WO2011023265A2 - System zur speicherung elektrischer energie - Google Patents

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WO2011023265A2
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threshold voltage
memory cells
switching element
control device
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Conrad RÖSSEL
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Voith Patent Gmbh
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    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
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    • B60W10/24—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of energy storage means
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a system for storing electrical energy according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a method for storing electrical energy.
  • Such systems for storing electrical energy comprise individual memory cells, which are interconnected, for example, in series and / or in parallel electrical connection with one another.
  • Vehicles and especially commercial vehicles occur are preferably used as memory cells with sufficient energy content and high performance.
  • accumulator cells in lithium-ion technology or, in particular, memory cells in the form of very powerful double-layer capacitors can be used.
  • These capacitors are also referred to in the art as supercapacitors, supercaps or ultracapacitors. Regardless of whether
  • Energy content are used in such structures of a plurality of memory cells, which can be connected in total or in blocks in series with each other, the voltage of the individual memory cell due to the design limited to an upper voltage value or a threshold voltage. If this upper voltage value is exceeded, for example when charging the system for storing electrical energy, the life of the memory cell is generally drastically reduced. Due to given manufacturing tolerances the individual give way
  • Memory cells which are connected in series with the memory cells with lower operating voltage, have a slightly higher voltage and at
  • Total voltage (s) of the system for storing electrical energy remains constant, however, can be increased by the so-called cell voltage compensation a lowered in voltage cell over time in their voltage, so that at least the risk of polarity reversal is excluded.
  • cell voltage compensation in which an electric
  • Resistor is connected in parallel to each individual memory cell and thus a constant unwanted discharge and also a heating of the system for storing electrical energy takes place, is also an active
  • Threshold switch connected in parallel with the memory cell and in series with the resistor.
  • This construction also referred to as bypass electronics, always allows a current to flow when the operating voltage of the cell is above a predetermined threshold voltage. As soon as the voltage of the individual memory cell falls back into a range below the predetermined threshold voltage, the switch is opened and no current flows. Due to the fact that the electrical resistance across the switch is overridden whenever the voltage of the individual memory cells is below the predetermined limit, an unwanted discharge of the entire system for storing electrical energy may also occur
  • this active cell voltage compensation does not actually compensate the individual voltages of the cells with one another, but when the threshold voltage is exceeded, the memory cell is discharged with a small bypass current in order to limit the overshoot by slowly reducing the overvoltage.
  • the bypass current only flows until the system for storing electrical energy is discharged again, as this falls below the corresponding voltage limit and the switch is opened again.
  • the life of the system for storing electrical energy is in the described hybrid drives and especially in hybrid drives for commercial vehicles such as buses in urban / suburban traffic of crucial importance. Unlike conventional powertrains in the power class suitable for such applications, the system for storing electrical energy represents a significant portion of the cost of the hybrid drive. Therefore, it is particularly important that very high lifetimes can be achieved in such applications.
  • the invention provides a system for storing electrical energy, comprising a plurality of memory cells, each having a
  • the system is characterized in that it comprises a control device which is adapted to the Set threshold voltage as a function of a voltage determined from operating voltages of the plurality or all memory cells voltage value.
  • the threshold voltage of, for example, each of the memory cells by means of the control device to a voltage value which can be derived from the instantaneous operating state of the memory cells, ie from their operating voltages.
  • Memory cells may, for example, be a module or a submodule of a larger memory system or the entirety of all memory cells of an electrical energy storage system.
  • the voltage value determined from operating voltages of the plurality or also of all memory cells may be, for example, the average
  • the amount of voltage added to the average voltage value may be a fixed amount. He can also, for example, in
  • Threshold voltage in response to operating voltages of the plurality of memory cells may also be provided that additionally one of the
  • Threshold voltage value is used, which ensures an exceeding of a maximum operating voltage regardless of the voltage derived from the plurality of memory cells voltage value. Again, this absolute upper maximum threshold voltage value may in turn depend on the operating state of the
  • a central control device may be provided for a plurality of memory cells.
  • the threshold voltage one or more centrally controlled memory modules can be formed whose threshold voltage is uniform within the module but, for example, for each module
  • control device is set up to form a common voltage value from a plurality of operating voltages of memory cells and to set the threshold voltage of the plurality of memory cells to a value into which the common voltage value is received.
  • Power delivery or intake profile a past or a past future expected performance profile in the calculation of the threshold voltage value.
  • Control device sets the threshold voltage at certain intervals. Such a temporal scanning of the system or the detected module allows for a low control effort, a still improved voltage control of the memory cells. It can, for example, the
  • Time interval between two scans are adapted to the profile of the total voltage of the system or the module or to the height of the total voltage.
