der zweiten Energiespeicheranordnung als auch der umgekehrte Fall, d. h. ein Abfall der zweiten Klemmspannung gegenüber der ersten Klemmspannung, zumindest teilweise kompensiert werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die ersten Energiespeicherzellen, die zweiten Energiespeicherzellen und/oder die Ausgleichs-Energiespeicherzelle ein elektrochemischer Energiespeicher und/oder ein elektrostatischer Energiespeicher.
Der elektrochemische Energiespeicher kann ein beliebiger Akku wie beispielsweise eine Nickel-Metallhydrid-Zelle oder ein Lithium-Ionen-Energiespeicher sein. Der elektrostatische Energiespeicher kann beispielsweise ein Doppelschichtkondensator sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Schalteinrichtung ein oder mehrere Schaltelemente auf. Dabei genügt in der Regel ein einzelnes Schaltelement, um die oben beschriebene Parallelschaltung zwischen dem Ausgleichs-Schaltelement und zumindest einer der zweiten Energiespeicherzellen zu realisieren. Für eine zuverlässige Realisierung der oben ebenfalls beschriebenen Serien- bzw. Reihenschaltung des Ausgleichs-Schaltelements mit den beiden zweiten Energiespeicherzellen können bevorzugt zwei Schaltelemente verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Schaltelement (a) ein Transistor, insbesondere ein Metall Oxid Semiconductor Feldeffekttransistor oder ein Insulated Gate Bipolar Transistor, (b) ein Schütz und/oder (c) ein Relais.
Für das bedarfsweise Zuschalten der Ausgleichs-Energiespeicherzelle können somit herkömmliche Schaltelemente verwendet werden, so dass das beschriebene Energiespeichersystem mit herkömmlichen Elektronikkomponenten aufgebaut werden kann. Da das Schaltelement im Vergleich zu der Spannung des gesamten Systems nur vergleichsweise kleine Spannungen schalten muss, werden an das Schaltelement nur geringe Anforderungen hinsichtlich seiner Spannungsfestigkeit und seiner Lichtbogenfestigkeit gestellt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das System zusätzlich auf (a) eine weitere Ausgleichs-Energiespeicherzelle und (b) eine weitere Schalteinrichtung zum optionalen Zuschalten der weiteren Ausgleichs-Energiespeicherzelle zu der ersten Energiespeicheranordnung. Dies bedeutet, dass sowohl der ersten als auch der zweiten Energiespeicheranordnung bei Bedarf jeweils eine Ausgleichs-Energiespeicherzelle zuschaltbar ist. Dadurch kann das beschriebene System unmittelbar nach Erreichen eines in Bezug auf die Klemmspannungen der beiden Energiespeicheranordnungen asymmetrischen Zustands durch eine geeignete externe Ansteuerung der Schalteinrichtung und/oder der weiteren Schalteinrichtung in einen Zustand gebracht werden, bei dem die Klemmspannungen der beiden Energiespeicheranordnungen zumindest einander angeglichen sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das System zusätzlich zumindest eine dritte Energiespeicheranordnung auf, welche zumindest zwei in Reihe geschaltete dritte Energiespeicherzellen aufweist und welche parallel zu der ersten Energiespeicheranordnung und zu der zweiten Energiespeicheranordnung geschalten ist.
Auch der dritten Energiespeicheranordnung kann bei Bedarf eine Ausgleichs-Energiespeicherzelle zugeschalten werden, wobei auch hier das Zuschalten parallel oder seriell zu zumindest einer der dritten Energiespeicherzelle erfolgt.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausgleichs-Energiespeicherzellen sowohl an einzelnen Energiespeicheranordnungen bzw. Zellsträngen als auch an allen Energiespeicheranordnungen bzw. Zellsträngen des beschriebenen Energiespeichersystems angebracht werden können, so dass sie bei Bedarf durch eine geeignete externe Ansteuerung von Schalteinheiten zugeschaltet werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem oben beschriebenen System zum Speichern von elektrischer Energie geschaffen.
