DE102017215418A1

DE102017215418A1 - Energiespeicher für ein kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017215418A1
Application number: DE102017215418.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher (2) zur Speicherung elektrischer Energie für ein elektrisches Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges, welcher aufweist:
eine Vielzahl von Energiespeicherzellen (31, 32), die eine Parallelschaltung (3) bildend zueinander parallel geschaltet sind, wobei die Energiespeicherzellen jeweils eine positive Elektrode (311, 321) positiven Potenzials und eine negative Elektrode (312, 322) negativen Potenzials aufweisen;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energiespeicherzellen (31, 32) jeweils eine Referenzelektrode (315, 325) aufweisen, die auf einem Referenzpotenzial zwischen dem positiven Potenzial und dem negativen Potenzial liegt; und
die positive Elektrode (311, 321), die negative Elektrode (312, 322) und die Referenzelektrode (315, 325) der Energiespeicherzellen (31, 32) jeweils an eine Auswertungseinheit für einen Vergleich elektrischer Zustände der Energiespeicherzellen (31, 32) anschließbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, der ein elektrisches Antriebsaggregat des Kraftfahrzeuges mit elektrischer Energie versorgt, und auf eine Energiespeicherauswertungseinheit.
Im Stand der Technik sind elektrische Energiespeicher zur Versorgung elektrischer Antriebsaggregate von Kraftfahrzeugen allgemein bekannt.
Bei solchen Energiespeichern werden einzelne Energiespeicherzellen zur Erzielung einer höheren Kapazität zusammengeschaltet, wobei die Energiespeicherzellen einzeln parallel geschaltet werden und nicht strangweise. Diese Verschaltung der Energiespeicherzellen dient dazu, bereits bestehende Elektroniksysteme zur Überwachung der Energiespeicherzellen einsetzen zu können.
Während des Betriebes des Kraftfahrzeuges ist es wichtig, dass die Stromgrenzen der einzelnen Energiespeicherzellen eingehalten werden, um Schäden zu verhindern. Der Stromfluss wird bei den erläuterten Energiespeichern allerdings nur für den Strang insgesamt erfasst.
Die einzelnen Energiespeicherzellen können sich hingegen im Innenwiderstand und Kapazität derart unterscheiden, dass es in den parallel geschalteten Energiespeicherzellen zu unterschiedlichen Stromflüssen kommt.
Das erläuterte Ungleichgewicht der Strombelastung der parallel geschalteten Zellen kann über die Lebensdauer hinweg entstehen oder zunehmen.
Aus diesem Grund wird der maximale Stromfluss durch den gesamten Energiespeicher um einen Sicherheitsfaktor von bis zu 20% reduziert, um sicherstellen zu können, dass der von einem Hersteller der Energiespeicherzellen vorgegebene maximale individuelle Stromfluss durch die Energiespeicherzellen nicht überschritten wird. Die Leistung des mit dem Energiespeicher ausgestatteten Kraftfahrzeuges sinkt entsprechend.
Darüber hinaus ist bei dem bekannten Energiespeicher die Überwachung und Diagnose der Zellen erschwert, da stets mit Mittelwerten gearbeitet wird.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Energiespeicher zu schaffen, bei dem eine bessere Nutzung der Leistung des Energiespeichers möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Energiespeicher gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, die eine Parallelschaltung bildend zueinander parallel geschaltet sind, wobei die Energiespeicherzellen jeweils eine positive Elektrode positiven Potenzials und eine negative Elektrode negativen Potenzials aufweisen.
Die Energiespeicherzellen weisen jeweils eine Referenzelektrode auf, die auf einem Referenzpotenzial zwischen dem positiven Potenzial und dem negativen Potenzial liegt.
Die positive Elektrode, die negative Elektrode und die Referenzelektrode der Energiespeicherzellen sind jeweils an eine Auswertungseinheit für einen Vergleich elektrischer Zustände der Energiespeicherzellen anschließbar.
Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Energiespeicher für ein elektrisches Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges vorgesehen.
Die Energiespeicherzellen des erfindungsgemäßen Energiespeichers sind bevorzugt Lithiumionen-Akkumulatoren, die sich bei Versorgung des elektrischen Antriebsaggregats entladen und anschließend durch eine externe Stromversorgung wieder geladen werden können.