  • Control means continuously controls the threshold voltage. Such a real-time adjustment of the threshold voltage ensures compliance with the specified threshold voltage at all times and thus directly reduces any possibly too high voltage of individual memory cells.
  • Adjustment of the threshold voltage value can in particular be realized not only as a control, but in particular also as a closed control loop.
  • a likewise advantageous embodiment of the invention provides that the switching element has a control input, via which the threshold voltage is controlled.
  • the control input By means of the control input, a control of the switching element via the possibly centrally arranged control device is made possible.
  • control device is connected to the memory cell by means of a bus line. This enables efficient driving of a plurality of memory cells, wherein not only the transmission of a changed threshold voltage value from the
  • Control device to the memory cell is possible, but also the transmission of the current operating voltage value from the memory cell to the Control device. This allows the creation of an accurate image of the storage state of the electrical energy storage system
  • the load is a resistor, but alternatively, other means for dissipating electrical energy, such as by means of directed radiation, may be provided.
  • the memory cell can be designed as a so-called supercapacitor, ie as a double-layer capacitor.
  • the switching element may be a threshold value switch. The threshold of the threshold switch is then adjustable via the control device by means of a signal or data bus. In particular, the control input of the switching element can be used.
  • the control of the switching element by a control device may comprise a contactless transmission device, in particular a buffer amplifier.
  • the isolation amplifier can be realized, for example, by an optocoupler or by an inductive coupling and thus enable galvanically separated from the memory cells control of the switching elements. In this case, either the threshold voltage directly to the memory cell or a
  • the switching element has a control input for controlling the threshold voltage.
  • Memory cell via the control input are set accordingly.
  • the above-mentioned object is also achieved by a method for controlling a system for storing electrical energy with a plurality of memory cells, each having a memory voltage, wherein parallel to each memory cell, an electrical load and a switching element are arranged in series with the consumer, with the steps of charging the memory cells, comparing the operating voltage of a memory cell with a threshold voltage and the closing of the switching element, if the operating voltage reaches or exceeds threshold voltage.
  • Threshold voltage is set in response to one of operating voltages of the plurality of memory cells enabled voltage value.
  • FIG. 1 shows an exemplary construction of a hybrid vehicle
  • Figure 2 is a schematic representation of an embodiment of a
  • a hybrid vehicle 1 shows an example of a hybrid vehicle 1 is indicated. It has two axles 2, 3 each with two wheels 4 indicated by way of example.
  • the axle 3 is intended to be a driven axle of the vehicle 1, while the axle 2 merely travels in a manner known per se.
  • a transmission 5 is shown by way of example, which is the power of a
  • Internal combustion engine 6 and an electric machine 7 receives and directs in the area of the driven axle 3.
  • the electrical Machine 7 alone or in addition to the drive power of
  • Internal combustion engine 6 drive power in the region of the driven axle 3 and thus drive the vehicle 1 or support the drive of the vehicle 1.
  • the electric machine 7 can be operated as a generator, so as to recover the braking power and store it accordingly.
  • the vehicle 1 when using the vehicle 1 as a city bus for
  • a system 10 for storing electrical energy must be provided in this case, which is a
  • Energy content in the order of 350 - has 700 Wh. This can be energies, which, for example, in an approximately 10 seconds long
  • Braking process arise from such a speed, via the electric machine 7, which will typically have an order of about 150 kW, convert into electrical energy and store them in the system 10.
  • the structure according to FIG. 1 has an inverter 9, which is designed in a manner known per se with an integrated control device for the energy manager.
  • the energy flow between the electric machine 7 and the system 10 for storing electrical energy is correspondingly coordinated via the converter 9 with the integrated control device.
  • the control device ensures that when braking in the area of then driven by a generator
  • the control device in the inverter 9 coordinates the removal of electrical energy from the system 10 in order to
  • Figure 2 shows schematically a section of an inventive
  • System 10 for storing electrical energy according to ejner embodiment.
  • system 10 for storing electrical energy is constructed such that a plurality of memory cells 12 are typically connected in series in the system 10.
  • These memory cells may be accumulator cells and / or supercapacitor cells or any combination thereof.
  • the memory cells 12 are all designed as supercapacitors, that is, as double-layer capacitors, which are used in a system 10 for storing electrical energy in the equipped with the hybrid drive vehicle 1.
  • the structure can preferably be used in a commercial vehicle, for example a bus for city / local traffic.
  • each of the memory cells 12 has an electrical load connected in parallel to the respective memory cell 12 in the form of an ohmic resistor 14. This is connected in series with a switching element 16 in parallel with each of the memory cells 12, in this case in parallel with each of the supercapacitors 12.
