DE102022210572A1 - Energy storage system, method for operating an energy storage system and use of an energy storage system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem (10), aufweisend einen elektrischen Energiespeicher (20, 30) mit einer ersten Speichereinheit (20) aus Hochleistungszellen (22) und einer zweiten Speichereinheit (30) aus Hochenergiezellen (32). Für eine verbesserte Nutzbarkeit der spezifischen Vorteile der Hochenergiezellen (22) und Hochleistungszellen (32) und somit Verbesserung der Gebrauchseigenschaften weist das System (10) gemäß der Erfindung ferner auf: eine Energieübertragungseinheit (40), um eine Übertragung von Energie zwischen der ersten Speichereinheit (20) und der zweiten Speichereinheit (30) zu ermöglichen; eine zum Laden und Entladen des elektrischen Energiespeichers (20, 30) vorgesehene Anschlusseinrichtung (50); eine Erfassungseinrichtung (60, 62, 64) zum Erfassen von Betriebsparametern (soc-p, soc-e, il) des elektrischen Energiespeichers (20, 30), die zumindest einen Zustandsparameter (soc-p) der Hochleistungszellen (22) und einen Zustandsparameter (soc-e) der Hochenergiezellen (32) umfassen; und eine Steuereinrichtung (70) zum Ansteuern der Energieübertragungseinheit (40) gemäß eines Übertragungsalgorithmus, der eine Ansteuerung der Energieübertragungseinheit (40) gemäß einer Übertragungsstrategie in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern (soc-p, soc-e, il) vorsieht, wobei die Übertragungsstrategie eine Vorgabe von Sollwerten oder Sollwertbereichen für einen Ladezustand (soc-p) der Hochleistungszellen (22) und einen Ladezustand (soc-e) der Hochenergiezellen (32) vorsieht. Ferner schlägt die Erfindung ein Betriebsverfahren sowie eine Verwendung für ein derartiges System (10) vor.The invention relates to an energy storage system (10) having an electrical energy store (20, 30) with a first storage unit (20) made of high-performance cells (22) and a second storage unit (30) made of high-energy cells (32). For improved usability of the specific advantages of the high-energy cells (22) and high-performance cells (32) and thus improvement of the usage properties, the system (10) according to the invention further comprises: an energy transfer unit (40) to enable a transfer of energy between the first storage unit (20) and the second storage unit (30); a connection device (50) provided for charging and discharging the electrical energy store (20, 30); a detection device (60, 62, 64) for detecting operating parameters (soc-p, soc-e, il) of the electrical energy storage device (20, 30), which comprise at least one state parameter (soc-p) of the high-performance cells (22) and one state parameter (soc-e) of the high-energy cells (32); and a control device (70) for controlling the energy transfer unit (40) according to a transmission algorithm which provides for controlling the energy transfer unit (40) according to a transmission strategy depending on the detected operating parameters (soc-p, soc-e, il), wherein the transmission strategy provides for a specification of target values or target value ranges for a state of charge (soc-p) of the high-performance cells (22) and a state of charge (soc-e) of the high-energy cells (32). The invention further proposes an operating method and a use for such a system (10).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem, ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems und eine Verwendung eines Energiespeichersystems.The present invention relates to an energy storage system, a method for operating an energy storage system and a use of an energy storage system.
Das Gebiet der Erfindung betrifft die Speicherung von Energie. Diese spielt eine zentrale Rolle beispielsweise im Zusammenhang mit der Gewinnung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen wie Photovoltaik, Wasserkraft, Windkraft etc., um eine bedarfsgerechte Bereitstellung der Energie unabhängig vom Zeitpunkt ihrer Gewinnung zu ermöglichen. Des Weiteren spielt die Speicherung von Energie eine zentrale Rolle beispielsweise im Automobilbereich zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeuges wie z.B. eines Batterie-Elektrofahrzeuges (BEV) oder eines Hybrid-Elektrofahrzeuges (HEV).The field of the invention relates to the storage of energy. This plays a central role, for example, in connection with the generation of electrical energy from renewable energy sources such as photovoltaics, hydropower, wind power, etc., in order to enable the energy to be provided as needed regardless of when it is generated. Furthermore, the storage of energy plays a central role, for example in the automotive sector for supplying energy to an electric drive system of a vehicle such as a battery electric vehicle (BEV) or a hybrid electric vehicle (HEV).
Insbesondere in den vorgenannten Anwendungen werden typischerweise elektrische Energiespeicher eingesetzt, in denen die Energie in einer Vielzahl von parallel und/oder seriell verschalteten wiederaufladbaren Batteriezellen gespeichert wird. Eine serielle Verschaltung von Batteriezellen (oder von mehreren parallel verschalteten Batteriezellen) ermöglicht hierbei vorteilhaft die Realisierung des Energiespeichers (wiederaufladbare Batterie) mit einer elektrischen Spannung an einem elektrischen Anschluss des Energiespeichers, die um ein Vielfaches größer als die Spannung der einzelnen Batteriezellen gewählt werden kann. Demgegenüber ermöglicht eine parallele Verschaltung von Batteriezellen (oder von mehreren seriell verschalteten Batteriezellen) eine Erhöhung sowohl der Speicherkapazität (betreffend Energie bzw. elektrische Ladung) als auch der „Belastbarkeit“ des Energiespeichers betreffend eine maximale elektrische Leistung bzw. einen maximalen elektrischen Strom beim Laden bzw. Entladen des Energiespeichers.In particular, in the aforementioned applications, electrical energy storage devices are typically used in which the energy is stored in a large number of rechargeable battery cells connected in parallel and/or in series. A serial connection of battery cells (or of several battery cells connected in parallel) advantageously enables the energy storage device (rechargeable battery) to be implemented with an electrical voltage at an electrical connection of the energy storage device that can be selected to be many times higher than the voltage of the individual battery cells. In contrast, a parallel connection of battery cells (or of several battery cells connected in series) enables an increase in both the storage capacity (in terms of energy or electrical charge) and the "load capacity" of the energy storage device in terms of maximum electrical power or maximum electrical current when charging or discharging the energy storage device.
Ein Problem bei der Auslegung von Batteriezellen und damit gebildeten Speichereinheiten besteht darin, dass eine höhere Energiedichte generell mit geringerer Leistungsdichte und umgekehrt eine höhere Leistungsdichte mit geringerer Energiedichte einhergeht. Auf diesem Zielkonflikt basierend können Batteriezellen oftmals als „Hochenergiezelle“ (HEC) oder aber als „Hochleistungszelle“ (HPC) klassifiziert werden, je nachdem welcher der beiden im Zielkonflikt stehenden Parameter, also einerseits Speicherkapazität bzw. Energiedichte (bei HEC) und andererseits Belastbarkeit bzw. Leistungsdichte (bei HPC) als vergleichsweise gut im Vergleich zu anderen Arten von Batteriezellen betrachtet werden kann.One problem with the design of battery cells and the storage units formed from them is that a higher energy density is generally associated with a lower power density and, conversely, a higher power density is associated with a lower energy density. Based on this conflicting objectives, battery cells can often be classified as "high energy cells" (HEC) or "high performance cells" (HPC), depending on which of the two conflicting parameters, i.e. storage capacity or energy density (for HEC) on the one hand and resilience or power density (for HPC) on the other hand, can be considered comparatively good compared to other types of battery cells.
Zur Energieversorgung in einem Batterie-Elektrofahrzeug (BEV) kommen typischerweise Hochenergiezellen (HEC) zum Einsatz, um eine große Reichweite zu erzielen, wohingegen für die Anwendung in einem Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oftmals Hochleistungszellen (HPC) vorteilhafter sind, z.B., um bei einer Rekuperation elektrische Energie mit einer hohen Leistung speichern zu können.High-energy cells (HEC) are typically used to supply energy in a battery electric vehicle (BEV) in order to achieve a long range, whereas high-performance cells (HPC) are often more advantageous for use in a hybrid electric vehicle (HEV), e.g. to be able to store electrical energy with a high power during recuperation.
Der jeweilige andere physikalische Parameter aus dem Paar „Speicherkapazität“ und „Belastbarkeit“ muss durch den elektrischen Energiespeicher hierbei miterfüllt werden, was in der Praxis nachteiliger Weise dazu führen kann, dass an sich unnötig viele HEC verbaut werden müssen, um eine gewünschte Belastbarkeit zu erzielen oder umgekehrt an sich unnötig viele HPC verbaut werden müssen, um eine gewünschte Speicherkapazität zu erzielen.The respective other physical parameter from the pair “storage capacity” and “load capacity” must also be fulfilled by the electrical energy storage device, which in practice can disadvantageously lead to an unnecessary number of HECs having to be installed in order to achieve a desired load capacity or, conversely, an unnecessary number of HPCs having to be installed in order to achieve a desired storage capacity.
Oftmals werden auch Kompromisse eingegangen, etwa indem eine Auslegung der Batteriezellen gewählt wird, bei der die Parameter Belastbarkeit und Speicherkapazität beide „in einem mittleren Bereich“ angesiedelt sind. Jedoch sind auch solche Zellen für die meisten Anwendungen keine optimal geeigneten Batteriezellen (da diese weder besonders hoch belastbar sind noch eine besonders hohe Speicherkapazität besitzen).Compromises are often made, for example by choosing a battery cell design in which the parameters of load capacity and storage capacity are both "in the middle range". However, such cells are not ideally suited for most applications (since they are neither particularly resilient nor have a particularly high storage capacity).
In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass beispielsweise bei BEV-Anwendungen die Belastbarkeit (Leistungsfähigkeit) des elektrischen Energiespeichers nicht nur im Hinblick auf eine benötigte bzw. gewünschte elektrische Leistung bei der Bestromung des elektrischen Antriebssystems relevant ist, also beim Entladen des Energiespeichers, sondern auch im Hinblick auf die zum (teilweisen oder vollständigen) Laden des Energiespeichers benötigte Zeit, also die Ladezeiten bzw. die Schnellladefähigkeit. Die Schnellladefähigkeit ist bei Hochenergiezellen (HEC) limitiert. Eine Auslegung mit Hochleistungszellen (HPC) würde diese Limitierung aufheben, würde dafür aber den maximalen Energieinhalt des Energiespeichers bei dessen vorgegebenem Gewicht bzw. Volumen deutlich reduzieren und somit die Reichweite des Fahrzeuges.In this context, it should be noted that in BEV applications, for example, the load capacity (performance) of the electrical energy storage device is not only relevant with regard to the required or desired electrical power when supplying power to the electric drive system, i.e. when discharging the energy storage device, but also with regard to the time required to (partially or fully) charge the energy storage device, i.e. the charging times or the fast charging capability. The fast charging capability is limited for high-energy cells (HEC). A design with high-performance cells (HPC) would remove this limitation, but would significantly reduce the maximum energy content of the energy storage device for its given weight or volume and thus the range of the vehicle.
Ferner sei in diesem Zusammenhang angemerkt, dass die Belastbarkeit (Leistungsfähigkeit) in der Praxis für einen bestimmten Anwendungsfall im Sinne einer betriebsmäßig maximal zulässigen elektrischen Leistung, gegebenenfalls separat für das Entladen und Laden des Energiespeichers (Batterie), zu definieren ist, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Alterung bzw. Degeneration von Batteriezellen und somit des Energiespeichers häufig mit hohen Strömen bzw. Leistungen beim Entladen und/oder Laden in Verbindung gebracht wird. Insofern besteht ein weiterer Zielkonflikt darin, dass eine höhere zugelassene elektrische Leistung generell mit geringerer Lebensdauer und/oder Zyklenfestigkeit und umgekehrt eine höhere Lebensdauer und/oder Zyklenfestigkeit mit geringerer elektrischer Belastbarkeit einhergeht. Die Zyklenfestikeit gibt an, wie oft eine Batterie entladen und dann wieder aufgeladen werden kann, bis ihre Speicherkapazität einen bestimmten Wert unterschreitet. Auch in dieser Hinsicht muss bei der Auslegung des Energiespeichers also ein Kompromiss eingegangen werden.Furthermore, it should be noted in this context that the load capacity (performance) in practice for a specific application must be defined in terms of a maximum permissible electrical power during operation, if necessary separately for the discharging and charging of the energy storage device (battery), taking into account that the ageing or degeneration of battery cells and thus of the energy storage device is often associated with high currents or power during discharging and/or charging. In this respect, there is a further conflict of objectives in that a higher permitted electrical power is generally associated with a shorter service life and/or cycle stability and Conversely, a longer service life and/or cycle stability is accompanied by a lower electrical load capacity. Cycle stability indicates how often a battery can be discharged and then recharged until its storage capacity falls below a certain value. In this respect, too, a compromise must be made when designing the energy storage system.
Ein aus dem Stand der Technik vom Prinzip her bekannter Ansatz zur Lösung der vorstehend erläuterten Probleme von elektrischen Energiespeichern besteht darin, gemäß eines „Hybridspeicherkonzepts“ in einem elektrischen Energiespeicher sowohl Hochenergiezellen (HEC) als auch Hochleistungszellen (HPC) einzusetzen, um durch die Kombination dieser verschiedenen Typen von Batteriezellen deren jeweils positive Energie- bzw. Leistungseigenschaften zu kombinieren.An approach known in principle from the state of the art to solve the problems of electrical energy storage systems explained above consists in using both high-energy cells (HEC) and high-performance cells (HPC) in an electrical energy storage system according to a "hybrid storage concept" in order to combine their respective positive energy and performance properties by combining these different types of battery cells.
Ein Energiespeichersystem dieser auch den technischen Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildenden Art (Hybridspeicherkonzept) ist beispielsweise aus der Veröffentlichung
Nachteilig ist bei diesem bekannten Energiespeichersystem z.B. eine je nach Anwendungsfall und Betriebssituation unter Umständen suboptimale Verteilung der Energie bzw. Ladung auf die beiden Speichereinheiten. Durch die Art und Weise des hierzu vorgesehenen „Ladungsausgleichs“, nämlich mittels Parallelschaltung der beiden Speichereinheiten werden die Spannungen beider Speichereinheiten aneinander angeglichen. Daraus resultiert eine Ladungsverteilung, die nicht genau bekannt ist und auch nicht beeinflussbar ist. Infolgedessen können die Vorteile des Hybridspeicherkonzepts nicht optimal genutzt werden, etwa wenn es darum geht, eine hohe Speicherkapazität möglichst gut mit einer hohen Leistungsfähigkeit einschließlich Schnellladefähigkeit des Energiespeichersystems zu kombinieren.A disadvantage of this known energy storage system is, for example, a potentially suboptimal distribution of energy or charge between the two storage units, depending on the application and operating situation. The type of "charge equalization" provided for this purpose, namely by connecting the two storage units in parallel, means that the voltages of both storage units are equalized. This results in a charge distribution that is not precisely known and cannot be influenced. As a result, the advantages of the hybrid storage concept cannot be optimally utilized, for example when it comes to combining high storage capacity as well as possible with high performance, including the ability of the energy storage system to quickly charge.
