DE102010011942A1

DE102010011942A1 - System zur Speicherung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102010011942A1
Application number: DE102010011942A
Authority: DE
Inventors: Conrad Rössel
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-09-22
Also published as: WO2011113580A2; EP2548280A2; CN102812613A; US20130038296A1; WO2011113580A3; CA2792810A1; KR20130053387A; RU2012139841A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung elektrischer Energie, umfassend
– eine erste und eine zweite Speicherzelle, wobei
– jede Speicherzelle eine Betriebsspannung aufweist,
– eine Vorrichtung zur Reduzierung des Energiegehalts einer Speicherzelle bei Überschreiten oder Erreichen einer Schwellenspannung vorgesehen ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, einen Parameter der ersten und/oder zweiten Speicherzelle zu erfassen, einen Alterungszustand der Speicherzelle zu erkennen und die Schwellenspannung der ersten und/oder der zweiten Speicherzelle zu verändern.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung elektrischer Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines zur Speicherung von elektrischer Energie ausgelegten Systems.
Systeme zur Speicherung elektrischer Energie, und hier insbesondere zur Speicherung elektrischer Traktionsenergie in Elektrofahrzeugen oder insbesondere in Hybridfahrzeugen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise umfassen solche Systeme zur Speicherung elektrischer Energie einzelne Speicherzellen, welche beispielsweise in Reihe und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind.
Grundsätzlich sind als Speicherzellen dabei verschiedenartige Akkumulatorzellen oder Kondensatorzellen denkbar. Aufgrund der vergleichsweise hohen Energiemengen und insbesondere der hohen Leistungen, die bei der Speicherung und Entnahme von Energie bei der Anwendung in Antriebssträngen von Fahrzeugen und hier insbesondere von Nutzfahrzeugen auftreten, werden als Speicherzellen bevorzugt solche mit einem ausreichenden Energieinhalt und hoher Leistung eingesetzt. Dabei können beispielsweise Akkumulatorzellen in Lithium-Ionen-Technologie oder insbesondere Speicherzellen in Form sehr leistungsstarker Doppelschicht-Kondensatoren zum Einsatz gelangen. Diese Kondensatoren werden in der Fachwelt auch als Superkondensatoren, Super-Caps oder Ultra-Capacitors bezeichnet.
Unabhängig davon, ob nun Superkondensatoren oder Akkumulatorzellen herkömmlicher Art mit hohem Energieinhalt eingesetzt werden, ist bei derartigen Systemen, die aus einer Vielzahl von Speicherzellen bestehen, die insgesamt oder auch in Blöcken in Reihe zueinander verschaltet sein können, die Spannung der einzelnen Speicherzelle bauartbedingt auf einen oberen Spannungswert beziehungsweise eine Schwellenspannung begrenzt. Wird diese Schwellenspannung beispielsweise beim Laden des Systems zur Speicherung elektrischer Energie überschritten, reduziert sich die Lebensdauer der Speicherzelle im Allgemeinen drastisch.
Aufgrund vorgegebener Fertigungstoleranzen bei der Herstellung weichen die einzelnen Speicherzellen in der Praxis geringfügig voneinander ab (z. B. unterschiedliche Selbstentladungen). Dies hat zur Folge, dass sich im Betrieb für einzelne Speicherzellen eine etwas geringere Schwellenspannung als für andere Speicherzellen in dem System ergeben kann. Da die maximale Spannung für das gesamte System im Allgemeinen jedoch gleich ist und die maximale Gesamtspannung insbesondere beim Laden das typische Ansteuerungskriterium darstellt, führt dies unweigerlich dazu, dass andere Speicherzellen, die mit den Speicherzellen mit niedrigerer Schwellenspannung in Reihe geschaltet sind, eine etwas höhere Spannung aufweisen und bei Ladevorgängen dann über die erlaubte individuelle maximale Schwellenspannung hinausgeladen werden. Eine solche Überspannung führt zu einer erheblichen Reduzierung der möglichen Lebensdauer der einzelnen Speicherzellen und damit auch des gesamten Systems zur Speicherung elektrischer Energie.