Die technische Problematik besteht darin, dass sich die Innenwiderstände der Energiespeicherzellen über ihre Lebensdauer hinweg nicht gleichmäßig ändern. Handelt es sich beispielsweise bei den Energiespeicherzellen um die genannten Lithiumionen-Akkumulatoren, sind in jeder Energiespeicherzelle ein mit der positiven Elektrode kontaktiertes Elektrodenmaterial und ein mit der negativen Elektrode kontaktiertes Elektrodenmaterial aufgenommen. Das mit der positiven Elektrode kontaktierte Elektrodenmaterial bildet in Bezug auf den Entladevorgang des Energiespeichers die Kathode, an der definitionsgemäß die chemische Reduktion stattfindet. Das mit der negativen Elektrode kontaktierte Elektrodenmaterial bildet folglich in Bezug auf den Entladevorgang die Anode, an der die Oxidation stattfindet.
Die Teilwiderstände der Kathode und Anode am gesamten Innenwiderstand der Energiespeicherzelle ändern sich über die Lebensdauer hinweg nicht gleichmäßig.
Erfindungsgemäß sind an den Energiespeicherzellen des Energiespeichers Referenzelektroden vorgesehen, die jeweils auf dem Referenzpotenzial liegen. Hierdurch kann das Referenzpotenzial in Bezug auf entweder die positive Elektrode oder die negative Elektrode der jeweiligen Energiespeicherzelle ausgewertet werden bzw. eine Referenzspannung der jeweiligen Energiespeicherzelle ermittelt werden. Vergleicht man die Referenzspannungen der Energiespeicherzellen miteinander, werden die erläuterten nicht gleichmäßigen Änderungen, d.h. unterschiedliche elektrische Zustände der Energiespeicherzellen erkennbar.
Dies ist insoweit bemerkenswert, als dass durch die Erfassung der Referenzspannungen unterschiedliche elektrische Zustände der Energiespeicherzellen detektiert werden können, obwohl über die Energiespeicherzellen aufgrund ihrer Parallelschaltung die gleiche Spannung zwischen den entsprechenden positiven und negativen Elektroden abfällt.
Ergibt die Auswertung/Erfassung der Referenzspannungen beispielsweise, dass sie um einen bestimmten Schwellenwert voneinander abweichen, bedeutet dies, dass durch die Energiespeicherzelle mit dem niedrigeren Innenwiderstand ein erhöhter Strom fließt.
Da bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher unterschiedliche elektrische Zustände der einzelnen Energiespeicherzellen erkennbar sind, besteht keine Notwendigkeit mehr, den eingangs erläuterten Sicherheitsfaktor hoch anzusetzen, weshalb die maximale Leistung des Energiespeichers ausnutzbar ist.
Erfindungsgemäß kann der Energiespeicher wie erläutert überwacht werden, indem die positive Elektrode, die negative Elektrode und die Referenzelektrode an die genannte Auswertungseinheit angeschlossen werden.
Allgemein sind die Energiespeicherzellen des erfindungsgemäßen Energiespeichers bevorzugt gleicher Bauart und haben identische elektrische Kenngrößen.
Bevorzugt sind die Referenzpotenziale der Energiespeicherzellen gleich bzw. identisch.
Hierunter ist bevorzugt zu verstehen, dass die Referenzpotenziale innerhalb der Energiespeicherzellen an den identischen Abschnitten abgegriffen werden und aus diesem Grund die Referenzspannungen, die zwischen dem Referenzpotenzial und einer der beiden Elektroden anliegen, im Neuzustand der Energiespeicherzellen bzw. bei einer gleichmäßigen Alterung identisch sind.
Wenn das Referenzpotenzial zwischen dem Teilwiderstand der Kathode und dem Teilwiderstand der Anode liegt, und wenn die Erfassung der Referenzspannungen ergibt, dass diese identisch sind, kann daraus gefolgert werden, dass folgende, für zwei parallele Energiespeicherzellen geltende Bedingung für eine beliebige Kombination der parallel geschalteten Energiespeicherzellen erfüllt ist: $R_{A,1} * R_{K,2} = R_{A,2} * R_{K,1}$
wobei der Index A für Anode und der Index K für Kathode steht.
Die Ziffern stehen für eine beliebige erste und zweite Energiespeicherzelle.
D.h. sind die Referenzspannungen identisch, dann sind die Energiespeicherzellen in Bezug auf den Stromfluss im Gleichgewicht. Verschieben sich die Referenzspannungen, bedeutet das, dass die Energiespeicherzellen im Ungleichgewicht sind.