Dem beschriebenen Kraftfahrzeug liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das oben genannte System zu Speichen von elektrischer Energie zur Energieversorgung auch im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik verwendet werden kann. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein. Im Falle eines reinen Elektrofahrzeugs weist das Kraftfahrzeug lediglich einen Elektromotor auf, welcher von dem Energiespeichersystem mit Energie versorgt wird. Das Energiespeichersystem kann optional auch während des Betriebs des Elektrofahrzeugs aufgeladen werden, in dem beispielsweise die bei einem Bremsvorgang freiwerdende Bewegungsenergie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt und in das Energiespeichersystem eingespeist wird.
Sollte es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Hybridfahrzeug handeln, dann weist das Kraftfahrzeug neben einen Elektromotor auch noch einen Verbrennungsmotor auf. Auch hier kann während des Betriebs ggf. elektrische Energie in den Energiespeicher eingespeist werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass das oben beschriebene System zum Speichern von elektrischer Energie auch außerhalb der Kraftfahrzeugtechnik verwendet werden kann. Das oben beschriebene Energiespeichersystem ist vielmehr für beliebige stationäre Anwendungen wie beispielseise stationäre Energiespeicher oder auch beliebige andere portable Anwendungen verwendbar.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
1 zeigt ein Energiespeichersystem mit zwei parallel verschalteten seriellen Zellsträngen und einer Ausgleichs-Energiespeicherzelle, die in Reihe mit einem der beiden Zellstränge schaltbar ist.
2 zeigt ein Energiespeichersystem mit zwei parallel verschalteten seriellen Zellsträngen und einer Ausgleichs-Energiespeicherzelle, die parallel zu einer Zelle eines Zellstrangs schaltbar ist.
3 zeigt ein Energiespeichersystem mit zwei parallel verschalteten seriellen Zellsträngen und einer Ausgleichs-Energiespeicherzelle, die parallel zu jeweils einer Zelle eines jeden Zellstrangs schaltbar ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit anderen Bezugszeichen versehen sind, welche sich lediglich in der ersten Ziffer und/oder durch einen angehängten Buchstaben von dem Bezugszeichen einer entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
1 zeigt ein Energiespeichersystem 100, welches zwei parallel verschaltete Energiespeicheranordnungen, eine erste Energiespeicheranordnung 110 und eine zweite Energiespeicheranordnung 120 aufweist. Die beiden Energiespeicheranordnungen weisen jeweils eine Mehrzahl von seriell geschalteten Energiespeicherzellen auf. Erste Energiespeicherzellen der ersten Energiespeicheranordnung 110 sind jeweils mit dem Bezugszeichen 111 versehen. Zweite Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeicheranordnung 120 sind jeweils mit dem Bezugszeichen 121 versehen. Die Energiespeicheranordnungen 110, 120 werden nachfolgend auch jeweils als Zellstrang bezeichnet.
Das Energiespeichersystem 100 weist ferner einen ersten Anschlusskontakt 102 und einen zweiten Anschlusskontakt 104 auf. Wie aus 1 ersichtlich, stellt gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der erste Anschlusskontakt 102 den positiven Anschlusskontakt und der zweite Anschlusskontakt 104 den negativen Anschlusskontakt des Energiespeichersystems 100 dar.
Das Energiespeichersystem 100 weist außerdem eine Ausgleichs-Energiespeicherzelle 131 auf, welche bei Bedarf dem zweiten Zellstrang 120 zugeschaltet werden kann. Wie aus 1 ersichtlich, wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Ausgleichs-Energiespeicherzelle 131 in Serie zu den zweiten Energiespeicherzellen 121 geschalten.
Das Zuschalten erfolgt durch eine Betätigung einer Schalteinrichtung 140. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Schalteinrichtung 140 zwei Schaltelemente, ein erstes Schaltelement 141 und ein zweites Schaltelement 142 auf. Mittels eines Steuerelements 145 kann sichergestellt werden, dass die beiden Schaltelemente 141 und 142 gleichzeitig geschalten werden.