Ein weiteres Energiespeichersystem gemäß Hybridspeicherkonzept ist beispielsweise aus der
Nachteilig ist bei diesem bekannten Energiespeichersystem ebenfalls unter Umständen eine je nach Anwendungsfall und Betriebssituation nicht optimale Verteilung der Energie auf die beiden Speichereinheiten. In der Veröffentlichung explizit beschrieben wird in diesem Zusammenhang lediglich, dass z.B. beim Entladen mit geringer Leistungsanforderung nur die ersten Speichermodule (HEC) entladen und bei Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwerts der Leistung zusätzlich die zweiten Speichermodule (HPC) parallelgeschaltet entladen werden. Insofern widmet auch dieser Stand der Technik sich nicht einer in der Praxis noch weiter verbesserten bzw. optimierten Nutzbarkeit der prinzipiellen Vorteile des Hybridspeicherkonzepts.Another disadvantage of this known energy storage system is that, depending on the application and operating situation, the energy may not be distributed optimally between the two storage units. The publication only explicitly describes in this context that, for example, when discharging with a low power requirement, only the first storage modules (HEC) are discharged and, if a specified threshold value of the power is exceeded, the second storage modules (HPC) are also discharged in parallel. In this respect, this state of the art is not dedicated to further improving or optimizing the usability of the fundamental advantages of the hybrid storage concept in practice.
Beispielsweise waren in BEV-Anwendungen die Argumente für derartige bekannte Ausführungen des Hybridspeicherkonzepts bislang nicht ausreichend, um eine breite Marktdurchdringung zu bewirken. Vielmehr dominieren in diesem Bereich von vielen Kunden als unkomfortabel angesehene Konzepte wie z.B. das „Opportunity Charging“ (kleine Batterie, kurze Reichweite und schnelle Wiederaufladung bei jeder Gelegenheit) oder das „Overnight Charging“ (große Batterie, große Reichweite und langsame Wiederaufladung über Nacht).For example, in BEV applications, the arguments for such well-known versions of the hybrid storage concept have not yet been sufficient to achieve broad market penetration. Rather, concepts that many customers consider inconvenient dominate in this area, such as "opportunity charging" (small battery, short range and fast recharging at every opportunity) or "overnight charging" (large battery, long range and slow recharging overnight).
Die Kombination von verschiedenen Batteriezelltypen (HEC, HPC) gemäß eines Hybridspeicherkonzepts in einem Energiespeicher bringt mehr Flexibilität in der Auslegung der elektrischen Eigenschaften des Energiespeichers. Bei den bislang vorgeschlagenen konkreten Ausführungen entsprechender Energiespeichersysteme addieren sich in der Praxis jedoch gewissermaßen oftmals auch negative Eigenschaften, was zu suboptimalen Lösungen z.B. hinsichtlich Kosten und/oder Gewicht solcher Systeme führte.The combination of different battery cell types (HEC, HPC) according to a hybrid storage concept in an energy storage system brings more flexibility in the design of the electrical properties of the energy storage system. In practice, however, the specific designs of corresponding energy storage systems proposed to date often add up to negative properties, which has led to suboptimal solutions, e.g. in terms of costs and/or weight of such systems.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Speichern von Energie die vorstehenden Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen und bei einem Hybridspeicherkonzept eine verbesserte Nutzbarkeit der jeweiligen spezifischen Vorteile von Hochenergiezellen (HEC) und Hochleistungszellen (HPC) zu ermöglichen und somit eine Verbesserung der Gebrauchseigenschaften eines Energiespeichersystems in der Praxis zu ermöglichen.It is therefore an object of the present invention to eliminate the above disadvantages of the prior art when storing energy and to enable an improved usability of the respective specific advantages of high-energy cells (HEC) and high-performance cells (HPC) in a hybrid storage concept and thus to enable an improvement in the usage properties of an energy storage system in practice.
Für die Gebrauchseigenschaften eines Energiespeichersystems können je nach Anwendungsfall wie bereits erläutert zahlreiche physikalische Parameter von Bedeutung sein, insbesondere z.B.
- - Speicherkapazität bzw. Energiedichte,
- - Belastbarkeit bzw. Leistungsdichte, sei es hinsichtlich Entladevorgängen (z.B. leistungsstarke Bestromung eines elektrischen Verbrauchers) und/oder Ladevorgängen (z.B. Schnellladefähigkeit, sei es hinsichtlich teilweiser oder vollständiger Auf- bzw. Nachladung),
- - Alterungsverhalten, Lebensdauer und Zyklenfestigkeit,
- - Kosten und Gewicht.
- - storage capacity or energy density,
- - Load capacity or power density, whether in terms of discharging processes (e.g. high-performance power supply to an electrical consumer) and/or charging processes (e.g. rapid charging capability, whether in terms of partial or complete charging or recharging),
- - Ageing behaviour, service life and cycle stability,
- - Cost and weight.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird die vorstehend genannte Aufgabe durch ein Energiespeichersystem nach Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem weist auf:
- - einen elektrischen Energiespeicher mit einer ersten Speichereinheit aus Hochleistungszellen (HPC) und einem ersten Anschluss zum Laden und Entladen der Hochleistungszellen, und mit einer zweiten Speichereinheit aus Hochenergiezellen (HEC) und einem zweiten Anschluss zum Laden und Entladen der Hochenergiezellen,
- - eine ansteuerbare bidirektionale Energieübertragungseinheit, die einerseits mit dem ersten Anschluss und andererseits mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, um eine Übertragung von Energie zwischen der ersten Speichereinheit und der zweiten Speichereinheit zu ermöglichen,
- - eine mit dem ersten Anschluss verbundene, zum Laden und Entladen des elektrischen Energiespeichers vorgesehene Anschlusseinrichtung,
- - eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Betriebsparametern des elektrischen Energiespeichers, die zumindest einen Zustandsparameter der Hochleistungszellen und einen Zustandsparameter der Hochenergiezellen umfassen,
- - eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Energieübertragungseinheit gemäß eines Übertragungsalgorithmus, der eine Ansteuerung der Energieübertragungseinheit gemäß einer Übertragungsstrategie in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern vorsieht, wobei die Übertragungsstrategie eine Vorgabe von Sollwerten oder Sollwertbereichen für einen Ladezustand der Hochleistungszellen und einen Ladezustand der Hochenergiezellen vorsieht.
- - an electrical energy storage device with a first storage unit made of high-performance cells (HPC) and a first connection for charging and discharging the high-performance cells, and with a second storage unit made of high-energy cells (HEC) and a second connection for charging and discharging the high-energy cells,
- - a controllable bidirectional energy transfer unit, which is connected on the one hand to the first connection and on the other hand to the second connection in order to enable a transfer of energy between the first storage unit and the second storage unit,
- - a connection device connected to the first connection for charging and discharging the electrical energy storage device,
- - a detection device for detecting operating parameters of the electrical energy storage device, which comprise at least one state parameter of the high-performance cells and one state parameter of the high-energy cells,
- - a control device for controlling the energy transfer unit according to a transmission algorithm which provides for controlling the energy transfer unit according to a transmission strategy depending on the detected operating parameters, wherein the transmission strategy provides for a specification of target values or target value ranges for a charge state of the high-performance cells and a charge state of the high-energy cells.
Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem ermöglicht vorteilhaft eine verbesserte Nutzbarkeit der jeweiligen spezifischen Vorteile von Hochenergiezellen (HEC) und Hochleistungszellen (HPC) und dadurch verbesserte Gebrauchseigenschaften des Energiespeichersystems.The energy storage system according to the invention advantageously enables an improved usability of the respective specific advantages of high-energy cells (HEC) and high-performance cells (HPC) and thus improved usage properties of the energy storage system.
Die Verbindung der zum Laden/Entladen des elektrischen Energiespeichers dienenden Anschlusseinrichtung mit dem ersten Anschluss, d.h. an der ersten Speichereinheit, nachfolgend auch als HPC-Speichereinheit bezeichnet, ermöglicht vorteilhaft ein sehr direktes und somit verlustfreies Laden/Entladen der HPC-Speichereinheit mit vergleichsweise hoher Leistung. Bei zusätzlichem Leistungsbedarf kann durch entsprechende Ansteuerung der Energieübertragungseinheit zusätzlich die zweite Speichereinheit, nachfolgend auch als HEC-Speichereinheit bezeichnet, genutzt werden. Die Energieübertragungseinheit (Leistungselektronik) kann leistungsmäßig vorteilhaft an die Belastbarkeit (maximale Leistung) der HEC-Speichereinheit angepasst dimensioniert sein. Eine vorteilhafte bzw. für den konkreten Anwendungsfall optimierte Verteilung der Energie bzw. Ladung auf die beiden Speichereinheiten im Betrieb des Energiespeichersystems lässt sich dadurch erreichen, dass mittels der Steuereinrichtung ein Übertragungsalgorithmus ausgeführt wird, der eine Ansteuerung der Energieübertragungseinheit gemäß einer Übertragungsstrategie in Abhängigkeit von bestimmten im elektrischen Energiespeicher erfassten Betriebsparametern vorsieht, wobei diese Übertragungsstrategie eine Vorgabe von Sollwerten oder Sollwertbereichen für einen Ladezustand der Hochleistungszellen und einen Ladezustand der Hochenergiezellen vorsieht (worunter auch z.B. ein Sollwert bzw. Sollwertbereich für ein Verhältnis der beiden genannten Ladezustände fallen soll). Der Übertragungsalgorithmus bzw. die damit realisierte Übertragungsstrategie kann beispielsweise programmgesteuert, etwa mittels einer in der Steuereinrichtung ablaufenden Steuersoftware implementiert sein.The connection of the connection device used to charge/discharge the electrical energy storage device to the first connection, i.e. to the first storage unit, hereinafter also referred to as the HPC storage unit, advantageously enables a very direct and thus loss-free charging/discharging of the HPC storage unit with comparatively high power. If additional power is required, the second storage unit, hereinafter also referred to as the HEC storage unit, can also be used by controlling the energy transfer unit accordingly. The energy transfer unit (power electronics) can advantageously be dimensioned to match the load capacity (maximum power) of the HEC storage unit. An advantageous distribution of the energy or charge to the two storage units during operation of the energy storage system, or one that is optimized for the specific application, can be achieved by using the control device to execute a transmission algorithm that provides for controlling the energy transmission unit according to a transmission strategy depending on certain operating parameters recorded in the electrical energy storage device, whereby this transmission strategy provides for a specification of setpoint values or setpoint ranges for a charge level of the high-performance cells and a charge level of the high-energy cells (which should also include, for example, a setpoint value or setpoint range for a ratio of the two aforementioned charge levels). The transmission algorithm or the transmission strategy implemented with it can, for example, be implemented in a program-controlled manner, for example by means of control software running in the control device.
Bei den zu erfassenden „Betriebsparametern“ des elektrischen Energiespeichers kann es sich im weitesten Sinne um beliebige physikalische Größen handeln, soweit diese zur Charakterisierung eines bestimmten Betriebszustands des Energiespeichers taugen. Erfindungsgemäß werden als Betriebsparameter zumindest ein „Zustandsparameter“ der Hochleistungszellen (HPC) und ein Zustandsparameter der Hochenergiezellen (HEC) erfasst. Ein solcher Zustandsparameter charakterisiert eine bestimmte Eigenschaft des Zustands der betreffenden Batteriezellen (HPC bzw. HEC) und mithin der daraus gebildeten Speichereinheit.The “operating parameters” of the electrical energy storage system to be recorded can, in the broadest sense, be any physical quantities, as long as they are used to characterize a specific operating state of the energy storage device. According to the invention, at least one "state parameter" of the high-performance cells (HPC) and one state parameter of the high-energy cells (HEC) are recorded as operating parameters. Such a state parameter characterizes a specific property of the state of the battery cells in question (HPC or HEC) and thus of the storage unit formed from them.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist als ein Zustandsparameter der Hochleistungszellen (HPC) und/oder der Hochenergiezellen (HEC) ein „Ladezustand“ der betreffenden Zellen vorgesehen, womit ein Parameter gemeint ist, der in quantitativer Weise charakterisiert, inwieweit die betreffenden Batteriezellen (und mithin die daraus gebildete Speichereinheit) geladen sind. Als ein solcher Ladezustand kann somit insbesondere z.B. der sogenannte „State of Charge“ (SoC) vorgesehen sein, d.h. ein Parameter, der die momentan gespeicherte elektrische Ladung im Verhältnis zum Nominalwert der maximal speicherbaren elektrischen Ladung (Kapazität der Batterie) angibt. Abweichend davon kann im Rahmen der Erfindung als Ladezustand jedoch beispielsweise auch ein Parameter vorgesehen sein, der anstelle der elektrischen Ladung die in den betreffenden Zellen gespeicherte Energie charakterisiert.In one embodiment of the invention, a "state of charge" of the cells in question is provided as a state parameter of the high-performance cells (HPC) and/or the high-energy cells (HEC), which means a parameter that characterizes in a quantitative manner the extent to which the battery cells in question (and thus the storage unit formed from them) are charged. Such a state of charge can thus be provided in particular, for example, the so-called "state of charge" (SoC), i.e. a parameter that indicates the currently stored electrical charge in relation to the nominal value of the maximum storable electrical charge (capacity of the battery). Deviating from this, however, within the scope of the invention, a parameter can also be provided as the state of charge, for example, which characterizes the energy stored in the cells in question instead of the electrical charge.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist als ein Zustandsparameter der Hochleistungszellen (HPC) und/oder Hochenergiezellen (HEC) ein „Leistungsparameter“ vorgesehen, der in quantitativer Weise charakterisiert, inwieweit die betreffenden Batteriezellen (und mithin die daraus gebildete Speichereinheit) „belastbar“ sind hinsichtlich eines Ladens und/oder Entladens. Hierfür kann insbesondere z.B. der sogenannte „State of Power“ (SoP) vorgesehen sein, d.h. ein Parameter, der eine momentan bzw. für eine bestimmte kurze Zeitspanne (ohne Verletzung von vorgegebenen Spezifikationen) aufrechterhaltbare elektrische Spitzenleistung im Verhältnis zu einer Nennleistung angibt.In one embodiment of the invention, a "performance parameter" is provided as a state parameter of the high-performance cells (HPC) and/or high-energy cells (HEC), which quantitatively characterizes the extent to which the battery cells in question (and thus the storage unit formed from them) are "loadable" with regard to charging and/or discharging. For this purpose, the so-called "State of Power" (SoP) can be provided in particular, i.e. a parameter that indicates a peak electrical power that can be maintained momentarily or for a certain short period of time (without violating predetermined specifications) in relation to a nominal power.