Bevorzugt weisen die Energiespeicherzellen jeweils ein Gehäuse auf, in dem ein mit der positiven Elektrode kontaktiertes Elektrodenmaterial und ein mit der negativen Elektrode kontaktiertes Elektrodenmaterial durch einen Separator getrennt voneinander in einer Elektrolytlösung aufgenommen sind.
Die Referenzelektrode ist, wie erwähnt, bevorzugt mit einem Referenzelektrodenmaterial kontaktiert, das sich (i) zwischen dem Separator und dem mit der positiven Elektrode kontaktierten Elektrodenmaterial befindet und/oder (ii) zwischen dem Separator und dem mit der negativen Elektrode kontaktierten Elektrodenmaterial befindet.
In Bezug auf einen Entladevorgang des Energiespeichers ist das mit der positiven Elektrode kontaktierte Elektrodenmaterial das Kathodenmaterial und das mit der negativen Elektrode kontaktierte Elektrodenmaterial das Anodenmaterial.
Das Referenzelektrodenmaterial lässt sich an dem erwähnten und erläuterten Abschnitt innerhalb der Energiespeicherzellen bezüglich der Herstellung der Energiespeicherzellen gut anordnen.
Bevorzugt ist die Referenzelektrode durch einen Teil des Gehäuses gebildet und liegt auf dem Referenzpotenzial.
Beispielsweise weisen Lithiumionen-Akkumulatoren ein Gehäuse auf, das aus einer Wanne, in der die Elektrodenmaterialien, der Separator und die Elektrolytlösung aufgenommen sind, und einem Deckel, der die Wanne verschließt, aufgebaut ist. Die Referenzelektrode kann beispielsweise durch die Wanne und/oder den Deckel gebildet sein, wobei für den Anschluss der Auswertungseinheit beispielsweise ein Kabel an der Wanne und/oder dem Deckel festklemmbar ist.
Alternativ kann die Referenzelektrode eine von dem Gehäuse isolierte Elektrode sein.
Bevorzugt beinhaltet der Energiespeicher eine Vielzahl der erläuterten, aus den Energiespeicherzellen aufgebauten Parallelschaltungen, wobei
die Parallelschaltungen der Vielzahl von Parallelschaltungen zueinander in Reihe geschaltet sind und eine Reihenschaltung bilden.
Die Enden der Reihenschaltung sind mit Anschlüssen kontaktiert, über die der Energiespeicher bei bestimmungsgemäßer Verwendung an das Antriebsaggregat angeschlossen ist.
Jede die Parallelschaltungen aufbauende Energiespeicherzelle weist die Referenzelektrode auf.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher ist bevorzugt für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei zwischen den Anschlüssen des Energiespeichers bevorzugt 400V abfallen.
Eine Energiespeicherauswertungseinheit gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen Energiespeicher wie er im Vorhergehenden erläutert wurde, und die Auswertungseinheit, an die die positiven Elektroden, die negativen Elektroden und die Referenzelektroden angeschlossen sind, auf.
Die Auswertungseinheit ist eingerichtet, eine Referenzspannung, die zwischen der Referenzelektrode und entweder der positiven oder negativen Elektrode der jeweiligen Energiespeicherzelle abfällt, für jede der Energiespeicherzellen zu erfassen.
Ferner ist die Auswertungseinheit eingerichtet, zumindest die elektrischen Zustände der Energiespeicherzellen, die die Parallelschaltung oder eine der Parallelschaltungen bilden, auf Basis der erfassten Referenzspannungen miteinander zu vergleichen.
Die Referenzspannungen lassen einen Rückschluss darauf zu, ob eine der Energiespeicherzellen einen veränderten Innenwiderstand hat und somit eine erhöhte Strombelastung einer der Energiespeicherzellen vorliegt.
Die Auswertungseinheit vergleicht zumindest die elektrischen Zustände der Energiespeicherzellen die die Parallelschaltung bilden. Beinhaltet der Energiespeicher die Vielzahl von Parallelschaltungen, kann die Auswertungseinheit so eingerichtet sein, dass sie für alle Parallelschaltungen die elektrischen Zustände der Energiespeicherzellen miteinander vergleicht, die zusammen eine der Parallelschaltungen bilden. Bevorzugt kann die Auswertungseinheit auch so eingerichtet sein, dass sie elektrische Zustände der Energiespeicherzellen miteinander vergleicht, die in unterschiedlichen Parallelschaltungen angeordnet sind.
Bevorzugt ist der Energiespeicher der Energiespeicherauswertungseinheit ein solcher mit der Vielzahl von Parallelschaltungen, wobei eine Anzahl der in Reihe geschalteten Parallelschaltungen S ist und eine Anzahl der eine jeweilige der Parallelschaltungen aufbauenden Energiespeicherzellen P ist.