Um dieser Problematik zu begegnen, kennt der allgemeine Stand der Technik im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von sogenannten Zellspannungsausgleichen. Die im Allgemeinen übliche Terminologie des „Zellspannungsausgleichs” ist hier irreführend, da hier nicht Spannungen oder genauer gesagt Energieinhalte der einzelnen Speicherzellen untereinander ausgeglichen werden, sondern die Zellen mit hohen Spannungen in ihren zu hohen Spannungen reduziert werden. Da die Gesamtspannung des Systems zur Speicherung elektrischer Energie konstant bleibt, kann über diesen sogenannten Zellspannungsausgleich eine in ihrer Spannung abgesenkte Zelle im Laufe der Zeit wieder in ihrer Spannung erhöht werden, sodass die Gefahr des Umpolens vermieden wird.
Neben einem passiven Zellspannungsausgleich, bei dem ein elektrischer Widerstand parallel zu jeder einzelnen Speicherzelle geschaltet ist und somit eine ständige unerwünschte Entladung und auch eine Erwärmung des Systems stattfindet, wird auch ein aktiver Zellspannungsausgleich eingesetzt. Dabei wird zusätzlich zu dem jeder einzelnen Speicherzelle parallel geschalteten Widerstand ein elektrischer Schwellwertschalter parallel zu der Speicherzelle und in Reihe zu dem Widerstand geschaltet. Dieser auch als Bypass-Elektronik bezeichnete Aufbau lässt aber immer nur dann einen Strom fließen, wenn die Betriebsspannung der Zelle oberhalb einer vorgegebenen Schwellenspannung liegt. Sobald die Spannung der einzelnen Speicherzelle wieder in einen Bereich unterhalb der vorgegebenen Schwellenspannung fällt, wird der Schalter geöffnet und es fließt kein Strom mehr. Aufgrund der Tatsache, dass der elektrische Widerstand über den Schalter immer dann außer Kraft gesetzt wird, wenn die Spannung der einzelnen Speicherzellen unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts ist, kann auch eine unerwünschte Entladung des gesamten Systems weitgehend vermieden werden. Auch eine ständige unerwünschte Wärmeentwicklung ist bei diesem Lösungsansatz des aktiven Zellspannungsausgleichs kein Problem.
Wird ein derartiges System beispielsweise in einem zyklischen Betrieb, wie er typischerweise bei Hybridfahrzeugen auftritt, eingesetzt, kann es vorkommen, dass die Schwellspannung nur sehr kurzzeitig erreicht wird, unter Umständen auch für längere Zeit nicht. Dies kann beispielsweise dann auftreten, wenn bei einer starken Energieentnahme aus dem Speicher wie etwa bei einem starken Boost-Betrieb gleichzeitig kaum Energie-Rekuperation stattfindet und der Speicher somit nicht mehr vollständig gefüllt wird.
Weitere Probleme ergeben sich bei der praktischen Realisierung von derartigen Energiespeichersystemen. Bei geeigneter Anordnung einzelner Speicherzellen zu einem gesamten System herrschen naturgemäß für verschiedene Zellen unterschiedlich wirksame Kühlungsmöglichkeiten. Beispielsweise erreicht bestimmte Zellen Kühlluft, die bereits durch stromaufwärts liegende Speicherzellen erwärmt worden ist. Des Weiteren existiert bauartbedingt für einzelne Speicherzellen eine Randlage, die thermisch begünstigt oder benachteiligt sein kann. Da regelmäßig mehrere Speicherzellen in Reihe geschaltet sind, führen diese in Reihe geschalteten Zellen denselben Strom und erzeugen damit auch weitgehend vergleichbare Verlustwärmeleistungen. Durch die unvermeidlichen Unterschiede hinsichtlich der Kühlung der einzelnen Speicherzellen ergeben sich für einzelne Speicherzellen unterschiedliche Temperaturen. Die Lebensdauer der einzelnen Speicherzelle ist stark von deren Temperatur im Betrieb abhängig. Infolge altern Speicherzellen mit dauerhaft höherer thermischer Belastung schneller. Bei Erreichen des Lebensendes dieser Speicherzellen wird in der Regel das gesamte Speichersystem unbrauchbar, obwohl unter Umständen die überwiegende Mehrzahl an Speicherzellen, die über ihre Lebensdauer hinweg gesehen einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt waren, noch funktionsfähig sind.