Alternativ oder zusätzlich zu wenigstens einem solchen „Leistungsparameter“ (unter den von der Übertragungsstrategie zu berücksichtigenden Betriebsparametern) kann als ein Zustandsparameter der Hochleistungszellen (HPC) und/oder der Hochenergiezellen (HEC) insbesondere z.B. auch ein Parameter der betreffenden Zellen vorgesehen sein, der eine andere deren „Leistungsfähigkeitszustand“ charakterisierende Eigenschaft quantifiziert. Beispielsweise kann es sich bei einem solchen „Leistungsfähigkeitszustand“ (Parameter) um einen Parameter handeln, der im Hinblick auf Degradations- und Alterungsprozesse eine „momentane Speicherkapazität“ der betreffenden Batteriezellen (und mithin der daraus gebildeten Speichereinheit) charakterisiert. Als ein solcher Leistungsfähigkeitszustand kann z.B. der sogenannte „State of Health“ (SoH) vorgesehen sein, d.h. ein Parameter, der die momentan maximal speicherbare elektrische Ladung im Verhältnis zum Nominalwert der maximal speicherbaren elektrischen Ladung angibt.Alternatively or in addition to at least one such "performance parameter" (among the operating parameters to be taken into account by the transmission strategy), a state parameter of the high-performance cells (HPC) and/or the high-energy cells (HEC) can also be provided, in particular, for example, a parameter of the cells in question that quantifies another property characterizing their "performance state". For example, such a "performance state" (parameter) can be a parameter that characterizes a "current storage capacity" of the battery cells in question (and thus of the storage unit formed from them) with regard to degradation and aging processes. Such a performance state can be provided, for example, as the so-called "State of Health" (SoH), i.e. a parameter that indicates the currently maximum storable electrical charge in relation to the nominal value of the maximum storable electrical charge.
In einer Ausführungsform ist als ein Zustandsparameter der Hochleistungszellen (HPC) der Ladezustand (z.B. SoC) vorgesehen. Alternativ oder besonders vorteilhaft zusätzlich kann als ein Zustandsparameter der Hochleistungszellen jedoch auch ein Leistungsparameter (z.B. SoP) vorgesehen sein.In one embodiment, the state of charge (e.g. SoC) is provided as a state parameter of the high-performance cells (HPC). Alternatively or particularly advantageously in addition, a performance parameter (e.g. SoP) can also be provided as a state parameter of the high-performance cells.
In einer Ausführungsform ist als ein Zustandsparameter der Hochenergiezellen (HEC) zumindest der Ladezustand (z.B. SoC) vorgesehen.In one embodiment, at least the state of charge (e.g. SoC) is provided as a state parameter of the high-energy cells (HEC).
Bei den „Hochleistungszellen“ (HPC) und „Hochenergiezellen“ (HEC) handelt es sich im Rahmen der Erfindung um Batteriezellen unterschiedlicher Art, wobei diese Begriffe als wechselseitig aufeinander bezogen zu verstehen sind, also insbesondere durch diese Begriffe keine Einschränkung hinsichtlich absoluter Werte einer Belastbarkeit (maximale Leistung bzw. maximale Stromstärke) bzw. einer Speicherkapazität (Energie bzw. Ladung) der Batteriezelle bzw. einer durch eine Verschaltung solcher Batteriezellen gebildeten Speichereinheit impliziert sein soll.In the context of the invention, “high-performance cells” (HPC) and “high-energy cells” (HEC) are battery cells of different types, whereby these terms are to be understood as being mutually related to one another, i.e. in particular, these terms are not intended to imply any restriction with regard to absolute values of a load capacity (maximum power or maximum current) or a storage capacity (energy or charge) of the battery cell or of a storage unit formed by an interconnection of such battery cells.
Für die Klassifizierung der zwei verschiedenen Arten von eingesetzten Batteriezellen kann beispielsweise der sogenannte „C-Faktor“ herangezogen werden, definiert als Quotient aus dem maximalen Entladestrom und der Nennkapazität (oder auch Quotient aus der maximalen Entladeleistung und der Nennenergiekapazität) der Batteriezelle bzw. einer betreffenden Speichereinheit. Der C-Faktor kann somit auch als der Kehrwert derjenigen Zeitspanne betrachtet werden, innerhalb derer eine vollgeladene Batteriezelle bzw. Speichereinheit mit dem maximalen Entladestrom vollständig entladen wird.For example, the so-called "C-factor" can be used to classify the two different types of battery cells used, defined as the quotient of the maximum discharge current and the nominal capacity (or the quotient of the maximum discharge power and the nominal energy capacity) of the battery cell or a storage unit in question. The C-factor can therefore also be viewed as the reciprocal of the time period within which a fully charged battery cell or storage unit is completely discharged with the maximum discharge current.
Im Sinne der Erfindung stellen dann die Zellen mit dem größeren C-Faktor die Hochleistungszellen (HPC) und die Zellen mit dem kleineren C-Faktor die Hochenergiezellen (HEC) dar, wobei anzumerken ist, dass die Begriffe „HPC“ und „HEC“ im Sinne der Erfindung keine Einschränkungen bezüglich absoluter Kenngrößen betreffend „Leistungsdichte“ bzw. „Energiedichte“ bzw. deren Verhältnis (wie z.B. durch obigen C-Wert quantifizierbar) bedeuten sollen, sondern lediglich einen entsprechenden relativen (aufeinander bezogen) Unterschied zwischen den Eigenschaften der beiden eingesetzten Arten von Zellen zum Ausdruck bringen.For the purposes of the invention, the cells with the larger C-factor then represent the high-performance cells (HPC) and the cells with the smaller C-factor represent the high-energy cells (HEC), whereby it should be noted that the terms "HPC" and "HEC" for the purposes of the invention are not intended to imply any restrictions with regard to absolute parameters relating to "power density" or "energy density" or their ratio (as quantifiable, for example, by the above C-value), but merely express a corresponding relative (related to one another) difference between the properties of the two types of cells used.
Zum C-Wert wie oben definiert zwei Beispiele: Bei einer Speichereinheit mit einer Nennkapazität von 20 Ah und einem maximalen Entladestrom von 200 A beträgt der C-Faktor: (200 A) / (20 Ah) = 10 x (1/h). Die Speichereinheit lässt sich somit in 0,1 h (=6 min) entladen. Bei einer Speichereinheit mit einer Nennkapazität von 50 Ah und einem maximalen Entladestrom von 25 A beträgt der C-Faktor (25 A) / (50 Ah) = 0,5 x (1/h). Die Speichereinheit lässt sich somit in 2 h (=120 min) entladen.Two examples of the C value as defined above: For a storage unit with a nominal capacity of 20 Ah and a maximum discharge current of 200 A, the C factor is: (200 A) / (20 Ah) = 10 x (1/h). The storage unit can therefore be discharged in 0.1 h (=6 min). For a storage unit with a nominal capacity of 50 Ah and a maximum discharge current of 25 A, the C factor is (25 A) / (50 Ah) = 0.5 x (1/h). The storage unit can therefore be discharged in 2 h (=120 min).
In einer Ausführungsform der Erfindung besitzen die Hochleistungszellen (HPC) einen C-Wert größer als 1 x (1/h), insbesondere größer als 2 x (1/h), und/oder besitzen die Hochenergiezellen (HEC) einen C-Wert kleiner als 1 x (1/h), insbesondere kleiner als 0,5 x (1/h).In one embodiment of the invention, the high-performance cells (HPC) have a C value greater than 1 x (1/h), in particular greater than 2 x (1/h), and/or the high-energy cells (HEC) have a C value less than 1 x (1/h), in particular less than 0.5 x (1/h).
In einer Ausführungsform besitzen die Hochleistungszellen (HPC) einen C-Wert, der um mindestens einen Faktor 2, insbesondere mindestens einen Faktor 5, größer ist als der C-Wert der Hochenergiezellen (HEC).In one embodiment, the high performance cells (HPC) have a C value that is at least a factor of 2, in particular at least a factor of 5, greater than the C value of the high energy cells (HEC).
Bei den Zellen kann es sich insbesondere um elektrochemische Batteriezellen handeln. Beispielhaft seien hierzu Lithium-Ionen-Zellen auf Basis von Übergangsmetallmischoxiden des Lithiums genannt, wobei als Hochenergiezellen z.B. Zellen auf Basis von Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (NCM) und als Hochleistungszellen z.B. Zellen auf Basis von Lithiumtitanat (LTO) vorgesehen sein können.The cells can be electrochemical battery cells in particular. Examples of this include lithium-ion cells based on mixed transition metal oxides of lithium, whereby high-energy cells can be cells based on lithium nickel cobalt manganese oxide (NCM) and high-performance cells can be cells based on lithium titanate (LTO).
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Hochleistungszellen (HPC) z.B. als Ultrakondensatoren oder als Zellen des Typs LTO vorgesehen. Alternativ können hierfür auch z.B. Zellen des Typs LFP (Lithium-Ferrophosphat) vorgesehen sein.In an advantageous embodiment of the invention, the high-performance cells (HPC) are provided, for example, as ultracapacitors or as LTO type cells. Alternatively, cells of the LFP (lithium ferrophosphate) type can also be provided.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Hochenergiezellen (HEC) z.B. als Zellen des Typs LFP oder des Typs NCM vorgesehen. Alternativ können hierfür auch z.B. Zellen des Typs LNMO (Lithium-Nickel-Manganoxid) vorgesehen sein.In an advantageous embodiment of the invention, the high-energy cells (HEC) are provided, for example, as cells of the LFP type or the NCM type. Alternatively, cells of the LNMO (lithium nickel manganese oxide) type can also be provided.
Die HEC-Speichereinheit und die HPC-Speichereinheit sind bevorzugt jeweils aus einer Vielzahl von identischen, seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen gebildet, insbesondere elektrochemischen Batteriezellen.The HEC storage unit and the HPC storage unit are preferably each formed from a plurality of identical battery cells connected in series and/or in parallel, in particular electrochemical battery cells.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist bei der HEC-Speichereinheit und/oder der HPC-Speichereinheit jeweils eine Verschaltung der Zellen zu einer Mehrzahl von „Modulen“, nachfolgend auch als Teileinheiten bezeichnet, vorgesehen, wobei diese Teileinheiten jeweilige negative und positive Anschlusskontakte aufweisen, über welche diese Teileinheiten unabhängig voneinander bestrombar sind, d.h. unabhängig voneinander geladen oder entladen werden können. Hinsichtlich einer konkreten Ausführung einer derartigen Verschaltung kann vorteilhaft auf den Stand der Technik von elektrischen Energiespeichern zurückgegriffen werden, aus dem derartige Verschaltungen bekannt sind.In a preferred embodiment, the HEC storage unit and/or the HPC storage unit each provide for the cells to be interconnected to form a plurality of “modules”, hereinafter also referred to as sub-units, wherein these sub-units have respective negative and positive connection contacts via which these sub-units can be supplied with current independently of one another, i.e. can be charged or discharged independently of one another. With regard to a specific embodiment of such an interconnection, it is advantageous to draw on the state of the art of electrical energy storage devices, from which such interconnections are known.
Für die jeweils zu einem Modul verschalteten Zellen kann im Rahmen der Erfindung ein sog. „Balancing“ vorgesehen sein, um damit die Ladezustände dieser Zellen zu vergleichmäßigen bzw. zumindest sicherzustellen, dass deren Ladezustände jeweils innerhalb eines bestimmten (in der konkreten Anwendung definierten) Bereichs bleiben. Für die konkrete Ausgestaltung eines solchen Batteriezellen-Balancing kann vorteilhaft auf Stand der Technik zurückgegriffen werden (z.B. „aktives“ oder „passives“ Balancing).Within the scope of the invention, so-called "balancing" can be provided for the cells connected to form a module in order to equalize the charge states of these cells or at least to ensure that their charge states remain within a certain range (defined in the specific application). For the specific design of such battery cell balancing, it is advantageous to use state-of-the-art technology (e.g. "active" or "passive" balancing).
Wenn im Rahmen der Erfindung bei der HEC-Speichereinheit und/oder der HPC-Speichereinheit jeweils eine solche Verschaltung zu Teileinheiten vorgesehen ist, so sind die vorgenannten negativen und positiven Anschlusskontakte bevorzugt mit elektrischen Anschlusskontakten des „Anschlusses“ der betreffenden Speichereinheit verbunden, der wiederum mit der ansteuerbaren bidirektionalen Energieübertragungseinheit verbunden ist.If, within the scope of the invention, such an interconnection to subunits is provided for the HEC storage unit and/or the HPC storage unit, the aforementioned negative and positive connection contacts are preferably connected to electrical connection contacts of the “connection” of the respective storage unit, which in turn is connected to the controllable bidirectional energy transfer unit.
Der Begriff „Anschluss“ in den Begriffen „erster Anschluss“ (der HPC-Speichereinheit) und „zweiter Anschluss“ (der HEC-Speichereinheit) ist insofern breit zu verstehen und nicht auf den einfachsten Fall eines zweipoligen Anschlusses (ein negativer Pol und ein positiver Pol der Speichereinheit) beschränkt. Vielmehr kann der „Anschluss“ jeder Speichereinheit im Hinblick auf die vorstehend erläuterte Verschaltung zu mehreren Teileinheiten innerhalb der HPC-Speichereinheit und/oder der HEC-Speichereinheit auch eine entsprechende Vielzahl von elektrischen Anschlusskontakten besitzen.The term "connection" in the terms "first connection" (of the HPC storage unit) and "second connection" (of the HEC storage unit) is to be understood broadly and is not limited to the simplest case of a two-pole connection (one negative pole and one positive pole of the storage unit). Rather, the "connection" of each storage unit can also have a corresponding number of electrical connection contacts with regard to the above-explained interconnection to several sub-units within the HPC storage unit and/or the HEC storage unit.
In vielen herkömmlichen elektrischen Energiespeichern, die einen modularen Ansatz verfolgen, werden typischerweise z.B. jeweils etwa 8-18 Zellen zu einer (separat bestrombaren) Teileinheit (Modul) zusammengefasst und dann wieder 6-40 derartige Teileinheiten zu einem seriellen Strang verschaltet. Dieses speziellere Konzept kann vorteilhaft auch für die Verschaltung der Zellen in den HPC- und HEC-Speichereinheiten des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems vorgesehen sein.In many conventional electrical energy storage systems that follow a modular approach, typically around 8-18 cells are combined to form a (separately powered) sub-unit (module) and then 6-40 such sub-units are connected to form a serial string. This more specific concept can also be advantageously provided for the connection of the cells in the HPC and HEC storage units of the energy storage system according to the invention.