Die Auswertungseinheit ist bevorzugt ein Energiezellenüberwachungsschaltkreis mit S+ 1 + S*P Anschlüssen, an die die positiven Elektroden, die negativen Elektroden und die Referenzelektroden angeschlossen sind.
In dieser Ausgestaltung kann die Auswertungseinheit die Referenzpotenziale in jeder der Parallelschaltungen in Bezug auf die positive Elektrode und/oder die negative Elektrode auswerten und die sich so ergebenden Referenzspannungen erfassen.
Die Auswertungseinheit kann beispielsweise pro jeweiliger Parallelschaltung die elektrischen Zustände der Energiespeicherzellen vergleichen.
Alternativ kann die Auswertungseinheit die elektrischen Zustände der Energiespeicherzellen aller Parallelschaltungen miteinander vergleichen. Dies ist beispielsweise dann bevorzugt, wenn die Energiespeicherzellen aller Parallelschaltungen einen identischen Aufbau haben.
Bevorzugt ist in dieser Ausgestaltung der Energiespeicherauswertungseinheit der Energiezellenüberwachungsschaltkreis derart ausgebildet, dass er eine Zustandsschätzung (Diagnose) des Energiespeichers individuell für jede der Energiespeicherzellen durchführen kann. Zu der Zustandsschätzung (Diagnose) zählen beispielsweise die Ermittlung der Parameter SoC (State of Charge) oder SoH (State of Health).
Weiterhin bevorzugt ist der Energiespeicher der Energiespeicherauswertungseinheit ein solcher mit der Vielzahl von Parallelschaltungen, wobei
eine Anzahl der in Reihe geschalteten Parallelschaltungen S ist und eine Anzahl der eine jeweilige der Parallelschaltungen aufbauenden Energiespeicherzellen P ist,
die Auswertungseinheit S Komparatoren aufweist, wobei jeder der S Komparatoren eine der Parallelschaltungen zugeordnet ist und einen Anschluss, an dem eine der Referenzspannungen anliegt, und P-1 Anschlüsse, an denen die verbleibenden Referenzspannungen der entsprechenden Parallelschaltung anliegen, aufweist,
die Auswertungseinheit einen Energiezellenüberwachungsschaltkreis mit S+ 1 Anschlüssen, an die die positiven Elektroden und die negativen Elektroden angeschlossen sind, und mit S Anschlüssen, an die Ausgänge der Komparatoren angeschlossen sind, aufweist.
Durch diese Ausgestaltung lässt sich der notwendige Hardware- und Integrationsaufwand verringern, da der Energiezellenüberwachungsschaltkreis lediglich S Anschlüsse für die Ausgänge der Komparatoren benötigt.
Die Komparatoren können beispielsweise Schmitt-Trigger sein.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung bevorzugt auch eine Anordnung, insbesondere eine Anordnung innerhalb eines Kraftfahrzeuges, welche aufweist: eine Energiespeicherauswertungseinheit, wie sie im Vorhergehenden erläutert wurde, und eine Steuereinheit, insbesondere BMU (Batterie management unit). Die Auswertungseinheit gibt ein Informationssignal an die Steuereinheit aus. Das Informationssignal enthält die Information, ob die Referenzspannungen der Energiespeicherzellen, die eine der Parallelschaltungen bilden, um einen bestimmten Schwellenwert voneinander abweichen. Ist dies der Fall, erkennt die Steuereinheit, dass zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen eine ungleichmäßige Strombelastung vorliegt. Die Steuereinheit begrenzt daraufhin den maximal durch die Energiespeicherzellen fließenden Strom zur Vermeidung von Schäden des Energiespeichers.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichers bzw. einer Energiespeicherauswertungseinheit unter Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.

1A zeigt eine Parallelschaltung zweier parallel geschalteter Energiespeicherzellen des erfindungsgemäßen Energiespeichers im Ersatzschaltbild; und
1B zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Energiespeicherauswertungseinheit, die den erfindungsgemäßen Energiespeicher beinhaltet.

1A zeigt schematisch das Ersatzschaltbild zweier parallel geschalteter Energiespeicherzellen 31, 32. Die Energiespeicherzellen 31, 32 sind Teil eines in 1B gezeigten Energiespeichers 2, der über in 1B nicht gezeigte Anschlüsse an ein elektrisches Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges bestimmungsgemäß angeschlossen wird.