Neben dem Problem der unterschiedlichen Temperaturbelastung einzelner Speicherzellen beispielsweise aufgrund verschiedener baulicher Situationen besteht das Problem, dass die Werte einzelner Speicherzellen einer produktionsbedingten Streuung unterliegen. Beispielsweise bewirkt eine Schwankung des Innenwiderstands zwischen den einzelnen Speicherzellen eine sozusagen von Anfang an eingebaute Schwankung der Eigentemperatur verschiedener Speicherzellen bei gleichem Strom und gleicher Einbausituation. Dem könnte zwar durch eine strenge Selektion der Innenwiderstandswerte innerhalb eines Speichers vorgebeugt werden. Bei einer Anzahl von mehreren hundert Zellen je Speichersystem stellt dies aber eine sehr aufwändige Vorgehensweise dar.
Darüber hinaus existieren neben der Streuung produktionsbedingter Parameter weitere produktionsbedingte Unterschiede zwischen den einzelnen Speicherzellen, die beispielsweise durch geringfügige, aber von Zelle zu Zelle verschieden starke Verunreinigungen auftreten können wie beispielsweise Restfeuchte, Spuren von Begleitstoffen, die erst im Laufe der Zeit zu einer unterschiedlichen Verschlechterung einzelner Speicherzellen führen. Dies kann durch eine Selektion der Speicherzellen nach der Produktion oder vor dem Einbau nicht erkannt oder ausgeglichen werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System zur Speicherung elektrischer Energie anzugeben, das eine effiziente Speicherung und Entnahme von Energie ermöglicht und eine verbesserte Gesamtlebensdauer des Systems bietet.
Diese Aufgabe wird durch ein System und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung sieht somit ein System zur Speicherung elektrischer Energie vor, das zumindest eine erste und eine zweite Speicherzelle umfasst. Regelmäßig wird ein derartiges System eine Vielzahl von Speicherzellen beispielsweise im Bereich von hunderten Speicherzellen aufweisen. Den Speicherzellen ist eine Vorrichtung zur Reduzierung des Energiegehalts der Speicherzellen zugeordnet. Erreicht oder überschreitet eine Betriebsspannung einer Speicherzelle eine bestimmte Schwellenspannung, so erfolgt durch diese Vorrichtung eine Entnahme von Energie aus der Speicherzelle. Dies kann durch einen Stromfluss über einen parallel geschalteten Verbraucher geschehen.
Das System ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung erfasst einen oder mehrere Parameter einer einzelnen oder mehrerer Speicherzellen. Aus der Erfassung des einen oder der mehreren Parameter leitet die Steuereinrichtung Informationen über den Alterungszustand der einen oder der mehreren Speicherzellen ab. Anhand dieser Informationen stellt die Steuereinrichtung die Schwellenspannung der betreffenden Speicherzelle beziehungsweise Speicherzellen ein.
Es ist somit ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, einen durch externe oder interne Einflüsse beeinflussten Alterungszustand einer Speicherzelle zu erkennen und zur kontrollierten Alterung der Speicherzelle einen die Alterung beeinflussenden Parameter, nämlich die maximale Betriebsspannung in Form der Schwellenspannung entsprechend dem erkannten Alterungszustand der Speicherzelle zu steuern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können als die Alterung der Speicherzelle charakterisierende Parameter der Innenwiderstand einer Speicherzelle oder die Kapazität einer Speicherzelle vorgesehen sein. Diese oder weitere die Alterung kennzeichnende Parameter können alleine oder in Kombination bei einer Anpassung der Schwellenspannung einer Speicherzelle berücksichtigt werden. Dem Innenwiderstand einer Speicherzelle kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu. Bei Anwendungen für das Speichersystem, bei denen regelmäßig hohe Energieentnahmen aufgrund hoher Leistungsanforderungen stattfinden, ist ein erhöhter Innenwiderstand in ausgeprägtem Maße selbstverstärkend. Mit einer alterungsbedingten Zunahme des Innenwiderstands einer Speicherzelle steigt die Verlustwärme dieser Speicherzelle an. Nachdem die Speicherzelle aufgrund des höheren Innenwiderstands bereits eine höhere Temperatur aufweist, erwärmt sie sich noch mehr, altert dadurch schneller, was sich wiederum in der Zunahme des Innenwiderstands äußert. Somit entsteht ein sich selbst verstärkendes Alterungsszenario, gegen das die vorliegende Erfindung insofern Abhilfe schafft, als dass durch eine Senkung der Schwellenspannung einer derart betroffenen Zelle die sich selbstverstärkende Alterung im Verhältnis zu den Nachbarzellen begrenzt werden kann. Es ist somit eine Steuerung beziehungsweise