Hierzu ein Beispiel: Angenommen eine Speichereinheit weist 40 seriell verschaltete Teileinheiten auf (die jeweils aus einem zugehörigen Teil (z.B. 8 Stck) der betreffenden Zellen gebildet sind), so können an dieser Speichereinheit 41 Anschlusskontakte vorgesehen sein, um darüber die 40 Teileinheiten separat voneinander betreiben (laden und entladen) zu können. In diesem Fall kann der „Anschluss“ der Speichereinheit also eine entsprechende Anzahl von 41 elektrischen Anschlusskontakten besitzen, die mit der ansteuerbaren bidirektionalen Energieübertragungseinheit verbunden sind (Allgemein: „n+1“ Anschlusskontakte im Falle von „n“ seriell verschalteten Teileinheiten).Here is an example: Assuming a storage unit has 40 serially connected sub-units (each of which is formed from an associated part (e.g. 8 pieces) of the relevant cells), 41 connection contacts can be connected to this storage unit. be provided in order to be able to operate the 40 sub-units separately from one another (charge and discharge). In this case, the "connection" of the storage unit can therefore have a corresponding number of 41 electrical connection contacts that are connected to the controllable bidirectional energy transfer unit (generally: "n+1" connection contacts in the case of "n" serially connected sub-units).
Dies besitzt den Vorteil, dass bei der Übertragung von Energie zwischen der HPC-Speichereinheit und der HEC-Speichereinheit für die mehreren Teileinheiten jeweils eine individuell (für jede einzelne Teileinheit) bestimmte Abfuhr bzw. Zufuhr von Energie ermöglicht ist.This has the advantage that when transferring energy between the HPC storage unit and the HEC storage unit, an individually determined removal or supply of energy (for each individual sub-unit) is possible for the multiple sub-units.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei der Übertragung von Energie zwischen der HPC-Speichereinheit und der HEC-Speichereinheit gewissermaßen ein „Teileinheiten-Balancing“ an der oder den betreffenden (Teileinheiten besitzenden) Speichereinheit(en) durchgeführt wird. In a further development of this embodiment, it is provided that during the transfer of energy between the HPC storage unit and the HEC storage unit, a so-called “sub-unit balancing” is carried out on the relevant storage unit(s) (which have sub-units).
Vorteilhaft können damit die Ladezustände der eine Speichereinheit (HPC- oder HEC-Speichereinheit) bildenden Teileinheiten (Module) vergleichmäßigt und/oder zumindest sichergestellt werden, dass diese Ladezustände jeweils innerhalb bestimmter, in der konkreten Anwendung definierter Bereiche bleiben.Advantageously, this makes it possible to equalize the charge states of the sub-units (modules) forming a storage unit (HPC or HEC storage unit) and/or at least to ensure that these charge states remain within certain ranges defined in the specific application.
Wenn eine Verschaltung der Hochleistungszellen (HPC) und/oder Hochenergiezellen (HEC) zu Teileinheiten vorgesehen ist, so können die im Rahmen der Erfindung erfassten und von der Übertragungsstrategie zu berücksichtigenden Betriebsparameter, insbesondere „Zustandsparameter“ der Hochleistungszellen (HPC) und/oder Hochenergiezellen (HEC), wie z.B. SoC, SoP, SoH etc., individuell für jede Teileinheit erfasst und von der Übertragungsstrategie bei der Ansteuerung der Energieübertragung berücksichtigt werden.If an interconnection of the high-performance cells (HPC) and/or high-energy cells (HEC) to form subunits is provided, the operating parameters recorded within the scope of the invention and to be taken into account by the transmission strategy, in particular "state parameters" of the high-performance cells (HPC) and/or high-energy cells (HEC), such as SoC, SoP, SoH, etc., can be recorded individually for each subunit and taken into account by the transmission strategy when controlling the energy transfer.
Die bidirektionale Energieübertragungseinheit dient zur Übertragung von Energie zwischen der HPC-Speichereinheit und der HEC-Speichereinheit und wird zu diesem Zweck von der Steuereinrichtung entsprechend angesteuert (gemäß der Übertragungsstrategie). Die Energieübertragungseinheit kann z.B. einen oder mehrere DC/DC-Wandler aufweisen. Im bevorzugten Fall einer Verschaltung der Zellen in der HPC-Speichereinheit und/der HEC-Speichereinheit zu separat betreibbaren Teileinheiten kann die Energieübertragungseinheit eine DC/DC-Wandleranordnung (z.B. umfassend mehrere DC/DC-Wandler) aufweisen, die dazu ausgebildet ist, einerseits über die jeweiligen Anschlusskontakte der Teileinheiten eine jeweiligen „Teilenergie“ abzuführen oder zuzuführen und andererseits die „Summe der Teilenergien“ über den Anschluss der anderen Speichereinheit der anderen Speichereinheit zuzuführen bzw. abzuführen (wobei auch hier die Zufuhr bzw. Abfuhr wieder aufgeteilt in Teilenergien für jeweilige Teileinheiten der anderen Speichereinheit vorgesehen sein kann). Insbesondere kann in dieser Weise das oben genannte „Teileinheiten-Balancing“ realisiert werden.The bidirectional energy transfer unit is used to transfer energy between the HPC storage unit and the HEC storage unit and is controlled accordingly by the control device for this purpose (according to the transfer strategy). The energy transfer unit can, for example, have one or more DC/DC converters. In the preferred case of interconnecting the cells in the HPC storage unit and/or the HEC storage unit to form separately operable sub-units, the energy transfer unit can have a DC/DC converter arrangement (e.g. comprising several DC/DC converters) which is designed to, on the one hand, discharge or supply a respective “partial energy” via the respective connection contacts of the sub-units and, on the other hand, to supply or discharge the “sum of the partial energies” to the other storage unit via the connection of the other storage unit (whereby the supply or discharge can again be provided divided into partial energies for respective sub-units of the other storage unit). In particular, the above-mentioned “sub-unit balancing” can be implemented in this way.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl der Teileinheiten der HPC-Speichereinheit gleich der Anzahl der Teileinheiten der HEC-Speichereinheit. Abweichend davon können die jeweiligen Anzahlen an Teileinheiten, also einerseits der HPC-Speichereinheit und andererseits der HEC-Speichereinheit, auch voneinander verschieden sein.In one embodiment of the invention, the number of subunits of the HPC storage unit is equal to the number of subunits of the HEC storage unit. Deviating from this, the respective numbers of subunits, i.e. on the one hand the HPC storage unit and on the other hand the HEC storage unit, can also be different from one another.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass jeweilige Nennspannungen („Klemmenspannungen“) der HPC- und HEC-Speichereinheiten, die z.B. jeweils zwischen den Enden eines aus vielen Teileinheiten der Speichereinheit gebildeten seriellen Strangs anliegen können, z.B. wenigstens annähernd gleich groß vorgesehen sein können. Davon abweichend können im Rahmen der Erfindung jedoch ohne weiteres auch sehr unterschiedlich hohe Nennspannungen für die HPC- und HEC-Speichereinheiten vorgesehen sein. Solche unterschiedlichen Nennspannungen zwischen HPC- und HEC-Seite sind allenfalls (je nach Schaltungskonzept der Energieübertragungseinheit) bei der konkreten Ausgestaltung der Energieübertragungseinheit entsprechend zu berücksichtigen.In this context, it should be noted that the respective nominal voltages ("terminal voltages") of the HPC and HEC storage units, which can be present, for example, between the ends of a serial string formed from many sub-units of the storage unit, can be provided at least approximately the same size. However, within the scope of the invention, very different nominal voltages can also be provided for the HPC and HEC storage units. Such different nominal voltages between the HPC and HEC sides may need to be taken into account accordingly in the specific design of the energy transfer unit (depending on the circuit concept of the energy transfer unit).
Unterschiedliche Nennspannungen (z.B. um wenigstens einen Faktor 2, insbesondere wenigstens einen Faktor 5, voneinander verschieden) der HPC- und HEC-Speichereinheiten sind in vielen Fällen sogar vorteilhaft. Hierzu ein Beispiel: Je nach Anwendungsfall kann es verschiedene Vorteile bringen, für das Energiespeichersystem einen „modularen“ Aufbau in dem Sinne vorzusehen, dass die HPC-Speichereinheit, die HEC-Speichereinheit und die Energieübertragungseinheit nicht alle zu einer Einheit (z.B. in einem gemeinsamen Gehäuse) baulich zusammengefasst sind. In diesem Fall besteht das Energiespeichersystem somit aus mehreren räumlich voneinander getrennten Modulen, die über eine elektrische Leitungsanordnung miteinander zu verbinden sind. Ein niedrigeres (oder höheres) Spannungsniveau einer Speichereinheit und somit auch im Bereich einer zugehörigen Leitungsverbindung kann dann z.B. dazu genutzt werden, entsprechende Anforderungen betreffend Isolation (bzw. Leitungsquerschnitt) vorteilhaft zu verringern.Different nominal voltages (e.g. different from each other by at least a factor of 2, in particular at least a factor of 5) of the HPC and HEC storage units are in many cases even advantageous. Here is an example: Depending on the application, it can bring various advantages to provide a "modular" structure for the energy storage system in the sense that the HPC storage unit, the HEC storage unit and the energy transfer unit are not all structurally combined into one unit (e.g. in a common housing). In this case, the energy storage system therefore consists of several spatially separated modules that are to be connected to one another via an electrical cable arrangement. A lower (or higher) voltage level of a storage unit and thus also in the area of an associated cable connection can then be used, for example, to advantageously reduce corresponding requirements regarding insulation (or cable cross-section).
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Energieübertragungseinheit mittels der Steuereinrichtung für eine Übertragung von Energie ansteuerbar, bei welcher zum Laden und/oder zum Entladen der Hochenergiezellen ein zeitlich modulierter Strom über den zweiten Anschluss fließt. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the energy transfer The supply unit can be controlled by means of the control device for a transmission of energy, in which a time-modulated current flows via the second connection for charging and/or discharging the high-energy cells.
Wie bereits erwähnt bedeutet die vergleichsweise hohe Speicherkapazität bzw. Energiedichte der Hochenergiezellen (HEC) gleichzeitig eine tendenziell geringere Belastbarkeit bzw. Leistungsdichte der HEC-Speichereinheit. Daher ist der bei der Erfindung vorgesehene Einsatz der HEC-Speichereinheit insofern problematisch, als damit z.B. die Belastbarkeit des Gesamtsystems (Energiespeichersystem) entsprechend limitiert wird, und zwar sowohl beim Entladen als auch beim Laden des Energiespeichers. Insbesondere limitiert dies z.B. die Schnellladefähigkeit.As already mentioned, the comparatively high storage capacity or energy density of the high-energy cells (HEC) also means that the HEC storage unit tends to have a lower load capacity or power density. The use of the HEC storage unit as envisaged in the invention is therefore problematic in that it limits the load capacity of the entire system (energy storage system), both when discharging and when charging the energy storage unit. In particular, this limits the fast charging capability, for example.
Mit der Ausführungsform, bei welcher zum Laden und/oder zum Entladen der Hochenergiezellen ein zeitlich modulierter Strom über den zweiten Anschluss fließt, kann die Limitierung der Belastbarkeit des Energiespeichersystems jedoch vorteilhaft abgemildert werden, da sich herausgestellt hat, dass abhängig vom konkreten Typ von Batteriezelle eine nennenswerte Erhöhung der Belastbarkeit erzielt werden kann, indem ein zeitlich modulierter (veränderlicher) Strom zum Laden bzw. zum Entladen der Batteriezellen verwendet wird (im Vergleich zu einem Laden/Entladen unter Verwendung eines Konstantstroms).However, with the embodiment in which a time-modulated current flows through the second terminal for charging and/or discharging the high-energy cells, the limitation of the load capacity of the energy storage system can be advantageously mitigated, since it has been found that, depending on the specific type of battery cell, a significant increase in the load capacity can be achieved by using a time-modulated (variable) current for charging or discharging the battery cells (compared to charging/discharging using a constant current).
In der Praxis kann diese Ausführungsform also vorteilhaft dazu genutzt werden, die Belastbarkeit des Energiespeichersystems beim Laden und/oder Entladen zu vergrößern. Alternativ oder zusätzlich kann der Nutzen dieser Ausführungsform jedoch auch in einer Verlängerung der Lebensdauer der betreffenden Speichereinheit liegen.In practice, this embodiment can therefore be used advantageously to increase the load capacity of the energy storage system during charging and/or discharging. Alternatively or additionally, however, the benefit of this embodiment can also lie in extending the service life of the storage unit in question.
In jedem Fall trägt diese Ausführungsform sehr vorteilhaft dazu bei, die Gebrauchseigenschaften des Energiespeichersystems zu verbessern, da hierdurch die eingangs erläuterten Zielkonflikte (z.B. betreffend Speicherkapazität, Belastbarkeit, insbesondere z.B. hinsichtlich Schnellladefähigkeit und Ladezeiten, und Alterungsverhalten etc.) entschärft werden.In any case, this embodiment contributes very advantageously to improving the performance characteristics of the energy storage system, since it defuses the conflicting objectives explained at the beginning (e.g. regarding storage capacity, load capacity, in particular e.g. with regard to fast charging capability and charging times, and aging behavior, etc.).
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Übertragungsstrategie ferner eine Vorgabe von einem oder mehreren Modulationsparametern für den zeitlich modulierten Strom vorsieht.In a further development of this embodiment, it is provided that the transmission strategy further provides for a specification of one or more modulation parameters for the time-modulated current.
Ein solcher „Modulationsparameter“ kann insbesondere z.B. ein quantitatives Maß einer bestimmten Eigenschaft des zeitlich modulierten Stroms darstellen, wie z.B. eine Frequenz im Falle eines periodischen Zeitverlaufs des Stroms.Such a “modulation parameter” can in particular represent, for example, a quantitative measure of a certain property of the time-modulated current, such as a frequency in the case of a periodic time course of the current.