Die Energiespeicherzellen 31, 32 beinhalten jeweils eine positive Elektrode 311, 321 positiven Potenzials (Pluspole) und eine negative Elektrode 312, 322 negativen Potenzials (Minuspole). Die positiven Elektroden 311, 321 sind jeweils über ein Verbindungselement 7 miteinander verbunden, wodurch die Energiespeicherzellen 31, 32 eine Parallelschaltung 3 ausbilden.
Aufgrund der Parallelschaltung fällt über beide Energiespeicherzellen 31, 32 dieselbe Spannung ab. Die elektrischen Widerstände der Verbindungselemente 7 liegen in der Regel im µΩ-Bereich, sodass sich hierdurch keine signifikante Änderung der über die Energiespeicherzellen 31, 32 abfallenden Spannung ergibt.
Die Energiespeicherzellen 31, 32 sind bevorzugt Lithiumionen-Akkumulatoren, die ein Gehäuse mit einer Wanne und einem Deckel aufweisen. In der Wanne ist ein mit der positiven Elektrode 311, 321 kontaktiertes Elektrodenmaterial und ein mit der negativen Elektrode 312, 322 kontaktiertes Elektrodenmaterial aufgenommen. Die Elektrodenmaterialien sind durch einen Separator voneinander getrennt.
Bei Entladen der Lithiumionen-Akkumulatoren bzw. der Energiespeicherzellen 31, 32 bildet das mit der positiven Elektrode 311, 321 kontaktierte Elektrodenmaterial ein Kathodenmaterial, an dem definitionsgemäß eine Reduktion stattfindet. Folglich bildet das mit der negativen Elektrode 312, 322 kontaktierte Elektrodenmaterial bei Entladen der Energiespeicherzellen 31, 32 das Anodenmaterial, an dem definitionsgemäß die Oxidation stattfindet.
Jede Energiespeicherzelle 31, 32 weist im Ersatzschaltbild einen Teilwiderstand 313, 323, der der Kathode entspricht, und einen Teilwiderstand 314, 324, der der Anode entspricht, auf. Die Teilwiderstände 313, 323, 314, 324 der jeweiligen Energiespeicherzelle 31, 32 bilden zusammen den entsprechenden Innenwiderstand.
Zusätzlich beinhaltet das Ersatzschaltbild jeweils eine ideale Spannungsquelle für die Kathode bzw. Anode.
Eine Referenzelektrode 315, 325 ist an jeder der Energiespeicherzellen 31, 32 vorgesehen, wobei die Referenzelektroden 315, 325 jeweils auf einem Referenzpotenzial liegt, das sich zwischen den Teilwiderständen 313, 323, 314, 324 befindet. Beispielsweise kann ein Gehäuseteil (Wanne oder Deckel) der jeweiligen Energiespeicherzelle 31, 32 als die Referenzelektrode 315, 325 fungieren, indem der Gehäuseteil mit dem Referenzpotenzial kontaktiert ist. Alternativ kann auf dem Gehäuse der jeweiligen Energiespeicherzelle 31, 32 eine gesonderte von dem Gehäuse isolierte Elektrode vorgesehen sein.
Für den Abgriff des Referenzpotenzials kann beispielsweise ein bestimmtes Referenzelektrodenmaterial zwischen den Separator und das mit der positiven Elektrode 311, 321 kontaktierte Elektrodenmaterial und/oder das mit der negativen Elektrode 312, 322 kontaktierte Elektrodenmaterial eingefügt und mit der Referenzelektrode 315, 325 kontaktiert sein.
Eine Referenzspannung Uref fällt zwischen der Referenzelektrode 315, 325 und der negativen Elektrode 312, 322 der jeweiligen Energiespeicherzelle 31, 32 ab, wobei diese, wie im Folgenden noch erläutert wird, zur Ermittlung der elektrischen Zustände der jeweiligen Energiespeicherzelle 31, 32 erfasst bzw. abgegriffen wird. Die Referenzspannung könnte auch alternativ zwischen der positiven Elektrode 311, 321 und der Referenzelektrode 315, 325 der jeweiligen Energiespeicherzelle 31, 32 abgegriffen werden.
Wenn die Energiespeicherzellen 31, 32 ungleiche elektrische Zustände, insbesondere unterschiedliche Innenwiderstände aufweisen, kommt es während des Entladens der Energiespeicherzellen 31, 32 zu einer ungleichen Stromverteilung zwischen den Energiespeicherzellen 31, 32.