Regelung derart denkbar, dass eine Erhöhung des Innenwiderstands um einen bestimmten Wert mit einer Senkung der maximalen Betriebsspannung der Zelle um einen entsprechenden Wert kompensiert wird. Gegebenenfalls kann hierbei eine Zuordnungstabelle zwischen Innenwiderstand und Schwellenspannung, ein entsprechender funktionaler Zusammenhang oder eine Regelung der Schwellenspannung anhand einer geeigneten Regelgröße erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, dass eine Verringerung der Schwellenspannung der ersten Speicherzelle zumindest teilweise durch die Erhöhung der Schwellenspannung der zweiten Speicherzelle kompensiert wird. Diese Weiterbildung ermöglicht insbesondere bei einer großen Anzahl an Speicherzellen eine insgesamt optimierte und kontrollierte Alterung des gesamten Speichersystems bei gleichbleibender Gesamtspannung beziehungsweise zur Verfügung stehender Speicherkapazität. Es können somit beispielsweise eine oder mehrere besonders stark alternde Speicherzellen in der Alterung gebremst werden, indem deren Schwellenspannung verringert wird. Dieser Spannungsverlust kann beispielsweise in der gleichen in Reihe geschalteten Speicherzellenkette durch eine geringfügige Erhöhung der Schwellenspannung bei einer wesentlich größeren Anzahl an weniger stark gealterten Speicherzellen ausgeglichen werden. Insgesamt findet somit eine gleichförmige Alterung aller Speicherzellen und damit auch eine Optimierung der Lebensdauer des Speichersystems statt.
Alternativ kann selbstverständlich auch nur die Schwellenspannung einzelner Zellen erniedrigt werden und eine reduzierte Gesamtspannung des Systems in Kauf genommen werden, um eine maximal mögliche Lebensdauer des gesamten Systems zu erreichen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, dass der Alterungszustand der ersten Speicherzelle bezüglich des Alterungszustands der zweiten Speicherzelle ermittelt wird. Der direkte Vergleich der Alterungszustände zweier Speicherzellen bietet auf einfache Weise die Möglichkeit, den Gesamtalterungszustand des Speichersystems zu optimieren. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Alterungszustand der ersten Speicherzelle bezüglich eines Mittelwerts einer Mehrzahl an Speicherzellen ermittelt wird. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Schwellenspannung derart eingestellt wird, dass die erste Speicherzelle innerhalb eines bestimmten Zeitraums ihren Alterungszustand an den Mittelwert der Mehrzahl an Speicherzellen angleicht. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Alterungszustand der ersten Speicherzelle bezüglich eines Anfangswerts der Alterung ermittelt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um den ersten ermittelten Parametersatz der Speicherzelle bei Einbau oder Herstellung handeln. Ein weiterer Referenzwert bezüglich der Alterung kann ein zuletzt ermittelter Wert sein. Somit kann direkt auf den momentanen Alterungsverlauf der Speicherzelle rückgeschlossen werden. Selbstverständlich ist auch eine Kombination aller oder einiger der genannten Bezugsgrößen möglich. So kann beispielsweise aus dem zuerst gemessenen Anfangsparametersatz und dem zuletzt gemessenen oder einer Reihe zuletzt gemessener Werte eine besonders genaue Abschätzung der Entwicklung des Alterungszustands der ersten Speicherzelle erreicht werden. Der so ermittelte Alterungszustand kann dann an einen gewünschten Alterungszustand innerhalb eines Zeitraums herangeführt werden.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, dass sie einen zeitlichen Verlauf der Parameter der Speicherzelle erfasst. Der zeitliche Verlauf des Alterungszustands einer Speicherzelle erlaubt einerseits eine Kontrolle der Alterungsverläufe einer Zelle sowie besonders genaue Vorhersagen über das zukünftige Alterungsverhallten und den gegenwärtigen Alterungszustand.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungseinrichtung dazu ausgelegt, dass die Schwellenspannung in Abhängigkeit von dem Alterungszustand einer Speicherzelle eingestellt wird. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass bei einem vergleichbar guten Alterungszustand die Schwellenspannung der Speicherzelle erhöht wird, um so deren besseren Alterungszustand für die Bereitstellung einer höheren Betriebsspannung nutzbar zu machen. Umgekehrt kann bei einem vergleichbar fortgeschrittenen, d. h. schlechten Alterungszustand die Belastung der Speicherzelle durch Senken der Schwellenspannung verringert und so der Alterungszustand der Speicherzelle an den Vergleichsmaßstab angenähert werden.