Insbesondere kann die Vorgabe des oder der Modulationsparameter in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern (und/oder nachfolgend noch beschriebenen „externen Betriebsparametern oder Steuerbefehlen“) vorgesehen sein, etwa um z.B. den Nutzen der zeitlichen Modulation der aktuellen Betriebssituation (sei es der Energiespeichereinheit oder einer deren Installationsumgebung darstellenden Einrichtung wie z.B. einem Fahrzeug) angepasst zu optimieren. Jeder solche Modulationsparameter kann insbesondere z.B. adaptiv entsprechend geeigneter Zellkriterien, die durch die Elektrochemie der Zellen bestimmt sind, inline modifiziert und adaptiert werden. Auf diese Weise kann insbesondere z.B. die Schnellladezeit auch der Hochenergiezellen (HEC) erweitert werden. Insgesamt kann damit z.B. eine Ladezeit der HEC-Speichereinheit (im Verhältnis zu den Hochenergiezellen) vorteilhaft noch weiter verkürzt werden.In particular, the specification of the modulation parameter(s) can be provided depending on the recorded operating parameters (and/or "external operating parameters or control commands" described below), for example in order to optimize the benefit of the temporal modulation of the current operating situation (be it the energy storage unit or a device representing its installation environment, such as a vehicle). Each such modulation parameter can be modified and adapted inline, for example adaptively, in accordance with suitable cell criteria determined by the electrochemistry of the cells. In this way, the quick charging time of the high-energy cells (HEC) can be extended. Overall, this can advantageously shorten the charging time of the HEC storage unit (in relation to the high-energy cells) even further.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zeitlich modulierte Strom einen Pulsstromanteil und/oder einen Rippelstromanteil aufweist.In a further development, it is provided that the time-modulated current has a pulse current component and/or a ripple current component.
Der Begriff „Pulsstromanteil“ kann hierbei eine im Zeitverlauf des Stroms vorhandene Folge von mehr oder weniger ausgeprägten und deutlich voneinander abgrenzbaren Pulsen bezeichnen, wobei eine Schwankungshöhe (Amplitude) dieser Folge von Pulsen wenigstens annähernd einer Schwankungshöhe des Zeitverlaufs des Stroms entspricht.The term “pulse current component” can refer to a sequence of more or less pronounced and clearly distinguishable pulses in the time course of the current, whereby a fluctuation level (amplitude) of this sequence of pulses corresponds at least approximately to a fluctuation level of the time course of the current.
Die Pulse können z.B. rechteckförmige oder z.B. sinusförmige Pulse sein. Auch können z.B. dreieckförmige Pulse vorgesehen sein. Im Falle von zeitlich äquidistant liegenden identischen Pulsen stellt der Pulsstromanteil eine periodische Stromkomponente des zeitlich modulierten Stroms dar. Abweichend davon kann jedoch der Pulsstromanteil auch von Pulsen gebildet sein, deren zeitlicher Abstand und/oder deren Pulsform (z.B. ein Puls-Pausen-Verhältnis) im Zeitverlauf des Stroms systematisch variiert.The pulses can be, for example, rectangular or sinusoidal pulses. Triangular pulses can also be provided. In the case of identical pulses that are equidistant in time, the pulse current component represents a periodic current component of the time-modulated current. However, the pulse current component can also be formed by pulses whose time interval and/or pulse shape (e.g. a pulse-pause ratio) varies systematically over the course of the current.
Mit der Konvention einer Bezeichnung derjenigen Polarität (Stromrichtung) des Stroms als „positiv“, welche die gewünschte Übertragung von Energie, also von der HPC-Speichereinheit zur HEC-Speichereinheit oder umgekehrt, bewirkt, muss ein Mittelwert des zeitlich modulierten Stroms positiv sein. Dies schließt jedoch nicht aus, dass im Zeitverlauf des Stroms auch negative Werte angenommen werden können. Solche bevorzugt relativ kurzzeitig und/oder mit kleinen Absolutwerten der Stromstärke verbundene „negative Stromflussphasen“ können abhängig vom konkreten Batteriezellentyp sogar vorteilhaft sein (z.B. zur Vermeidung der Bildung von Dendriten in Lithium-Ionen-Zellen durch Depolarisation der Elektrode).With the convention of designating the polarity (current direction) of the current as "positive" which causes the desired transfer of energy, i.e. from the HPC storage unit to the HEC storage unit or vice versa, an average value of the temporally modulated current must be positive. However, this does not exclude the possibility of negative values being assumed over the course of the current. Such "negative current flow phases", which are preferably relatively short-term and/or associated with small absolute values of the current intensity, can even occur before (e.g. to prevent the formation of dendrites in lithium-ion cells by depolarization of the electrode).
Die Schwankungshöhe (Amplitude) der Folge von Pulsen bzw. somit des Pulsstromanteils kann durch vorgegebene untere und obere Grenzen (der Stromstärke des Stroms) definiert sein, wobei nach dem vorstehend gesagten die obere Grenze positiv sein muss, die untere Grenze jedoch auch negativ sein kann, falls negative Stromflussphasen vorgesehen sind.The fluctuation level (amplitude) of the sequence of pulses or thus of the pulse current component can be defined by predetermined lower and upper limits (of the current intensity), whereby according to the above, the upper limit must be positive, but the lower limit can also be negative if negative current flow phases are provided.
Im Hinblick auf eine Charakterisierung des Pulsstromanteils kann durch den oder die Modulationsparameter z.B. wenigstens eine der folgenden Eigenschaften quantifiziert werden: Frequenz der Pulsfolge, Amplitude der Pulse, untere Grenze, obere Grenze, Puls-Pausen-Verhältnis. Alternativ oder zusätzlich kann z.B. vorgesehen sein, durch den oder die Modulationsparameter eine bestimmte Puls-Geometrie zu spezifizieren (z.B. Rechteck-, Sinus- oder Dreieckpulse).With regard to characterizing the pulse current component, at least one of the following properties can be quantified by the modulation parameter(s): frequency of the pulse train, amplitude of the pulses, lower limit, upper limit, pulse-pause ratio. Alternatively or additionally, it can be provided, for example, to specify a certain pulse geometry using the modulation parameter(s) (e.g. rectangular, sine or triangular pulses).
Der Begriff „Rippelstromanteil“ soll eine im Zeitverlauf des Stroms vorhandene Folge von Schwankungen (Wechselstromkomponente) bezeichnen, die z.B. einem Gleichstrom überlagert sein kann, wobei eine Schwankungshöhe (Amplitude) der Folge von Schwankungen wesentlich kleiner (z.B. um wenigstens einen Faktor 5, insbesondere wenigstens einen Faktor 10) ist als die Stromstärke des Gleichstroms. Alternativ kann die Folge von Schwankungen einem zeitlich variierenden Strom überlagert sein (z.B. einem „Pulsstromanteil“), wobei in diesem Fall die Schwankungshöhe (Amplitude) der Folge von Schwankungen wesentlich kleiner (z.B. um wenigstens einen Faktor 5, insbesondere wenigstens einen Faktor 10) ist als eine Schwankungshöhe des genannten zeitlich variierenden Stroms und eine Frequenz bzw. Grundfrequenz der Schwankungen wesentlich größer (z.B. um wenigstens einen Faktor 5, insbesondere wenigstens einen Faktor 10) ist als eine entsprechende Frequenz bzw. Grundfrequenz des genannten zeitlich variierenden Stroms.The term "ripple current component" is intended to describe a sequence of fluctuations (alternating current component) that is present in the course of the current over time and which can, for example, be superimposed on a direct current, wherein a fluctuation level (amplitude) of the sequence of fluctuations is significantly smaller (e.g. by at least a factor of 5, in particular at least a factor of 10) than the current strength of the direct current. Alternatively, the sequence of fluctuations can be superimposed on a time-varying current (e.g. a "pulse current component"), in which case the fluctuation level (amplitude) of the sequence of fluctuations is significantly smaller (e.g. by at least a factor of 5, in particular at least a factor of 10) than a fluctuation level of the time-varying current mentioned and a frequency or fundamental frequency of the fluctuations is significantly larger (e.g. by at least a factor of 5, in particular at least a factor of 10) than a corresponding frequency or fundamental frequency of the time-varying current mentioned.
Die den Rippelstromanteil darstellenden Schwankungen können z.B. rechteckförmige oder z.B. sinusförmige oder z.B. dreieckförmige Schwankungen sein. Insbesondere kann der Rippelstromanteil eine periodische Stromkomponente des zeitlich modulierten Stroms darstellen. Abweichend davon kann jedoch der Rippelstromanteil auch von nicht-periodischen Schwankungen gebildet sein.The fluctuations representing the ripple current component can be, for example, rectangular or sinusoidal or triangular fluctuations. In particular, the ripple current component can represent a periodic current component of the time-modulated current. However, the ripple current component can also be formed by non-periodic fluctuations.
Im Hinblick auf eine Charakterisierung des Rippelstromanteils kann durch den oder die Modulationsparameter z.B. wenigstens eine der folgenden Eigenschaften quantifiziert werden: Frequenz der Schwankungen (Rippel), Amplitude der Schwankungen.With regard to characterizing the ripple current component, the modulation parameter(s) can quantify at least one of the following properties: frequency of the fluctuations (ripples), amplitude of the fluctuations.
Wenn die Hochleistungszellen (HPC) und/oder Hochenergiezellen (HEC) wie oben bereits erläutert vorteilhaft zu jeweiligen Teileinheiten (Modulen) der betreffenden Speichereinheit(en) verschaltet sind und die erfassten und von der Übertragungsstrategie zu berücksichtigenden Betriebsparameter einen oder mehrere, individuell für jede Teileinheit der betreffenden Speichereinheit(en) erfasste „Zustandsparameter“ (wie z.B. SoC, SoP, SoH etc.) umfassen, so kann die Übertragungsstrategie im Falle einer Ansteuerung der Energieübertragung „mit zeitlich moduliertem Strom“ ebenfalls eine individuelle Vorgabe von Modulationsparametern für diese Teileinheiten vorsehen. Dies soll bedeuten, dass die einzelnen „Stromprofile“ der während einer derartigen Energieübertragung (von HPC zu HEC oder umgekehrt) bei einem Entladen oder Laden von Teileinheiten jeweils fließenden Ströme jeweils individuell (für jede Teileinheit) vorgegeben werden.If the high-performance cells (HPC) and/or high-energy cells (HEC), as already explained above, are advantageously connected to respective sub-units (modules) of the relevant storage unit(s) and the operating parameters recorded and to be taken into account by the transfer strategy include one or more "state parameters" (such as SoC, SoP, SoH, etc.) recorded individually for each sub-unit of the relevant storage unit(s), the transfer strategy can also provide for individual specification of modulation parameters for these sub-units in the case of controlling the energy transfer "with time-modulated current". This means that the individual "current profiles" of the currents flowing during such an energy transfer (from HPC to HEC or vice versa) when discharging or charging sub-units are specified individually (for each sub-unit).
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem ferner eine Datenschnittstelle aufweist, über welche der Steuereinrichtung von einer externen Einrichtung zuführbar sind:
- - Steuerbefehle, wobei die Übertragungsstrategie in Abhängigkeit von zugeführten Steuerbefehlen modifiziert wird, und/oder
- - externe Betriebsparameter, wobei die Übertragungsstrategie die Ansteuerung der Energieübertragungseinheit ferner in Abhängigkeit von zugeführten externen Betriebsparametern vorsieht.
- - control commands, whereby the transmission strategy is modified depending on the control commands supplied, and/or
- - external operating parameters, whereby the transmission strategy further provides for the control of the energy transmission unit depending on supplied external operating parameters.
Bei der „externen Einrichtung“ kann es sich insbesondere z.B. um eine in der Verwendungssituation kommunikativ (z.B. kabelgebunden, z.B. über einen digitalen Datenübertragungsbus) mit dem Energiespeichersystem bzw. deren Steuereinrichtung verbundene Einrichtung handeln, die einen Bestandteil einer Installationsumgebung des Energiespeichersystems darstellt. Wenn das Energiespeichersystem z.B. an Bord eines Fahrzeuges installiert ist, etwa zur elektrischen Energieversorgung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges, so kann die externe Einrichtung insbesondere z.B. eine zentrale Steuereinrichtung (z.B. programmgesteuerte Rechnereinrichtung) sein, oder eine andere fahrzeugeigene Steuereinrichtung.The "external device" can in particular be, for example, a device that is communicatively connected (e.g. wired, e.g. via a digital data transmission bus) to the energy storage system or its control device in the usage situation, which represents a component of an installation environment of the energy storage system. If the energy storage system is installed on board a vehicle, for example to supply electrical energy to an electric drive system of the vehicle, the external device can in particular be, for example, a central control device (e.g. program-controlled computer device) or another vehicle-specific control device.
Bei der externen Einrichtung kann es sich vorteilhafterweise um eine Einrichtung handeln, in welcher Daten verfügbar sind (z.B. gespeichert und/oder aus gespeicherten Daten errechnet), welche eine Information über eine momentane und/oder für die Zukunft zu erwartende Nutzung des Energiespeichersystems beinhalten. Vorteilhaft können solche Daten als solche, oder aus solchen Daten durch eine fahrzeugseitige Weiterverarbeitung berechnete Daten, als externe Betriebsparameter der Steuereinrichtung des Energiespeichersystems zugeführt werdenThe external device can advantageously be a device in which data is available (e.g. stored and/or calculated from stored data) which provides information about a current and/or expected future use of the energy storage system. Such data as such, or data calculated from such data by further processing on the vehicle side, can advantageously be fed to the control device of the energy storage system as external operating parameters
Im Verwendungsbeispiel der Nutzung für das elektrische Antriebssystem eines Fahrzeuges können die Daten oder Elemente davon z.B. einen oder mehrere der folgenden „externen Betriebsparameter“ repräsentieren: momentane Fahrpedalstellung, momentane Antriebsleistung (einschließlich negativer Antriebsleistung bei Rekuperation), momentane Stromstärke eines Stroms, mit dem der elektrische Energiespeicher momentan entladen/geladen wird. Alternativ oder zusätzlich können die Daten oder Elemente davon z.B. die gleichen Betriebsparameter wie vorstehend angegeben repräsentieren, jedoch nicht als Momentwerte sondern für die Zukunft zu erwartende oder prognostizierte Werte.In the example of use for the electric drive system of a vehicle, the data or elements thereof can, for example, represent one or more of the following "external operating parameters": current accelerator pedal position, current drive power (including negative drive power during recuperation), current current strength of a current with which the electrical energy storage device is currently being discharged/charged. Alternatively or additionally, the data or elements thereof can, for example, represent the same operating parameters as stated above, but not as instantaneous values but rather values expected or forecast for the future.
Auf die Zukunft bezogene Daten könnten an Bord des Fahrzeuges beispielsweise aus einem Navigationssystem stammen, etwa repräsentierend Eigenschaften eines vom Navigationssystem festgestellten momentanen Fahrwegs (z.B. Steigung, Gefälle, Kurven, Ampeln etc.) und/oder den Eigenschaften einer vom Nutzer des Fahrzeuges im Navigationssystem definierten Fahrtroute (z.B. Höhe über Meeresspiegel entlang der Fahrtroute und/oder am Start und/oder Ziel etc.).Future-related data on board the vehicle could, for example, originate from a navigation system, perhaps representing properties of a current route determined by the navigation system (e.g. incline, decline, curves, traffic lights, etc.) and/or the properties of a route defined by the user of the vehicle in the navigation system (e.g. altitude above sea level along the route and/or at the start and/or destination, etc.).