Der Bedarf des Zuschaltens der Ausgleichs-Energiespeicherzelle 131 ist beispielsweise dann gegeben, wenn die Klemmspannung des zweiten Zellstrangs 120 gegenüber der Klemmspannung des ersten Zellstrangs 110 um eine gewisse Mindestspannungsdifferenz abgefallen ist. Die über dieser Mindestspannungsdifferenz liegende tatsächliche Spannungsdifferenz kann also durch die Klemmspannung der Ausgleichs-Energiespeicherzelle 131 zumindest teilweise kompensiert werden. Dadurch können unerwünschte Ausgleichsströme zwischen den beiden Energiespeicheranordnungen bzw. Zellsträngen 110 und 120 zumindest erheblich reduziert werden.
Bei dem in 1 dargestellten Energiespeichersystem 100 wird also bei Bedarf die Ausgleichs-Energiespeicherzelle 131 zusätzlich in Reihe in den zweiten Zellstrang 120 geschaltet. Dadurch erhöht sich die Spannungslage in dem zweiten Zellstrang 120 um eine Zellspannung der Ausgleichs-Energiespeicherzelle 131.
Durch diese Spannungserhöhung kann jedoch bei einem kurzen zweiten Zellstrang 120 nur eine grobe Anpassung der beiden Zellstrangspannungen erreicht werden. Dies relativiert sich, wenn eine große Anzahl von Energiespeicherzellen in Reihe geschaltet wird, wie dies bei typischen Vollhybridspeichern mit beispielsweise 100 Energiespeicherzellen der Fall ist. Es können in diesem Fall Toleranzen im Bereich von 1% ausgeglichen werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch mehrere Ausgleichs-Energiespeicherzellen schaltbar in Reihe geschaltet werden können. Dadurch kann sich eine abgestufte Spannungsanpassung zwischen den einzelnen Zellsträngen ergeben.
2 zeigt ein Energiespeichersystem 200 mit zwei parallel verschalteten seriellen Zellsträngen 110 und 120 und einer Ausgleichs-Energiespeicherzelle 231, die parallel zu einer Zelle 121 des zweiten Zellstrangs 120 schaltbar ist.
Das Zuschalten erfolgt hier mittels einer Schalteinrichtung 240, welche lediglich ein Schaltelement 241 aufweist. Das Schaltelement 241 kann mittels eines elektronischen Steuerelements 245 betätigt werden.
Im Gegensatz zum dem in 1 dargestellten Energiespeichersystem 100 wird hier die Ausgleichs-Energiespeicherzelle 231 bei Bedarf parallel zu einer zweiten Energiespeicherzelle 121 geschaltet. Dadurch ergibt sich eine sehr feine Anpassung der beiden Strangspannungen, da sich die Klemmspannung eines Verbundes zweier parallel verschalteter Energiespeicherzellen aufgrund der erhöhten Kapazität langsamer ändert als die Klemmspannung einer einzelnen Energiespeicherzelle.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch hier mehrerer Zellen als Ausgleichs-Energiespeicherzelle verwendet werden können. Dadurch ergibt sich auch hier eine Erhöhung des Hebels zum Ausgleich der beiden Klemmspannungen der beiden Zellstränge 110 und 120.
3 zeigt ein Energiespeichersystem 300 mit zwei parallel verschalteten seriellen Zellsträngen 110, 120 und einer Ausgleichs-Energiespeicherzelle 331, die parallel zu jeweils einer Zelle eines jeden Zellstrangs 110, 120 schaltbar ist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Zuschalten mittels einer Schalteinrichtung 340, welche ein Schaltelement 341 und ein Steuerelement 345 zum Betätigen des Schaltelements 341 aufweist.