Die Aufgabe wird außerdem erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Steuerung eines zur Speicherung von elektrischer Energie ausgelegten Systems gelöst. Das System umfasst mehrere Speicherzellen mit jeweils einer Betriebsspannung und einer Vorrichtung zur Begrenzung der Betriebsspannung/Reduzierung des Energiegehalts der Speicherzelle. Das Verfahren umfasst die Schritte des Erfassens des Alterungszustandes von Speicherzellen und des Einstellens der Schwellenspannung von Speicherzellen entsprechend dem Alterungszustand.
Insbesondere kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass nach einem Zeitintervall erneut der Alterungszustand von Speicherzellen erfasst wird.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sieht eine Verwendung des Speichersystems in einem Kraftfahrzeug vor. In diesem Zusammenhang ist eine gleichförmige Alterung der Speicherzellen beziehungsweise insbesondere ein gleichförmiger Innenwiderstand aller Speicherzellen von Vorteil. Im Falle eines Unfalls des Kraftfahrzeugs können mechanische Beschädigungen zu einem Kurzschluss des gesamten Speichers führen, beispielsweise Beschädigungen in den Anschlussleitungen zum Elektroantrieb. Weisen die Zellen unterschiedliche Innenwiderstände etwa aufgrund unterschiedlicher Alterung auf, erhitzen sich bei einem Kurzschluss die Zeilen mit hohen Innenwiderständen wesentlich stärker als Zellen mit geringerem Innenwiderstand. Somit erhitzt der Energieinhalt der weniger stark gealterten Zellen die Zellen mit hohen Innenwiderständen. Dadurch können die Zellen mit den hohen Innenwiderständen unter Umständen zerstört werden, was ein Austreten von in der Regel gesundheitsschädlichen Stoffen und eine Zerstörung des gesamten Speichersystems zur Folge haben kann. Ein Speicher mit gleichmäßig verteilten Innenwiderständen hingegen weist in diesem Zusammenhang ein deutlich gesenktes Risiko auf und kann unter Umständen noch verwendbar bleiben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems und des Verfahrens ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, das nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben ist.
Es zeigen:
1 einen beispielhaften Aufbau eines Hybridfahrzeugs;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems zur Speicherung elektrischer Energie.
In 1 ist ein beispielhaftes Hybridfahrzeug 1 angedeutet. Es verfügt über zwei Achsen 2, 3 mit je zwei beispielhaft angedeuteten Rädern 4. Die Achse 3 soll dabei eine angetriebene Achse des Fahrzeugs 1 sein, während die Achse 2 in an sich bekannter Art und Weise lediglich mitläuft. Zum Antrieb der Achse 3 ist beispielhaft ein Getriebe 5 dargestellt, welches die Leistung von einer Verbrennungskraftmaschine 6 und einer elektrischen Maschine 7 aufnimmt und in den Bereich der angetriebenen Achse 3 leitet. Im Antriebsfall kann die elektrische Maschine 7 alleine oder ergänzend zur Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine 6 Antriebsleistung in den Bereich der angetriebenen Achse 3 leiten und somit das Fahrzeug 1 antreiben beziehungsweise den Antrieb des Fahrzeugs 1 unterstützen. Außerdem kann beim Abbremsen des Fahrzeugs 1 die elektrische Maschine 7 als Generator betrieben werden, um so beim Bremsen anfallende Leistung zurückzugewinnen und entsprechend zu speichern. Um beispielsweise bei einem Einsatz in einem Stadtbus als Fahrzeug 1 auch für Bremsvorgänge aus höheren Geschwindigkeiten, welche bei einem Stadtbus sicherlich bei maximal ca. 70 km/h liegen werden, einen ausreichenden Energieinhalt bereitstellen zu können, muss in diesem Fall ein System 10 zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen werden, welche einen Energieinhalt in der Größenordnung von z. B. 350 bis 700 Wh aufweist. Damit lassen sich auch Energien, welche beispielsweise bei einem ca. 10 Sekunden langen Bremsvorgang aus einer solchen Geschwindigkeit anfallen, über die elektrische Maschine 7, welche typischerweise eine Größenordnung von ca. 150 kW haben wird, in elektrische Energie umzusetzen und diese in dem System 10 zu speichern.
Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 sowie zum Laden und Entladen des Systems 10 zur Speicherung elektrischer Energie weist der Aufbau gemäß 1 einen Umrichter 9 auf, welcher in an sich bekannter Art und Weise mit einer integrierten Steuereinrichtung für das Energiemanagement ausgebildet ist. Über den Umrichter 9 mit der integrierten Steuereinrichtung wird dabei der Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine 7 und dem System 10 zur Speicherung der elektrischen Energie entsprechend koordiniert. Die Steuereinrichtung sorgt dafür, dass beim Bremsen im Bereich der dann generatorisch angetriebenen elektrischen Maschine 7 anfallende Leistung soweit möglich in das System 10 zur Speicherung der elektrischen Energie eingespeichert wird, wobei eine vorgegebene obere Spannungsgrenze des Systems 10 im Allgemeinen nicht überschritten werden darf. Im Antriebsfall koordiniert die Steuereinrichtung im Umrichter 9 die Entnahme von elektrischer Energie aus dem System 10, um in diesem umgekehrten Fall die elektrische Maschine 7 mittels dieser entnommenen Leistung anzutreiben. Neben dem hier beschriebenen Hybridfahrzeug 1, welches beispielsweise ein Stadtbus sein kann, wäre ein vergleichbarer Aufbau selbstverständlich auch in einem reinen Elektrofahrzeug denkbar.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen System 10 zur Speicherung elektrischer Energie. Prinzipiell sind verschiedene Arten des Systems 10 denkbar. Typischerweise ist ein derartiges System so aufgebaut, dass eine Vielzahl von Speicherzellen 12 in Reihe in dem System 10 verschaltet sind. Diese Speicherzellen 12 können dabei Akkumulatorzellen und/oder Superkondensatoren sein, oder auch eine beliebige Kombination hiervon. Für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel sollen die Speicherzellen 12 allesamt als Superkondensatoren, das heißt als Doppelschicht-Kondensatoren ausgebildet sein, welche in einem System 10 zur Speicherung elektrischer Energie in dem mit dem Hybridantrieb ausgerüsteten Fahrzeug 1 eingesetzt werden sollen. Der Aufbau kann dabei bevorzugt in einem Nutzfahrzeug, beispielsweise einem Omnibus für den Stadt-/Nahverkehr eingesetzt werden. Hierbei wird durch häufige Anfahr- und Bremsmanöver in Verbindung mit einer sehr hohen Fahrzeugmasse eine besonders hohe Effizienz der Speicherung der elektrischen Energie durch die Superkondensatoren erreicht, da vergleichsweise hohe elektrische Leistungen fließen. Da Superkondensatoren als Speicherzellen 12 einen sehr viel geringeren Innenwiderstand aufweisen als beispielsweise Akkumulatorzellen, sind sie für das hier näher beschriebene Ausführungsbeispiel zu bevorzugen.
Wie bereits erwähnt, sind in der 2 die Speicherzellen 12 zu erkennen. Dabei sind lediglich drei seriell verbundene Speicherzellen 12a, 12b, 12c dargestellt. Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel und einer entsprechenden elektrischen Antriebsleistung von ca. 100 bis 200 kW, beispielsweise 120 kW, wären dies in einem realistischen Aufbau insgesamt ca. 150 bis 250 Speicherzellen 12. Wenn diese als Superkondensatoren mit einer derzeitigen oberen Spannungsgrenze von ca. 2,7 V je Superkondensator und einer Kapazität von 3000 F ausgebildet sind, wäre eine realistische Anwendung für den Hybridantrieb eines Stadtomnibusses gegeben.