In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei der „externen Einrichtung“ z.B. um eine Servereinrichtung, die kommunikativ über ein Mobilfunknetz mit dem Fahrzeug verbunden ist, so dass die Übertragungsstrategie im Energiespeichersystem des Fahrzeuges durch über das Mobilfunknetz zugeführte Steuerbefehle modifiziert werden kann (um eine Optimierung der Übertragungsstrategie zu erzielen). Die Erzeugung derartiger Steuerbefehle kann in diesem Fall insbesondere z.B. basierend auf Daten aus einem Flottenmanagement einer Vielzahl von Fahrzeugen realisiert sein, die ebenfalls jeweils mit einem Energiespeichersystem der hier beschriebenen Art ausgestattet sind.In another embodiment, the "external device" is, for example, a server device that is communicatively connected to the vehicle via a mobile network, so that the transmission strategy in the energy storage system of the vehicle can be modified by control commands supplied via the mobile network (in order to achieve optimization of the transmission strategy). The generation of such control commands can in this case be implemented in particular, for example, based on data from a fleet management of a large number of vehicles, each of which is also equipped with an energy storage system of the type described here.
In einer Ausführungsform umfassen die externen Betriebsparameter eine momentane Leistungsanforderung und/oder eine für die Zukunft prognostizierte Leistungsanforderung.In one embodiment, the external operating parameters include a current power requirement and/or a future forecast power requirement.
Die mittels der Steuereinrichtung implementierte Übertragungsstrategie kann die von der externen Einrichtung zugeführten Daten bei der Ansteuerung der Energieübertragungseinheit vorteilhaft in einer Weise berücksichtigen, durch welche der Betrieb des Energiespeichersystems weiter verbessert bzw. optimiert wird. Beispielsweise kann hierzu vorgesehen sein, dass die Vorgabe der Sollwerte oder Sollwertbereiche für den Ladezustand der Hochleistungszellen und/oder den Ladezustand der Hochenergiezellen in Abhängigkeit von den empfangenen Daten modifiziert wird.The transmission strategy implemented by means of the control device can advantageously take into account the data supplied by the external device when controlling the energy transmission unit in a way that further improves or optimizes the operation of the energy storage system. For example, it can be provided that the specification of the setpoint values or setpoint ranges for the charge state of the high-performance cells and/or the charge state of the high-energy cells is modified depending on the data received.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die HPC-Speichereinheit und/oder die HEC-Speichereinheit jeweils mehrere separat voneinander betreibbare Teileinheiten aufweist, die jeweils aus einem zugehörigen Teil der Hochleistungszellen bzw. Hochenergiezellen der betreffenden Speichereinheit gebildet sind, und dass die ansteuerbare bidirektionale Energieübertragungseinheit in Verbindung mit den ersten Anschlüssen (an HPC-Speichereinheit) und den zweiten Anschlüssen (an HEC-Speichereinheit) dazu ausgebildet ist, bei der Übertragung von Energie zwischen der HPC-Speichereinheit und der HEC-Speichereinheit für die mehreren Teileinheiten eine von der Steuereinrichtung jeweils individuell bestimmte Abfuhr bzw. Zufuhr einer jeweiligen Teilenergie zu ermöglichen.In one embodiment, it is provided that the HPC storage unit and/or the HEC storage unit each have a plurality of sub-units that can be operated separately from one another, each of which is formed from an associated part of the high-performance cells or high-energy cells of the storage unit in question, and that the controllable bidirectional energy transfer unit in conjunction with the first connections (on the HPC storage unit) and the second connections (on the HEC storage unit) is designed to enable a respective partial energy to be removed or supplied to the plurality of sub-units in a manner determined individually by the control device when energy is transferred between the HPC storage unit and the HEC storage unit.
In einer Ausführungsform besitzt der elektrische Energiespeicher eine Energiespeicherkapazität von mindestens 20 kWh, insbesondere mindestens 40 kWh.In one embodiment, the electrical energy storage device has an energy storage capacity of at least 20 kWh, in particular at least 40 kWh.
In einer für viele Anwendungen vorteilhaften Ausführungsform besitzt die zweite Speichereinheit (HEC) eine Energiespeicherkapazität, die größer ist als die Energiespeicherkapazität der ersten Speichereinheit (HPC). Dies bevorzugt um wenigstens einen Faktor 2, insbesondere wenigstens einen Faktor 5.In an embodiment that is advantageous for many applications, the second storage unit (HEC) has an energy storage capacity that is greater than the energy storage capacity of the first storage unit (HPC). This is preferably at least a factor of 2, in particular at least a factor of 5.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems der hier beschriebenen Art gelöst, umfassend die Schritte:
- - Erfassen von Betriebsparametern eines elektrischen Energiespeichers des Energiespeichersystems, umfassend zumindest einen Zustandsparameter von Hochleistungszellen (HPC) einer ersten Speichereinheit (HPC-Speichereinheit) des elektrischen Energiespeichers und einen Zustandsparameter von Hochenergiezellen (HEC) einer zweiten Speichereinheit (HEC-Speichereinheit) des elektrischen Energiespeichers, und
- - Ausführen eines Übertragungsalgorithmus, der eine Übertragung von Energie zwischen der HPC-Speichereinheit und der HEC-Speichereinheit gemäß einer Übertragungsstrategie in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern vorsieht, wobei die Übertragungsstrategie eine Vorgabe von Sollwerten oder Sollwertbereichen für einen Ladezustand der Hochleistungszellen und einen Ladezustand der Hochenergiezellen vorsieht.
- - detecting operating parameters of an electrical energy storage device of the energy storage system, comprising at least one state parameter of high-performance cells (HPC) of a first storage unit (HPC storage unit) of the electrical energy storage device and a state parameter of high-energy cells (HEC) of a second storage unit (HEC storage unit) of the electrical energy storage device, and
- - Executing a transfer algorithm which provides for a transfer of energy between the HPC storage unit and the HEC storage unit according to a transfer strategy depending on the recorded operating parameters, wherein the transfer strategy includes a specification of setpoint values or setpoint ranges for a state of charge of the high-performance cells and a charge level of the high-energy cells.
Die für das erfindungsgemäße Energiespeichersystem hier beschriebenen Ausführungsformen und besonderen Ausgestaltungen können, einzeln oder in beliebiger Kombination, in analoger Weise auch als Ausführungsformen bzw. besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, und umgekehrt.The embodiments and special configurations described here for the energy storage system according to the invention can, individually or in any combination, also be provided in an analogous manner as embodiments or special configurations of the method according to the invention, and vice versa.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die zu erfassenden Betriebsparameter ferner eine Stromstärke eines beim Laden bzw. Entladen des elektrischen Energiespeichers über eine Anschlusseinrichtung des Energiespeichersystems fließenden Stroms. Alternativ oder zusätzlich könnte eine Information über diese Stromstärke auch z.B. als einer der oben erwähnten externen Betriebsparameter empfangen werden.In one embodiment of the method, the operating parameters to be recorded further comprise a current intensity of a current flowing through a connection device of the energy storage system when charging or discharging the electrical energy storage device. Alternatively or additionally, information about this current intensity could also be received, for example, as one of the external operating parameters mentioned above.
In einer Ausführungsform ist gemäß des Übertragungsalgorithmus eine Übertragung von Energie ansteuerbar, bei welcher zum Laden und/oder zum Entladen der Hochenergiezellen (HEC) ein zeitlich modulierter Strom über einen Anschluss der HEC-Speichereinheit fließt. Je nach konkreter Realisierung der Energieübertragung (z.B. mittels einer DC/DC-Wandleranordnung) kann hierbei ein entsprechend zeitlich modulierter Strom auch ausgehend von der Energieübertragungseinheit zu einem Anschluss der HEC-Speichereinheit fließen. In one embodiment, a transfer of energy can be controlled according to the transfer algorithm, in which a time-modulated current flows through a connection of the HEC storage unit for charging and/or discharging the high-energy cells (HEC). Depending on the specific implementation of the energy transfer (e.g. by means of a DC/DC converter arrangement), a correspondingly time-modulated current can also flow from the energy transfer unit to a connection of the HEC storage unit.
Denkbar ist jedoch auch, dass letzterer Strom von der Energieübertragungseinheit „geglättet“ (Gleichstrom) zum Anschluss der HEC-Speichereinheit fließt.However, it is also conceivable that the latter current flows from the energy transfer unit in a “smoothed” manner (direct current) to the connection of the HEC storage unit.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Empfangen von Steuerbefehlen zum Modifizieren der Übertragungsstrategie in Abhängigkeit von empfangenen Steuerbefehlen, und/oder externen Betriebsparametern zum Ansteuern der Übertragung der Energie ferner in Abhängigkeit von empfangenen externen Betriebsparametern.In one embodiment, the method further comprises receiving control commands for modifying the transmission strategy depending on received control commands, and/or external operating parameters for controlling the transmission of the energy further depending on received external operating parameters.
Gemäß eines noch weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Verwendung eines Energiespeichersystems der hier beschriebenen Art und/oder eines Verfahrens der hier beschriebenen Art zur elektrischen Energieversorgung eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeuges vorgeschlagen.According to yet another aspect of the invention, a use of an energy storage system of the type described here and/or a method of the type described here for supplying electrical energy to an electric drive system of a vehicle is proposed.
Vorteilhaft kann auch eine Verwendung z.B. zur elektrischen Energieversorgung eines Stromversorgungsnetzes für daran anschließbare Verbraucher vorgesehen sein, beispielsweise im Zusammenhang mit der Einspeisung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen in ein solches Stromversorgungsnetz.Advantageously, it can also be used, for example, to supply electrical energy to a power supply network for consumers that can be connected to it, for example in connection with the feeding of electrical energy from renewable energy sources into such a power supply network.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
-
1 ein Blockschaltbild eines Energiespeichersystems mitsamt Installationsumgebung (Antriebssystem eines BEV) gemäß eines Ausführungsbeispiels, -
2 bis 6 verschiedene beispielhafte Zeitverläufe eines zum Laden und Entladen von Hochenergiezellen (HEC) des Energiespeichersystems verwendeten zeitlich modulierten Stroms, und -
7 ein Verlaufsdiagramm eines durch eine Steuereinrichtung des Energiespeichersystems durchgeführten Betriebsverfahrens.
-
1 a block diagram of an energy storage system including installation environment (drive system of a BEV) according to an embodiment, -
2 to 6 various exemplary time courses of a time-modulated current used for charging and discharging high energy cells (HEC) of the energy storage system, and -
7 a flow chart of an operating procedure carried out by a control device of the energy storage system.
Die erste Speichereinheit 20 („HPC-Speichereinheit“) ist aus Hochleistungszellen 22 gebildet und weist einen ersten Anschluss 24 zum Laden und Entladen der Hochleistungszellen 22 auf. Die zweite Speichereinheit 30 („HEC-Speichereinheit“) ist aus Hochenergiezellen 32 gebildet und weist einen zweiten Anschluss 34 zum Laden und Entladen der Hochenergiezellen 32 auf.The first storage unit 20 (“HPC storage unit”) is formed from high-
Im dargestellten Beispiel sind die Hochleistungszellen 22 Zellen auf Basis von Lithiumtitanat (LTO) und die Hochenergiezellen 32 Zellen auf Basis von Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NCM).In the example shown, the high-performance cells are 22 cells based on lithium titanate (LTO) and the high-energy cells are 32 cells based on lithium nickel manganese cobalt oxide (NCM).
In beiden Speichereinheiten 20, 30 sind die Batteriezellen 22, 32 jeweils derart seriell und parallel verschaltet, dass in jeder Speichereinheit separat (unabhängig voneinander) bestrombare (in der Figur nicht dargestellte) Teileinheiten gebildet sind.In both
Im Beispiel sei angenommen, dass in jeder der beiden Speichereinheiten 20, 30 die jeweils aus einem zugehörigen Teil der Hochleistungszellen 22 bzw. Hochenergiezellen 32 gebildeten Teileinheiten seriell verschaltet sind, so dass eine jeweilige „Spannung der Speichereinheit“ 20 bzw. 30 sich als Summe von Teilspannungen der jeweiligen einzelnen Teileinheiten ergibt und an den in
Das Energiespeichersystem 10 weist ferner eine ansteuerbare bidirektionale Energieübertragungseinheit 40 auf, die einerseits mit dem ersten Anschluss 24 und andererseits mit dem zweiten Anschluss 34 verbunden ist, um im Betrieb des Energiespeichersystems 10 bei entsprechender Ansteuerung mittels eines Steuersignals ct eine Übertragung von Energie in Richtung von der ersten Speichereinheit 20 zur zweiten Speichereinheit 30 oder umgekehrt zu bewerkstelligen.The
Zum Laden und Entladen des elektrischen Energiespeichers 20, 30 ist eine mit dem ersten Anschluss 24 verbundene Anschlusseinrichtung 50 vorgesehen.For charging and discharging the electrical
Das Energiespeichersystem 10 weist ferner eine das vorgenannte Steuersignal ct erzeugende Steuereinrichtung 70 auf, mittels welcher im Betrieb des Energiespeichersystems 10 die Energieübertragungseinheit 40 gemäß eines Übertragungsalgorithmus angesteuert wird, der im Beispiel durch ein in der als programmgesteuerte Rechnereinrichtung ausgebildeten Steuereinrichtung 70 ablaufendes Steuerprogramm definiert ist.The
Die Ansteuerung der Energieübertragungseinheit 40 erfolgt hierbei gemäß einer Übertragungsstrategie in Abhängigkeit von bestimmten Betriebsparametern, die einen momentanen Ladezustand „soc-p“ der Hochleistungszellen 22 und einen momentanen Ladezustand „soc-e“ der Hochenergiezellen 32 umfassen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfassen diese Betriebsparameter darüber hinaus einen momentanen Leistungszustand (z.B. sog. State of Power, „SoP“) zumindest für die Hochleistungszellen 22 (HPC-Speichereinheit).The control of the
Die Ladezustände soc-p und soc-e können jeweils wie üblich definiert sein als sogenannter „State of Charge“ (SoC), d.h. als ein Parameter, der die momentan gespeicherte Ladung im Verhältnis zum Nominalwert der maximal speicherbaren Ladung (Kapazität der Batterie) angibt.The charge states soc-p and soc-e can each be defined as a so-called “State of Charge” (SoC), i.e. as a parameter that indicates the currently stored charge in relation to the nominal value of the maximum storable charge (capacity of the battery).