Das in 3 dargestellte Energiespeichersystem 300 entspricht weitgehend dem in 2 dargestellten Energiespeichersystem 200. Der Unterschied zwischen den beiden Energiespeichersystemen 200 und 300 besteht darin, dass hier die Ausgleichs-Energiespeicherzelle 341 variabel einer der beiden Endzellen 111 bzw. 121 eines jeden Zellstrangs 110 bzw. 120 parallel zugeschaltet werden kann. Dadurch ergibt sich eine Erweiterung der Ausgleichsmöglichkeiten zwischen den Klemmspannungen der beiden Zellstränge 110 und 120.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch eine Kombination der hier dargestellten Beispiele möglich ist. Darüber hinaus können alle in diesem Dokument präsentierten Ausführungsbeispiele mit mehreren Energiespeicheranordnungen ausgeführt werden. Ferner kann die Ausgleichs-Energiespeicherzelle an beliebigen Positionen innerhalb eines Zellstanges und nicht nur lediglich am Ende eines Zellstrangs geschalten werden.

Claims

System zum Speichern von elektrischer Energie, das System (100, 200, 300) aufweisend • eine erste Energiespeicheranordnung (110), welche zumindest zwei in Reihe geschaltete erste Energiespeicherzellen (111) aufweist, • eine zweite Energiespeicheranordnung (120), welche zumindest zwei in Reihe geschaltete zweite Energiespeicherzellen (121) aufweist und welche parallel zu der ersten Energiespeicheranordnung (110) geschaltet ist, • eine Ausgleichs-Energiespeicherzelle (131, 231, 331), und • eine Schalteinrichtung (140, 240, 340) zum optionalen Zuschalten der Ausgleichs-Energiespeicherzelle (131, 231, 331) zu der zweiten Energiespeicheranordnung (120), so dass ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Energiespeicheranordnungen (110, 120) minimierbar ist.
System nach Anspruch 1, wobei die ersten Energiespeicherzellen (111), die zweiten Energiespeicherzellen (121) und die Ausgleichs-Energiespeicherzelle (131, 231, 331) gleiche Klemmspannungen aufweisen.
System nach Anspruch 1, wobei die Ausgleichs-Energiespeicherzelle (131, 231, 331) im Vergleich zu den ersten Energiespeicherzellen (111) und/oder zu den zweiten Energiespeicherzellen (121) unterschiedliche Klemmspannungen aufweist.
System nach dem vorgehenden Anspruch, wobei die Ausgleichs-Energiespeicherzelle (131, 231, 331) einen Kondensator und insbesondere einen Doppelschicht-Kondensator aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ausgleichs-Energiespeicherzelle (131) im zugeschalteten Zustand in Reihe zu den zumindest zwei zweiten Energiespeicherzellen (121) geschalten ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ausgleichs-Energiespeicherzelle (231, 331) im zugeschalteten Zustand parallel zu zumindest einer der beiden zweiten Energiespeicherzellen (121) geschalten ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Ausgleichs-Energiespeicherzelle (331) alternativ zu der ersten Energiespeicheranordnung (110) zuschaltbar ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten Energiespeicherzellen (111), die zweiten Energiespeicherzellen (121) und/oder die Ausgleichs-Energiespeicherzelle (131, 231, 331) – ein elektrochemischer Energiespeicher und/oder – ein elektrostatischer Energiespeicher. sind.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schalteinrichtung (140, 240, 340) ein Schaltelement (241, 341) oder mehrere Schaltelemente (141, 142) aufweist.
System nach dem vorgehenden Anspruch, wobei das Schaltelement (141, 142, 241, 341) (a) ein Transistor, insbesondere ein Metall Oxid Semiconductor Feldeffekttransistor oder ein Insulated Gate Bipolar Transistor, (b) ein Schutz und/oder (c) ein Relais ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, zusätzlich aufweisend • eine weitere Ausgleichs-Energiespeicherzelle und • eine weitere Schalteinrichtung zum optionalen Zuschalten der weiteren Ausgleichs-Energiespeicherzelle zu der ersten Energiespeicheranordnung.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, zusätzlich aufweisend • zumindest eine dritte Energiespeicheranordnung, welche zumindest zwei in Reihe geschaltete dritte Energiespeicherzellen aufweist und welche parallel zu der ersten Energiespeicheranordnung und zu der zweiten Energiespeicheranordnung geschalten ist.
Kraftfahrzeug mit • einem System (100, 200, 300) nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Speichern von elektrischer Energie.