Wie in 2 dargestellt, weist jede der Speicherzellen 12a, 12b, 12c einen parallel zu der jeweiligen Speicherzelle 12a, 12b, 12c geschalteten elektrischen Verbraucher in Form eines ohmschen Widerstandes 14a, 14b, 14c auf. Dieser ist in Reihe mit einem Schaltglied 16a, 16b, 16c parallel zu jeder der Speicherzellen 12a, 12b, 12c geschaltet. Der Schalter 16a, 16b, 16c ist als Schwellwertschalter ausgebildet und weist einen Kontrolleingang 18a, 18b, 18c auf. Die Kontrolleingänge 18a–18c sind über Leitungen 20a–20d mit z. B. einem CAN-Bus-System 22 verbunden. Eine Steuereinrichtung 24 ist ebenfalls an das CAN-Bus-System 22 angeschlossen, empfängt Daten der einzelnen Speicherzellen 12a–12c und sendet entsprechende Informationen an die Kontrolleingänge 18a–18c der Schwellwertschalter 16a–16c. Beispielsweise werden der Steuereinrichtung 24 über Leitungen 26a–26c und das CAN-Bus-System 22 die Kapazität der einzelnen Speicherzellen 12a–12c zugänglich gemacht. Eine Strommessvorrichtung 28 (beispielsweise ein Messwiderstand) in Reihe mit den Speicherzellen 12a–12c geschaltet erlaubt über Leitungen 30, die in Verbindung mit dem CAN-Bus-System 22 stehen, die Ermittlung des Stromflusses durch die Speicherzellen 12a–12c und damit auch die Ermittlung des Innenwiderstandes.
Die Steuereinrichtung 24 ermittelt für jede Zelle 12a, 12b, 12c deren Performancedaten wie den Innenwiderstand und die Kapazität und gibt den Zellen eine individuelle maximale Betriebsspannung vor. Diese berücksichtigt den aktuellen Zustand der Speicherzelle. Zellen mit vergleichsweise schlechten Performancedaten wird eine niedrigere Spannung, beispielsweise 2,45 V statt 2,5 V zugewiesen, um so deren Alterung zu verlangsamen. Zellen mit besseren Performancedaten kann eine höhere maximale Betriebsspannung zugewiesen werden, zum Beispiel 2,55 V statt 2,5 V, um deren Alterung zu beschleunigen. Für den angeschlossenen Hybridantrieb, der an der Stelle 32 angeschlossen ist, kann so eine stets gleiche Spannungslage gewährleistet werden, falls dies erforderlich ist.
Durch diese Steuerung werden Unwägbarkeiten hinsichtlich der Leistungsfähigkeit einzelner Speicherzellen, die aus Herstellungstoleranzen resultieren, adaptiv und dauerhaft kompensiert. Ein früher Ausfall des gesamten Speichersystems 10 durch einzelne stark gealterte Speicherzellen wird verhindert. Als weiterer positiver Effekt wird die mittlere Temperatur des Speichersystems verringert, da die Verlustwärme gleichmäßig auf alle Speicherzellen verteilt anfällt und somit mehr Oberfläche zur Kühlung genutzt werden kann. Eine maximale Einsatzdauer beziehungsweise Gesamtlebensdauer des Speichersystems 10 und eine maximale Performance über diese Lebensdauer hinweg wird erreicht.
Im Falle eines Unfalles kann es durch mechanische Beschädigungen zu einem Kurzschluss des gesamten Speichers z. B. in den Anschlussleitungen zum Elektroantrieb kommen. Haben die Zellen durch unterschiedliche Alterungszustände unterschiedliche Innenwiderstände, erhitzen sich die Zellen mit hohen Innenwiderständen wesentlich stärker als die Zellen mit geringerem Innenwiderstand – der Energieinhalt der weniger stark gealterten Zellen erhitzt die Zellen mit den hohen Innenwiderständen. Dadurch können die Zellen mit den hohen Innenwiderständen unter Umständen platzen, was ein Austreten von in der Regel gesundheitsschädlichen Stoffen und eine Zerstörung des Speichersystems zur Folge haben kann. Ein Speicher mit gleichmäßig verteilten Innenwiderständen hingegen kann noch verwendbar bleiben.
Die unterschiedlichen maximalen Betriebsspannungen beziehungsweise Schwellenspannungen werden durch Vorgaben der Steuereinrichtung 24 an die Kontrolleingänge 18a–18c der Schwellwertschalter 16a–16c der einzelnen Speicherzellen 12a–12c über das CAN-Bus-System 22 realisiert.