Zur Erfassung der momentanen Ladezustände soc-p, soc-e sind die beiden Speichereinheiten 20, 30 jeweils mit einer Batterieüberwachungssensorik 60 bzw. 62 ausgestattet. Eine derartige Batterieüberwachungssensorik ist als solche aus dem Stand der Technik bekannt. Für die konkrete Ausgestaltung der Sensorik 60, 62 kann daher beispielsweise auf diesen Stand der Technik zurückgegriffen werden. Im Beispiel werden die erfassten Betriebsparameter soc-p, soc-e, als Eingangsgrößen des Übertragungsalgorithmus, der Steuereinrichtung 70 zugeführt.To record the current charge states soc-p, soc-e, the two
Im Rahmen der Erfindung ist der Begriff „Ladezustand“ ganz allgemein jedoch breit zu verstehen als irgendein zur Quantifizierung der betreffenden Ladung geeigneter Parameter. Abweichend vom dargestellten Beispiel könnte dieser Parameter sich anstatt auf die elektrische Ladung daher z.B. auch auf die „Beladung“ mit elektrischer Energie beziehen, die in der betreffenden Speichereinheit gespeichert ist.Within the scope of the invention, however, the term "state of charge" is to be understood broadly as any parameter suitable for quantifying the charge in question. Deviating from the example shown, this parameter could therefore also refer to the "load" of electrical energy stored in the storage unit in question instead of the electrical charge.
Im Beispiel weist das Energiespeichersystem 10 außerdem eine Sensorik bzw. Strommesseinrichtung 64 zur Messung eines momentan an der Anschlusseinrichtung 50 des Energiespeichersystems 10 fließenden Laststroms IL auf. Die Strommesseinrichtung 64 gibt ein für den Strom IL repräsentatives Sensorsignal il aus, das wie in
Bezeichnet man die über die ersten und zweiten Anschlüsse 24, 34 der beiden Speichereinheiten 20, 30 fließenden Ströme wie in
Gemäß der oben bereits erwähnten Übertragungsstrategie zur Ansteuerung der Energieübertragungseinheit 40 werden Sollwerte oder Sollwertbereiche für den Ladezustand soc-p der Hochleistungszellen 22 und den Ladezustand soc-e der Hochenergiezellen 32 vorgesehen.According to the transmission strategy for controlling the
Hierzu ist anzumerken, dass der Laststrom IL (Entlade- bzw. Ladestrom des Energiespeichersystems 10) in der jeweiligen Anwendungssituation „von extern“ vorgegeben wird, so dass eine dementsprechende Verringerung oder Erhöhung einer Gesamtladung des Energiespeichersystems 10 (Summe der Ladungen der Speichereinheiten 20, 30) im dargestellten Beispiel bereits durch diesen Laststrom IL bestimmt wird. Die Übertragungsstrategie und darauf basierend Ansteuerung der Energieübertragungseinheit 40 vermag jedoch vorteilhaft zu beeinflussen, wie eine solche Verringerung oder Erhöhung der Gesamtladung „auf die beiden Speichereinheiten 20, 30 verteilt“ wird.It should be noted that the load current IL (discharge or charge current of the energy storage system 10) is specified "externally" in the respective application situation, so that a corresponding reduction or increase in the total charge of the energy storage system 10 (sum of the charges of the
Die Vorgabe von Sollwerten oder Sollwertbereichen für die Ladezustände, im Beispiel die Parameter soc-p, soc-e, bedeutet insofern, dass mittels der Steuereinrichtung 70 im Rahmen des Möglichen versucht wird, die Werte dieser Parameter soc-p und soc-e, oder z.B. die dementsprechenden gespeicherten elektrischen Ladungen (oder praktisch äquivalent: gespeicherte elektrische Energien) der beiden Speichereinheiten 20, 30 durch Ansteuerung der Energieübertragungseinheit 40 stets in einer Weise zu ändern, durch welche die tatsächlichen Werte, d.h. „Ist-Werte“, in Richtung der Sollwerte oder Sollwertbereiche verändert werden.The specification of target values or target value ranges for the charge states, in the example the parameters soc-p, soc-e, means that the
Falls und solange die als Betriebsparameter erfassten bzw. sich daraus ergebenden betreffenden Ist-Werte durch die Übertragungsstrategie vorgegebene Sollwerte annehmen oder innerhalb von durch die Übertragungsstrategie vorgegebenen Sollwertbereichen liegen, so bewirkt die Steuereinrichtung 70 mittels des Steuersignals ct eine Inaktivierung der Energieübertragungseinheit 40.If and as long as the relevant actual values recorded as operating parameters or resulting therefrom assume setpoint values specified by the transmission strategy or lie within setpoint ranges specified by the transmission strategy, the
In
Die ansteuerbare bidirektionale Energieübertragungseinheit 40 kann in Verbindung mit den ersten und zweiten Anschlüssen 24, 34 dazu ausgebildet sein, bei der Übertragung bzw. dem Austausch von Energie zwischen den ersten und zweiten Speichereinheiten 20, 30 für die mehreren Teileinheiten eine von der Steuereinrichtung 70 jeweils individuell bestimmte Abfuhr bzw. Zufuhr einer jeweiligen Teilenergie zu realisieren. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass bei der Energieübertragung zwischen den Speichereinheiten 20, 30 auch ein Balancing betreffend die jeweiligen Teileinheiten realisiert wird. In diesem Fall wird z.B. bei einer Übertragung von Energie von der ersten Speichereinheit 20 zur zweiten Speichereinheit 30 die zu übertragende Energie bevorzugt aus „relativ gut geladenen“ Teileinheiten der Speichereinheit 20 entnommen und/oder bevorzugt in „relativ schlecht geladene“ Teileinheiten der Speichereinheit 30 transferiert (oder umgekehrt, d.h. Energie wird bevorzugt aus „relativ gut geladenen“ Teileinheiten der Speichereinheit 30 entnommen und/oder bevorzugt in „relativ schlecht geladene“ Teileinheiten der Speichereinheit 20 transferiert).The controllable bidirectional
Für ein solches Balancing der Teileinheiten innerhalb der Speichereinheiten 20, 30 erforderliche Informationen können im Beispiel von der Batterieüberwachung (Sensorik 60, 62) bereitgestellt und somit z.B. mittels der Signale soc-p, soc-e an die Steuereinrichtung 70 übermittelt werden. Unabhängig davon kann die Batterieüberwachung auch dazu ausgebildet sein, ein Balancing betreffend einzelne Batteriezellen innerhalb jeder der Teileinheiten innerhalb der Speichereinheiten zu realisieren.Information required for such balancing of the subunits within the
In
Das elektrische Antriebssystem 1 weist einen an der Anschlusseinrichtung 50 des Energiespeichersystems 10 angeschlossenen Inverter 2 zur Bestromung einer elektrische Antriebsmaschine 4 auf.The
Die elektrische Antriebsmaschine 4 stellt eine Antriebskomponente in einem in
Das elektrische Antriebssystem 1 weist ferner eine Steuereinrichtung 3 auf, mittels welcher im Betrieb des Fahrzeuges der Inverter 2 angesteuert wird. Die Steuereinrichtung 3 erzeugt hierfür ein dem Inverter 2 zuzuführendes Steuersignal ci basierend auf einer der Steuereinrichtung 3 zugeführten momentanen Leistungsanforderung (z.B. basierend auf einer Fahrpedalstellung etc.).The
Die momentane Leistungsanforderung kann z.B. eine Anforderung einer bestimmten elektrischen Leistung, oder eines bestimmten Drehmoments oder einer bestimmten Drehzahl etc. beim Antrieb des Fahrzeuges darstellen. Die Steuereinrichtung 3 erfüllt eine derartige Leistungsanforderung durch Bewirken einer Bestromung der Antriebsmaschine 4 mit einer entsprechenden elektrischen Leistung, die durch eine entsprechende Entladung des Energiespeichersystems 10 über die Anschlusseinrichtung 50 und den Inverter 2 bereitgestellt wird.The current power requirement can, for example, represent a requirement for a specific electrical power, or a specific torque or a specific speed, etc. when driving the vehicle. The
Zur Ermöglichung eines Rekuperationsbetriebs der Antriebsmaschine 4 (beim Bremsen des Fahrzeuges) ist der Inverter 2 bidirektional betreibbar und durch das Steuersignal ci entsprechend ansteuerbar. Die Steuereinrichtung 3 vermag also auch „negative“ Leistungsanforderungen zu erfüllen, bei welchen die Antriebsmaschine 4 als Generator betrieben eine elektrische Leistung erzeugt, die über den Inverter 2 und die Anschlusseinrichtung 50 als eine Ladeleistung zum Laden des Energiespeichersystems 10 genutzt werden kann.To enable recuperation operation of the drive motor 4 (when braking the vehicle), the
Darüber hinaus kann ein Laden des Energiespeichersystems 10 bei abgestelltem Fahrzeug auch an einer Ladestation erfolgen. Hierfür weist das Fahrzeug einen Ladeanschluss 6 (z.B. Ladebuchse) auf, der über eine Ladeelektronik (z.B. Gleichrichter) ebenfalls mit der Anschlusseinrichtung 50 verbunden ist.In addition, charging of the
Die elektrischen Verbindungen zwischen Energiespeichersystem 10, Inverter 2 und Ladeanschluss 6 sind in
Die in
Im dargestellten Beispiel besteht eine besonders vorteilhafte Besonderheit des Energiespeichersystems 10 darin, dass die Energieübertragungseinheit 40 mittels der Steuereinrichtung 70 für eine Übertragung von Energie ansteuerbar ist, bei welcher zum Laden und/oder zum Entladen der Hochenergiezellen 32 ein zeitlich modulierter Strom IE über den zweiten Anschluss 34 fließt. Damit ist die Belastbarkeit der Hochenergiezellen 32 und somit letztlich des Energiespeichersystems 10 beim Laden und Entladen vergrößert und die Lebensdauer der Hochenergiezellen 32 verlängert.In the example shown, a particularly advantageous feature of the
Um diese vorteilhaften Effekte zu optimieren, sieht die Übertragungsstrategie im Beispiel ferner eine von den erfassten Betriebsparametern, hier z.B. zumindest von dem Parameter soc-e abhängige Vorgabe von einem oder mehreren Modulationsparametern für den zeitlich modulierten Strom IE vor.In order to optimize these advantageous effects, the transmission strategy in the example further provides for a specification of one or more modulation parameters for the time-modulated current IE, which depends on the recorded operating parameters, here e.g. at least on the parameter soc-e.
Der zeitlich modulierte Strom IE kann hierbei einen Pulsstromanteil und/oder einen Rippelstromanteil aufweisen, wobei in jeder konkreten Betriebssituation durch im Steuersignal ct codierte Modulationsparameter z.B. festgelegt werden kann:
- - Vorhandensein eines Pulsstromanteils bzw. dessen Intensität und ggf. weitere Eigenschaften des Pulsstromanteils, und
- - Vorhandensein eines Rippelstromanteils bzw. dessen Intensität und ggf. weitere Eigenschaften des Rippelstromanteils.
- - presence of a pulse current component or its intensity and, if applicable, other properties of the pulse current component, and
- - Presence of a ripple current component or its intensity and, if applicable, other properties of the ripple current component.
Die
Die
Im Beispiel von
Was die Schwankungshöhe (Amplitude) des einem Gleichstrom überlagerten „Rippelstromanteils“ anbelangt, so kann diese im Rahmen der Erfindung z.B. mindestens 1%, insbesondere mindestens 5% der Stromstärke des Gleichstroms betragen. Andererseits ist oftmals günstig, wenn die Schwankungshöhe des Rippelstromanteils maximal 40%, insbesondere maximal 30%, der Stromstärke des Gleichstroms beträgt.As far as the fluctuation level (amplitude) of the "ripple current component" superimposed on a direct current is concerned, within the scope of the invention this can be, for example, at least 1%, in particular at least 5% of the current intensity of the direct current. On the other hand, it is often advantageous if the fluctuation level of the ripple current component is a maximum of 40%, in particular a maximum of 30%, of the current intensity of the direct current.
Die
In den
Was die Pulsperiode Tp im „Pulsstromanteil“ anbelangt, so kann diese im Rahmen der Erfindung z.B. in einem Bereich von 0,1 ms bis 10 s vorgegeben sein, entsprechend einer Frequenz im Bereich von 0,1 Hz bis 10 kHz, sei es fest vorgegeben oder z.B. im Betrieb des Energiespeichersystems variabel (abhängig von einer Modulationsparameter-Vorgabe der Steuereinrichtung). In einer in vielen Fällen vorteilhaften Ausführungsform liegt Tp in einem Bereich von 0,1 ms bis 0,1 s.As far as the pulse period Tp in the "pulse current component" is concerned, this can be specified within the scope of the invention, for example, in a range from 0.1 ms to 10 s, corresponding to a frequency in the range from 0.1 Hz to 10 kHz, whether fixed or, for example, variable during operation of the energy storage system (depending on a modulation parameter specification of the control device). In an embodiment that is advantageous in many cases, Tp is in a range from 0.1 ms to 0.1 s.
In
Was die Schwankungshöhe (Amplitude) des einem Pulsstrom überlagerten „Rippelstromanteils“ anbelangt, so kann diese im Rahmen der Erfindung z.B. mindestens 1 %, insbesondere mindestens 5% der (insgesamt sich ergebenden) Schwankungshöhe des Stroms IE betragen. Andererseits ist oftmals günstig, wenn die Schwankungshöhe des Rippelstromanteils maximal 40%, insbesondere maximal 30% der Schwankungshöhe des Stroms IE beträgt.As far as the fluctuation level (amplitude) of the "ripple current component" superimposed on a pulse current is concerned, within the scope of the invention this can be, for example, at least 1%, in particular at least 5% of the (overall) fluctuation level of the current IE. On the other hand, it is often advantageous if the fluctuation level of the ripple current component is a maximum of 40%, in particular a maximum of 30% of the fluctuation level of the current IE.