Im Stand der Technik wurden ungleiche elektrische Zustände zwischen den parallelen Energiespeicherzellen dadurch berücksichtigt, dass der maximal durch die Energiespeicherzellen fließende Strom begrenzt wurde. Eine solche Begrenzung ist erfindungsgemäß nicht mehr notwendig, weil durch das Erfassen der Referenzspannungen Uref ungleiche elektrische Zustände zwischen den Energiespeicherzellen 31, 32 erkannt werden können.
Die über die Energiespeicherzellen 31, 32 abfallende Spannung teilt sich in Bezug auf die jeweilige Energiespeicherzelle im Verhältnis der Teilwiderstände 313, 323, 314, 324 auf. Hieraus ergibt sich, dass, wenn die erfassten Referenzspannungen Uref identisch sind, folgende Bedingung erfüllt ist: $R_{313} * R_{324} = R_{314} * R_{323}$
Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen 31, 32 identisch aufgebaut und haben die gleichen elektrischen Kenngrößen, d.h. die Teilwiderstände 313, 323, 314, 324 und sind jeweils identisch.
Wenn die Referenzspannungen Uref identisch sind, kann hieraus gefolgert werden, dass sich die elektrischen Zustände der Energiespeicherzellen 31, 32, insbesondere deren den Innenwiderstand bildenden Teilwiderstände 313, 323, 314, 324, sich nicht ungleich entwickelt haben und obige Bedingung erfüllt ist. Der ungünstige, nicht aus den Referenzspannungen Uref ermittelbare Fall, dass sich die Teilwiderstände 313, 323, 314, 324 einer der Energiespeicherzellen 31, 32 gleichmäßig verändern und es somit zu einer ungleichen Stromverteilung zwischen den Energiespeicherzellen 31, 32 kommt, ist sehr unwahrscheinlich und kann deshalb vernachlässigt werden.
Wenn die Referenzspannungen Uref hingegen zueinander unterschiedlich sind, kann hieraus gefolgert werden, dass sich Teilwiderstände 313, 323, 314, 324 der Energiespeicherzellen 31, 32 verändert haben und somit obige Bedingung nicht mehr erfüllt ist, weshalb es zu einer ungleichen Strombelastung der parallelen Energiespeicherzellen 31, 32 kommt.
Unter Bezug auf 1B wird nunmehr eine erfindungsgemäße Energiespeicherauswertungseinheit 1 erläutert.
Die Energiespeicherauswertungseinheit 1 beinhaltet einen Energiespeicher 2 und eine Auswertungseinheit 5.
Der Energiespeicher 2 beinhaltet eine Vielzahl (2, ..., P) von Energiespeicherzellen 31, 32, die zueinander parallel geschaltet sind und eine Parallelschaltung 3 ausbilden. Zu der Parallelschaltung 3 ist bevorzugt eine identische, aus den Energiespeicherzellen 41, 42 aufgebaute weitere Parallelschaltung 4 in Reihe geschaltet, wobei die in Reihe geschalteten Parallelschaltungen 3, 4 eine Reihenschaltung ausbilden. Vorzugsweise beinhaltet die Reihenschaltung eine Vielzahl (2, ..., S) von den genannten Parallelschaltungen 3, 4.
Die Parallelschaltungen 3, 4 beinhalten bevorzugt die identische Anzahl an Energiespeicherzellen, die außerdem bevorzugt identische elektrische Kenngrößen (gleiche Kapazität und gleiche Teilwiderstände) aufweisen.
Alle den Energiespeicher 2 aufbauenden Energiespeicherzellen 31, 32, 41, 42 beinhalten eine Referenzelektrode 315, 325, 415, 425 wie sie im Vorhergehenden unter Bezug auf 1A abgeschrieben wurde.
In der Ausführungsform ist die Auswertungseinheit ein Energiezellenüberwachungsschaltkreis (integrierter Schaltkreis), der dazu eingerichtet ist, die Spannungen und Potenziale des Energiespeichers 2 zu überwachen.
Hierfür sind die positiven Elektroden 311, 321, 411, 421 und negativen Elektroden 312, 322, 412, 422 jeder der Parallelschaltungen 3, 4 an den Energiezellenüberwachungsschaltkreis angeschlossen. Die positiven und negativen Elektroden, an denen die Parallelschaltungen zur Ausbildung der Reihenschaltung miteinander kontaktiert sind, sind gemeinsam an den Energiezellenüberwachungsschaltkreis angeschlossen und liegen auf dem gleichen Potenzial. Insgesamt besitzt der Energiezellenüberwachungsschaltkreis S₊ 1 Anschlüsse für den Anschluss der positiven und negativen Elektroden.