Die einzelnen Vorgabewerte können beispielsweise aus Unterschieden hinsichtlich der Innenwiderstände und der Kapazität zwischen einzelnen Zellen oder zu einem Mittelwert aller Zellen errechnet werden. Anstatt des Mittelwertes aller Zellen kann auch ein anfangs gespeicherter Wert oder ein zuletzt gemessener Wert herangezogen werden.
Die einzelnen Messwerte werden entweder an sich verwendet, mit eventuell der Bauform oder einem Kühlungsluftstrom berücksichtigenden Korrekturfaktor bewertet und/oder miteinander verknüpft, um ein Maß für die neuen veränderten Zellenspannungen der Speicherzellen 12a–12c bilden.
Darüber hinaus können Änderungen über ein Beobachtungsintervall hinweg aufgezeichnet oder berücksichtigt werden. Ändern sich beispielsweise Unterschiede in den Innenwiderständen oder den Kapazitäten trotz einer vorausgegangenen Anpassung der Schwellspannung nicht, können die Vorgaben, die diese Unterschiede nivellieren sollen, weiter geändert werden. Beispielsweise können die Schwellenspannungen für Speicherzellen mit schwachen Performancedaten weiter gesenkt und für Speicherzellen mit geringer Alterung weiter erhöht werden. Die konkreten Vorgabewerte können dabei aus Modellrechnungen oder Versuchen ermittelt werden.

Claims

System (10) zur Speicherung elektrischer Energie, umfassend eine erste (12a) und eine zweite (12b) Speicherzelle, wobei jede Speicherzelle (12a, 12b) eine Betriebsspannung aufweist, eine Vorrichtung (14a, 16a, 14b, 16b) zur Reduzierung des Energiegehalts einer Speicherzelle (12a, 12b) bei Überschreiten oder Erreichen einer Schwellenspannung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (24) vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, einen Parameter der ersten (12a) und/oder zweiten (12b) Speicherzelle zu erfassen, einen Alterungszustand der Speicherzelle (12a, 12b) zu erkennen und die Schwellenspannung der ersten und/oder der zweiten Speicherzelle (12a, 12b) zu verändern.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter ein Innenwiderstand und/oder eine Kapazität ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24) ferner dazu eingerichtet ist, dass eine Verringerung der Schwellenspannung der ersten Speicherzelle (12a) zumindest teilweise durch eine Erhöhung der Schwellenspannung der zweiten Speicherzelle (12b) kompensiert werden kann.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (14a, 16a, 14b, 16b) zur Reduzierung des Energiegehalts einer Speicherzelle einen Verbraucher (14a, 14b) und ein Schaltglied (16a, 16b) umfasst und parallel zu einer Speicherzelle (12a, 12b) angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (24) ferner dazu eingerichtet ist, dass der Alterungszustand der ersten Speicherzelle (12a) bezüglich des Alterungszustands der zweiten Speicherzelle (12b) und/oder bezüglich eines Mittelwerts einer Mehrzahl von Speicherzellen (12a, 12b, 12c) und/oder bezüglich eines Anfangswerts und/oder bezüglich eines zuletzt gemessenen Werts ermittelt wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24) dazu eingerichtet ist, dass sie einen zeitlichen Verlauf der Parameter der Speicherzelle (12a, 12b) erfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24) dazu ausgelegt ist, dass die Schwellenspannung einer Speicherzelle (12a, 12b) in Abhängigkeit von dem Alterungszustand der Speicherzelle eingestellt wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem schlechten Alterungszustand einer Speicherzelle (12a, 12b) der Schwellenwert der Speicherzelle verringert wird und/oder bei einem guten Alterungszustand einer Speicherzelle (12a, 12b) der Schwellenwert der Speicherzelle erhöht wird.
Verfahren zur Steuerung eines zur Speicherung von elektrischer Energie ausgelegten Systems, wobei das System mehrere Speicherzellen mit jeweils einer Betriebsspannung und einer Vorrichtung zur Reduzierung des Energiegehalts der Speicherzelle aufweist, mit den Schritten Erfassen des Alterungszustands von Speicherzellen und Einstellen der Schwellenspannung von Speicherzellen entsprechend dem Alterungszustand.
Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Kraftfahrzeug.