  • the switch 16 is designed as a threshold value and has a control input 18.
  • the switching element 16 comprises a voltage monitoring of the supercapacitor 12.
  • Supercapacitor 12 exceeds an upper threshold voltage, the switch 16 is closed, so that via the resistor 14, a current from the
  • Supercapacitor 12 can flow. Thus, the charge in it and thus also the voltage is reduced accordingly, so that a renewed
  • a central control device 22 is provided. It is connected to a bus 20, to which in turn all memory cells 12 are connected. The control device 22 is adapted to by means of the bus 20 to the
  • the control device 22 can detect the current operating voltage of each memory cell 12 via the bus 20 via the operating voltage detection of the switching member 16 by the control input, a corresponding signal or corresponding data to the bus 20 and thus to the controller 22 are forwarded.
  • the control device 22 determines from these individual operating voltage values of the individual memory cells 12 in each case one average operating voltage value valid for one of the modules A, B or C. This will be one for the
  • Memory cells in the respective module A, B, C valid threshold voltage determined, for example, characterized in that the average value of a fixed or a dependent on the current operating mode voltage value amount is added. Alternatively, only the arithmetically determined
  • Threshold voltage value is transmitted from the controller 22 via the bus 20 to the memory cells 12 of the respective module. If individual memory cells 12 are now above this threshold voltage value, the respective switching element 16 closes and the charge located in the memory cell 12 is reduced via the ohmic resistor 14, which also reduces the operating voltage of the memory cell 12. If a larger number of memory cells 12 in the respective module A, B, C are above the threshold voltage determined from the average operating voltage value, the average value is reduced by discharging individual memory cells 12. From this reduced average value, the control unit 22 again calculates a lower threshold voltage, transmits these via the bus 20 and the control input 18 to the respective switching element 16. In this way, if necessary, iteratively results in an adaptation of the operating voltages of memory cells 12 to the average value of a module A, B, C.
  • a threshold voltage for the Overall system or the entire module is achieved only very briefly. It can also occur that this threshold voltage is not reached for a long time, because the memory is no longer filled up to the threshold voltage for lack of recuperation with simultaneous strong boost operation.
  • the solution according to the invention solves this problem, since the switching element 16 designed as a threshold value switch has the appropriate function

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Abstract

Ein System zur Speicherung elektrischer Energie wird angegeben, das eine Mehrzahl Speicherzellen, die jeweils eine Betriebsspannung aufweisen, umfasst. Parallel zu einer Speicherzelle sind ein elektrischer Verbraucher sowie ein Schaltglied in Reihe mit dem Verbraucher angeordnet. Das Schaltglied wird bei Erreichen oder Überschreiten einer Schwellenspannung geschlossen. Das System umfasst ferner eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Schwellenspannung in Abhängigkeit von einem aus Betriebsspannungen der Mehrzahl der Speicherzellen ermittelten Spannungswert einzustellen. Es werden ferner eine Speicherzelle zur Speicherung elektrischer Energie sowie ein Verfahren zum Steuern eines zur Speicherung elektrischer Energie ausgelegten Systems angegeben.

Description

System zur Speicherung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung elektrischer Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie.
Systeme zur Speicherung elektrischer Energie, und hier insbesondere zur Speicherung elektrischer Traktionsenergie in Elektrofahrzeugen oder
insbesondere in Hybridfahrzeugen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise umfassen solche Systeme zur Speicherung elektrischer Energie einzelne Speicherzellen, welche beispielsweise in Reihe und/oder parallelelektrisch miteinander verschaltet sind.