Darüber hinaus besitzt der Energiezellenüberwachungsschaltkreis S* P Anschlüsse für den Anschluss aller Referenzelektroden.
Der Energiezellenüberwachungsschaltkreis kann nach Anschließen des Energiespeichers 2 die unter Bezug auf 1A erläuterten Referenzspannungen überwachen bzw. erfassen. Insbesondere werden hierbei die Referenzspannungen der Energiespeicherzellen 31, 32, 41, 42 miteinander verglichen, die gemeinsam in einer der Parallelschaltungen 3, 4 angeordnet sind bzw. eine der Parallelschaltungen 3, 4 bilden. Bevorzugt kann der Energiezellenüberwachungsschaltkreis auch Referenzspannungen unterschiedlicher Parallelschaltungen 3, 4 miteinander vergleichen.
Der Energiezellenüberwachungsschaltkreis gibt ein Informationssignal 51 an eine Steuereinheit 6 aus. Das Informationssignal 51 enthält die Information, ob die Referenzspannungen Uref der Energiespeicherzellen, die eine der Parallelschaltungen 3, 4 bilden, um einen bestimmten Schwellenwert voneinander abweichen oder nicht. Ist dies der Fall, erkennt die Steuereinheit 6, dass zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen eine ungleichmäßige Strombelastung vorliegt. Die Steuereinheit 6 begrenzt daraufhin den maximal durch die Energiespeicherzellen fließenden Strom zur Vermeidung von Schäden des Energiespeichers 2.
Neben den Referenzspannungen kann der Energiezellenüberwachungsschaltkreis auch eine Gesamtspannung, die über der gesamten Reihenschaltung abfällt, oder auch die Spannungen, die jeweils über eine der Parallelschaltungen 3, 4 abfällt, bevorzugt erfassen.
Der Energiezellenüberwachungsschaltkreis kann bevorzugt so ausgestaltet sein, dass er nicht nur die Referenzspannungen überwacht bzw. erfasst, sondern auch Diagnosewerte, wie beispielsweise den Ladezustand (SoC) oder den Qualitätszustand (SoH) des Energiespeichers 2 ermittelt. Die Diagnosewerte können dann ebenfalls in dem Informationssignal enthalten sein.
Darüber hinaus ist der Energiezellenüberwachungsschaltkreis bevorzugt so ausgestaltet, dass er die an seinen Anschlüssen anliegenden Spannungen analog/digital-wandelt, um die entsprechenden Signale anschließend weiterzuverarbeiten.
Alternativ kann die Auswertungseinheit 5 eine Vielzahl von Komparatoren aufweisen, die jeweils einer der Parallelschaltungen 3, 4 zugeordnet sind. Die Komparatoren vergleichen jeweils die Referenzspannungen der Energiespeicherzellen der entsprechend zugeordneten Parallelschaltung 3, 4 miteinander und geben das Vergleichsergebnis an ihrem jeweiligen Ausgang aus.
Die Ausgänge der Komparatoren sind wiederum an den Energiezellenüberwachungsschaltkreis angeschlossen, der die entsprechenden Vergleichsergebnisse analog/digital-wandelt und weiterverarbeitet an die Steuereinheit 6 übergibt. Hierdurch lässt sich der Integrationsaufwand des Energiezellenüberwachungsschaltkreises vermindern, weil eine geringere Anzahl von Anschlüssen notwendig ist.

Claims

Energiespeicher (2) zur Speicherung elektrischer Energie, insbesondere für ein elektrisches Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges, welcher aufweist: eine Vielzahl von Energiespeicherzellen (31, 32), die eine Parallelschaltung (3) bildend zueinander parallel geschaltet sind, wobei die Energiespeicherzellen jeweils eine positive Elektrode (311, 321) positiven Potenzials und eine negative Elektrode (312, 322) negativen Potenzials aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzellen (31, 32) jeweils eine Referenzelektrode (315, 325) aufweisen, die auf einem Referenzpotenzial zwischen dem positiven Potenzial und dem negativen Potenzial liegt; und die positive Elektrode (311, 321), die negative Elektrode (312, 322) und die Referenzelektrode (315, 325) der Energiespeicherzellen (31, 32) jeweils an eine Auswertungseinheit für einen Vergleich elektrischer Zustände der Energiespeicherzellen (31, 32) anschließbar sind.