Zurückkommend auf
Im dargestellten Beispiel besteht eine weitere besonders vorteilhafte Besonderheit darin, dass das Energiespeichersystem 10 eine Datenschnittstelle aufweist, über welche im Betrieb des Energiespeichersystems 10 der Steuereinrichtung 70 von einer externen Einrichtung, im Beispiel die fahrzeugseitige Steuereinrichtung 3, Steuerbefehle cs und/oder externe Betriebsparameter pe zugeführt werden können.In the example shown, a further particularly advantageous feature is that the
Derartige Steuerbefehle cs bewirken hierbei, dass die Übertragungsstrategie in Abhängigkeit vom konkret zugeführten Steuerbefehl modifiziert wird (also z.B. bestimmte Parameter eines durch Parameter definierten Übertragungsalgorithmus geändert werden), wohingegen externe Betriebsparameter pe als weitere Eingangsgrößen des Übertragungsalgorithmus genutzt werden können, d.h. die Übertragungsstrategie vorsieht, dass die Energieübertragungseinheit 40 zusätzlich in Abhängigkeit von zugeführten externen Betriebsparametern pe angesteuert wird.Such control commands cs cause the transmission strategy to be modified depending on the specific control command supplied (i.e., for example, certain parameters of a transmission algorithm defined by parameters are changed), whereas external operating parameters pe can be used as further input variables of the transmission algorithm, i.e. the transmission strategy provides that the
Im Beispiel umfassen die externen Betriebsparameter pe z.B. eine momentane Leistungsanforderung sowie eine für die Zukunft prognostizierte Leistungsanforderung z.B. basierend auf aus einem Navigationssystem des Fahrzeuges gewonnenen Daten beinhaltend eine Auswirkungen auf den Energie- bzw. Leistungsbedarf des Fahrzeuges besitzende Information über einen momentanen Fahrweg (z.B. Steigung, Gefälle, Kurven, Ampeln etc.) und/oder eine vergleichbare (jedoch weiter in die Zukunft Relevanz besitzende) Information über Eigenschaften einer im Navigationssystem definierten Fahrtroute.In the example, the external operating parameters pe include, for example, a current power requirement as well as a power requirement predicted for the future, e.g. based on data obtained from a navigation system of the vehicle, including information about a current route (e.g. incline, decline, curves, traffic lights, etc.) that has an impact on the energy or power requirements of the vehicle and/or comparable (but relevant further into the future) information about properties of a route defined in the navigation system.
Insbesondere im vorliegenden Anwendungsfall zur elektrischen Energieversorgung eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeuges ist es zumeist vorteilhaft, wenn eine Energiespeicherkapazität der zweiten Speichereinheit 30 (HEC-Speichereinheit), wesentlich größer ist als eine Energiespeicherkapazität der ersten Speichereinheit 20 (HPC-Speichereinheit). Diese Kapazitäten können sich z.B. mindestens um einen Faktor 5, insbesondere mindestens um einen Faktor 10 voneinander unterscheiden.In particular in the present application for supplying electrical energy to an electric drive system of a vehicle, it is usually advantageous if an energy storage capacity of the second storage unit 30 (HEC storage unit) is significantly greater than an energy storage capacity of the first storage unit 20 (HPC storage unit). These capacities can be e.g. differ from each other by at least a factor of 5, in particular by at least a factor of 10.
In einem Schritt S1 werden mittels der Sensoriken 60, 62 in den Speichereinheiten 20, 30 des elektrischen Energiespeichers die Ladezustände (z.B. „SoC“) soc-p, soc-e der Hochleistungszellen (HPC) 22 und Hochenergiezellen (HEC) 32 erfasst und an die Steuerreinrichtung 70 des Energiespeichersystems 10 kommuniziert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird hierbei außerdem zumindest für die Hochenergiezellen 32 (HPC) deren Leistungszustand (z.B. „SoP“) erfasst und als ein noch weiterer Betriebsparameter des elektrischen Energiespeichers (20, 30) an die Steuerreinrichtung 70 kommuniziert.In a step S1, the charge states (e.g. “SoC”) soc-p, soc-e of the high-performance cells (HPC) 22 and high-energy cells (HEC) 32 are recorded by means of the
In parallel zum Schritt S1 seitens der Steuerreinrichtung 70 durchgeführten Schritten S2 und S3 erfolgt im Schritt S2 (optional) ein Empfangen von einem oder mehreren Steuerbefehlen cs, falls solche Steuerbefehle cs von der externen Steuereinrichtung 3 des Fahrzeuges an das Energiespeichersystem 10 ausgegeben werden, und erfolgt im Schritt S3 ein Empfangen von einem oder mehreren externen Betriebsparametern pe, die von der externen Steuereinrichtung 3 des Fahrzeuges an die Steuerreinrichtung 70 ausgegeben werden.In steps S2 and S3 carried out by the
In einem Schritt S4 wird durch die Steuerreinrichtung 70 ein durch darin gespeicherte Software implementierter Übertragungsalgorithmus ausgeführt, um bedarfsweise Energie zwischen der ersten Speichereinheit 20 und der zweiten Speichereinheit 30 gemäß einer Übertragungsstrategie in Abhängigkeit von zumindest den erfassten Ladezuständen soc-p, soc-e (und z.B. zusätzlich Leistungszustand zumindest der Hochleistungszellen 22, ggf. auch Hochenergiezellen 32) und dem/den empfangenen externen Betriebsparameter/n zu übertragen, wofür die Steuerreinrichtung 70 basierend auf einer entsprechenden Vorgabe von Sollwertbereichen für die Ladezustände soc-p, soc-e ein geeignetes Steuersignal ct erzeugt und an die Energieübertragungseinheit 40 kommuniziert.In a step S4, the
Falls im Schritt S2 ein Steuerbefehl cs empfangen wurde, so wird damit im Schritt S4 die Übertragungsstrategie entsprechend modifiziert, also insbesondere z.B. eine modifizierte Abhängigkeit der Energieübertragung bzw. Sollwertbereiche von den erfassten Betriebsparametern und den (von extern übertragenen) Betriebsparametern verwendet.If a control command cs was received in step S2, the transmission strategy is modified accordingly in step S4, i.e. in particular, for example, a modified dependency of the energy transmission or setpoint ranges on the recorded operating parameters and the operating parameters (transmitted externally) is used.
In einem Schritt S5 erfolgt durch die Energieübertragungseinheit 40 in Abhängigkeit von dem Steuersignal ct die Energieübertragung zwischen den Speichereinheiten 20, 30. Bevorzugt ist im Schritt S5 vorgesehen, dass zum Laden bzw. Entladen der Hochenergiezellen 32 durch entsprechende Ansteuerung der Energieübertragungseinheit 40 ein zeitlich modulierter Strom IE über den Anschluss 34 der zweiten Speichereinheit 30 fließt.In a step S5, the energy transfer between the
Sodann schreitet die Verarbeitung wieder zurück zu den parallel ausgeführten Schritten S1 bis S3.The processing then returns to the parallel steps S1 to S3.
Im Schritt S2 kann z.B. ein Steuerbefehl empfangen werden, durch welchen die Übertragung einer bestimmten elektrischen Ladung (oder elektrischen Energie) von einer der Speichereinheiten 20, 30 zur anderen dieser Speichereinheiten 20, 30 befehligt wird. Ein derartiger Befehl kann von einer Einrichtung der Fahrzeugelektronik (z.B. programmgesteuertes zentrales Steuergerät) z.B. basierend auf einer Prognose einer zukünftigen (mehr oder weniger unmittelbar bevorstehenden) Leistungsanforderung erzeugt werden. Die Prognose kann hierbei z.B. auf einer Auswertung von Daten basieren, die aus einem Navigationssystem des Fahrzeuges gewonnen wurden, sei es z.B. betreffend einen momentanen Fahrweg und/oder z.B. betreffend eine im Navigationssystem durch einen Benutzer vorgegebenen Fahrtroute. Abweichend von diesem Beispiel könnte eine Auswertung von externen Betriebsparametern (z.B. Daten aus Navigationssystem) auch intern, d.h. von der Steuereinrichtung 70 des Energiespeichersystems 10 durchgeführt und von der Übertragungsstrategie eine entsprechende Mitberücksichtigung des Auswertungsergebnisses vorgesehen sein. Ein anderes Beispiel für einen Steuerbefehl ist ein Befehl zur dauerhaften Modifikation der Übertragungsstrategie (vergleichbar einem „Update“ der im Steuergerät 70 ablaufenden Software), z.B. basierend auf Daten aus einem Flottenmanagement einer Vielzahl von Fahrzeugen.In step S2, for example, a control command can be received which commands the transfer of a specific electrical charge (or electrical energy) from one of the
Im Schritt S3 kann als ein externer Betriebsparameter z.B. eine Geschwindigkeit des Fahrzeuges an die Steuereinrichtung übertragen werden, wobei dann im Schritt S4 z.B. eine von dieser Geschwindigkeit abhängige Vorgabe von Sollwerten oder Sollwertbereichen für die Ladezustände vorgesehen sein kann. Hierzu ein Beispiel: Solange das Fahrzeug (z.B. im Stau) steht oder sehr langsam fährt, besteht keine nennenswerte Möglichkeit zur Rekuperation von Bremsenergie. In diesem Betriebszustand des Fahrzeuges kann es daher zweckmäßig sein, einen in der HPC-Speichereinheit gespeicherten Anteil an gespeicherter Gesamtenergie tendenziell zu vergrößern (z.B. im Vergleich zu einem Betriebszustand mit einer Geschwindigkeit des Fahrzeuges in einem mittleren Bereich). Die Zufuhr des externen Betriebsparameters „Fahrzeuggeschwindigkeit“ und/oder weiterer den Betriebszustand des Fahrzeuges charakterisierender externer Betriebsparameter gestattet der Steuereinrichtung 70 vorteilhaft derartige Optimierungen der Übertragungsstrategie. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass abweichend von diesem Beispiel eine Auswertung eines externen Betriebsparameters (z.B. Fahrzeuggeschwindigkeit) auch extern, z. B. von der erwähnten Fahrzeugelektronik durchgeführt und darauf basierend Steuerbefehle cs erzeugt und (im Schritt S2) übertragen werden könnten.In step S3, a speed of the vehicle can be transmitted to the control device as an external operating parameter, for example, and then in step S4, a specification of target values or target value ranges for the charging states can be provided, depending on this speed. Here is an example: As long as the vehicle is stationary (e.g. in a traffic jam) or is driving very slowly, there is no significant possibility of recuperating braking energy. In this operating state of the vehicle, it can therefore be useful to tend to increase the proportion of total energy stored in the HPC storage unit (e.g. in comparison to an operating state with a vehicle speed in a medium range). Supplying the external operating parameter "vehicle speed" and/or other external operating parameters characterizing the operating state of the vehicle advantageously allows the
Im Schritt S4 kann die Übertragungsstrategie nicht nur (im Rahmen der Sollwert- oder Sollbereichsvorgabe der Ladezustände soc-p, soc-e) bestimmen, ob bzw. wann eine Übertragung von elektrischer Ladung (bzw. Energie) von einer zur anderen der Speichereinheiten 20, 30 erfolgen soll. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vielmehr vorgesehen, dass die Übertragungsstrategie darüber hinaus durch eine Vorgabe der oben erläuterten Modulationsparameter bestimmt, mit welchem „Stromprofil“ (Eigenschaften des zeitlich modulierten Stroms IE) die Energieübertragung bewerkstelligt wird. Sämtliche hier zur Beeinflussung der Sollwert/bereichvorgabe verwendbaren Parameter können alternativ oder zusätzlich dazu verwendet werden, im Rahmen der Übertragungsstrategie einen oder mehrere Modulationsparameter vorzugeben oder zu ändern. Hierzu ein Beispiel: Wenn sich aus Daten aus einem Flottenmanagement einer Vielzahl von Fahrzeugen herausfinden lässt (z.B. durch KI), dass die Leistungsfähigkeit und/oder Lebensdauer des Energiespeichersystems (bzw. der einzelnen Speichereinheiten 20, 30) durch eine bestimmte Einstellung oder Veränderung der Modulationsparameter, ggf. auch von Betriebsparametern (intern und/oder extern) abhängig, so kann ein entsprechender Befehl zur Modifikation der Übertragungsstrategie an das Steuergerät 70 übertragen werden.In step S4, the transfer strategy can not only determine (within the scope of the target value or target range specification of the charge states soc-p, soc-e) whether or when a transfer of electrical charge (or energy) should take place from one of the
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- elektrisches Antriebssystemelectric drive system
- 22
- InverterInverter
- 33
- Steuereinrichtung (des Fahrzeuges)Control device (of the vehicle)
- 44
- elektrische Antriebsmaschineelectric drive machine
- 55
- FahrzeugräderVehicle wheels
- 66
- LadeanschlussCharging port
- 77
- LadeelektronikCharging electronics
- 1010
- EnergiespeichersystemEnergy storage system
- 2020
- erste Speichereinheit (HPC)first storage unit (HPC)
- 2222
- HochleistungszellenHigh-performance cells
- 2424
- erster Anschlussfirst connection
- 3030
- zweite Speichereinheit (HEC)second storage unit (HEC)
- 3232
- HochenergiezellenHigh-energy cells
- 3434
- zweiter Anschlusssecond connection
- 4040
- EnergieübertragungseinheitEnergy transfer unit
- 5050
- AnschlusseinrichtungConnection device
- 6060
- Sensorik (für erste Speichereinheit)Sensors (for first storage unit)
- 6262
- Sensorik (für zweite Speichereinheit)Sensors (for second storage unit)
- 6464
- Sensorik (Strommessung)Sensor technology (current measurement)
- 7070
- SteuereinrichtungControl device
- IPIP
- Lade/Entladestrom (erste Speichereinheit)Charge/discharge current (first storage unit)
- IEIE
- Lade/Entladestrom (zweite Speichereinheit)Charge/discharge current (second storage unit)
- tt
- ZeitTime
- T1T1
- Pulszeit (für Pulsstromanteil)Pulse time (for pulse current component)
- T2T2
- Pulspausenzeit (für Pulsstromanteil)Pulse pause time (for pulse current component)
- TpTp
- Periode (für Pulsstromanteil)Period (for pulse current component)
- t1t1
- Pulszeit (für Rippelstromanteil)Pulse time (for ripple current component)
- t2t2
- Pulspausenzeit (für Rippelstromanteil)Pulse pause time (for ripple current component)
- tptp
- Periode (für Rippelstromanteil)Period (for ripple current component)
- ILIL
- Lade/Entladestrom (Laststrom des Energiespeichers)Charge/discharge current (load current of the energy storage device)
- ilil
- Messwert für Lade/EntladestromMeasured value for charge/discharge current
- soc-psoc-p
- Messwert für Ladezustand (erste Speichereinheit)Measured value for charge level (first storage unit)
- soc-esoc-e
- Messwert für Ladezustand (zweite Speichereinheit)Measured value for charge level (second storage unit)
- cici
- Steuersignal (für Inverter)Control signal (for inverter)
- ctct
- Steuersignal (für Energieübertragungseinheit)Control signal (for energy transfer unit)
- cscs
- Steuersignal (für Steuereinrichtung)Control signal (for control device)
- pepe
- Steuersignal (Daten betreffend externe Betriebsparameter)Control signal (data concerning external operating parameters)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102015007405 A1 [0013]DE 102015007405 A1 [0013]
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