Energiespeicher (2) gemäß Patentanspruch 1, wobei die Referenzpotenziale der Energiespeicherzellen (31, 32) gleich sind.
Energiespeicher (2) gemäß Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Energiespeicherzellen (31, 32) jeweils ein Gehäuse aufweisen, in dem ein mit der positiven Elektrode (311, 321) kontaktiertes Elektrodenmaterial und ein mit der negativen Elektrode (312, 322) kontaktiertes Elektrodenmaterial durch einen Separator getrennt voneinander in einer Elektrolytlösung aufgenommen sind, und die Referenzelektrode (315, 325) mit einem Referenzelektrodenmaterial kontaktiert ist, das sich (i) zwischen dem Separator und dem mit der positiven Elektrode (311, 321) kontaktierten Elektrodenmaterial befindet und/oder (ii) zwischen dem Separator und dem mit der negativen Elektrode (312, 322) kontaktierten Elektrodenmaterial befindet.
Energiespeicher (2) gemäß Patentanspruch 3, wobei die Referenzelektrode (315, 325) durch einen Teil des Gehäuses gebildet ist und auf dem Referenzpotenzial liegt; oder die Referenzelektrode (315, 325) eine von dem Gehäuse isolierte Elektrode ist.
Energiespeicher gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei der Energiespeicher eine Vielzahl der Parallelschaltungen (3, 4) aus den Energiespeicherzellen (31, 32, 41, 42) aufweist; die Parallelschaltungen (3, 4) der Vielzahl von Parallelschaltungen (3, 4) zueinander in Reihe geschaltet sind und eine Reihenschaltung bilden; und Enden der Reihenschaltung mit Anschlüssen kontaktiert sind, über die der Energiespeicher (2) bei bestimmungsgemäßer Verwendung an das Antriebsaggregat angeschlossen ist; wobei jede die Parallelschaltungen (3, 4) aufbauende Energiespeicherzelle (31, 32, 41, 42) die Referenzelektrode (315, 325, 415, 425) aufweist.
Energiespeicherauswertungseinheit (1) aufweisend: einen Energiespeicher (2) gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 5; und die Auswertungseinheit (5), an die die positiven Elektroden, die negativen Elektroden und die Referenzelektroden angeschlossen sind; wobei die Auswertungseinheit (5) eingerichtet ist, eine Referenzspannung, die zwischen der Referenzelektrode und entweder der positiven oder negativen Elektrode der jeweiligen Energiespeicherzelle abfällt, für jede der Energiespeicherzellen zu erfassen; und die Auswertungseinheit (5) eingerichtet ist, zumindest die elektrischen Zustände der Energiespeicherzellen, die die Parallelschaltung (3, 4) oder eine der Parallelschaltungen (3, 4) bilden, auf Basis der erfassten Referenzspannungen miteinander zu vergleichen.
Energiespeicherauswertungseinheit (1) gemäß Patentanspruch 6, wobei der Energiespeicher (2) ein solcher gemäß Patentanspruch 5 ist, eine Anzahl der in Reihe geschalteten Parallelschaltungen (3, 4) S ist und eine Anzahl der eine jeweilige der Parallelschaltungen (3, 4) aufbauenden Energiespeicherzellen P ist; und die Auswertungseinheit (5) ein Energiezellenüberwachungsschaltkreis mit S+ 1+ S* P Anschlüssen ist, an die die positiven Elektroden, die negativen Elektroden und die Referenzelektroden angeschlossen sind.
Energiespeicherauswertungseinheit (1) gemäß Patentanspruch 6, wobei der Energiespeicher (2) ein solcher gemäß Patentanspruch 5 ist, eine Anzahl der in Reihe geschalteten Parallelschaltungen (3, 4) S ist und eine Anzahl der eine jeweilige der Parallelschaltungen (3, 4) aufbauenden Energiespeicherzellen P ist; die Auswertungseinheit S Komparatoren aufweist, wobei jeder der S Komparatoren einer der Parallelschaltungen (3, 4) zugeordnet ist und einen Anschluss, an dem eine der Referenzspannungen anliegt, und P-1 Anschlüsse, an denen die verbleibenden Referenzspannungen der entsprechenden Parallelschaltung (3, 4) anliegen, aufweist; und die Auswertungseinheit (5) einen Energiezellenüberwachungsschaltkreis mit S₊ 1 Anschlüssen, an die die positiven Elektroden und die negativen Elektroden angeschlossen sind, und mit S Anschlüssen, an die Ausgänge der Komparatoren angeschlossen sind, aufweist.