Grundsätzlich sind als Speicherzellen dabei verschiedenartige Akkumulatorzellen oder Kondensatorzellen denkbar. Aufgrund der vergleichsweise hohen
Energiemengen und insbesondere der hohen Leistungen, die bei der Speicherung und Entnahme von Energie bei der Anwendung in Antriebssträngen von
Fahrzeugen und hier insbesondere von Nutzfahrzeugen auftreten, werden als Speicherzellen bevorzugt solche mit einem ausreichenden Energieinhalt und hoher Leistung eingesetzt. Dabei können beispielsweise Akkumulatorzellen in Lithium-Ionen-Technologie oder insbesondere Speicherzellen in Form sehr leistungsstarker Doppelschicht-Kondensatoren zum Einsatz gelangen. Diese Kondensatoren werden in der Fachwelt auch als Superkondensatoren, Supercaps oder Ultra-Capacitors bezeichnet. Unabhängig davon, ob nun
Superkondensatoren oder Akkumulatorzellen herkömmlicher Art mit hohem
Energieinhalt eingesetzt werden, ist bei derartigen Aufbauten aus einer Vielzahl von Speicherzellen, die insgesamt oder auch in Blöcken in Reihe zueinander verschaltet sein können, die Spannung der einzelnen Speicherzelle bauartbedingt auf einen oberen Spannungswert beziehungsweise eine Schwellenspannung begrenzt. Wird dieser obere Spannungswert beispielsweise beim Laden des Systems zur Speicherung elektrischer Energie überschritten, reduziert sich die Lebensdauer der Speicherzelle im Allgemeinen drastisch. Aufgrund von vorgegebenen Fertigungstoleranzen weichen die einzelnen
Speicherzellen in ihren Eigenschaften beispielsweise hinsichtlich der
Selbstentladung in der Praxis typischerweise geringfügig voneinander ab. Dies hat zur Folge, dass sich im Betrieb für einzelne Speicherzellen eine etwas geringere Betriebsspannung als für andere Speicherzellen in dem System ergeben kann. Da die maximale Spannung für das gesamte System im Allgemeinen jedoch gleich bleibt und die maximale Gesamtspannung insbesondere beim Laden das typische Ansteuerungskriterium darstellt, führt dies unweigerlich dazu, dass andere
Speicherzellen, die mit den Speicherzellen mit niedrigerer Betriebsspannung in Reihe geschaltet sind, eine etwas höhere Spannung aufweisen und bei
Ladevorgängen dann über die erlaubte individuelle maximale Spannungsgrenze hinaus geladen werden. Eine solche Überspannung führt, wie bereits oben erwähnt, zu einer erheblichen Reduzierung der möglichen Lebensdauer dieser einzelnen Speicherzellen und damit auch des gesamten Systems zur Speicherung elektrischer Energie.
Andererseits können in ihrer Spannung stark abgesenkte Speicherzellen in dem System zur Speicherung elektrischer Energie im zyklischen Betrieb umgepolt werden was ebenfalls die Lebensdauer drastisch reduziert.
Um dieser Problematik zu begegnen, kennt der allgemeine Stand der Technik im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von sogenannten
Zellspannungsausgleichen. Die im Allgemeinen übliche Terminologie des „Zellspannungsausgleichs" ist hier etwas irreführend, da hier jedoch nicht
Spannungen oder genau gesagt Energieinhalte der einzelnen Speicherzellen untereinander ausgeglichen werden, sondern es werden die Zellen mit hohen Spannungen in ihren zu hohen Spannungen reduziert. Da die
Gesamtspannung(en) des Systems zur Speicherung elektrischer Energie konstant bleibt, kann durch den sogenannten Zellspannungsausgleich jedoch eine in ihrer Spannung abgesenkte Zelle im Laufe der Zeit wieder in ihrer Spannung erhöht werden, sodass zumindest die Gefahr eines Umpolens ausgeschlossen wird. Neben einem passiven Zeilspannungsausgleich, bei dem ein elektrischer
Widerstand parallel zu jeder einzelnen Speicherzelle geschaltet ist und somit eine ständige unerwünschte Entladung und auch eine Erwärmung des Systems zur Speicherung elektrischer Energie stattfindet, wird auch ein aktiver
Zeilspannungsausgleich eingesetzt. Dabei wird zusätzlich zu dem jeder einzelnen Speicherzelle parallel geschalteten Widerstand ein elektronischer
Schwellwertschalter parallel zu der Speicherzelle und in Reihe zu dem Widerstand geschaltet. Dieser auch als Bypass-Elektronik bezeichnete Aufbau lässt dabei immer nur dann einen Strom fließen, wenn die Betriebsspannung der Zelle oberhalb einer vorgegebenen Schwellenspannung liegt. Sobald die Spannung der einzelnen Speicherzelle wieder in einen Bereich unterhalb der vorgegebenen Schwellenspannung fällt, wird der Schalter geöffnet und es fließt kein Strom mehr. Aufgrund der Tatsache, dass der elektrische Widerstand über den Schalter immer dann außer Kraft gesetzt wird, wenn die Spannung der einzelnen Speicherzellen unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts ist, kann auch eine unerwünschte Entladung des gesamten Systems zur Speicherung elektrischer Energie
weitgehend vermieden werden. Auch eine ständige unerwünschte
Wärmeentwicklung ist bei diesem Lösungsansatz des aktiven
Zellspannungsausgleichs kein Problem.
Allerdings erfolgt durch diesen aktiven Zellspannungsausgleich kein tatsächlicher Ausgleich der einzelnen Spannungen der Zellen untereinander, sondern beim Überschreiten der Schwellenspannung wird die Speicherzelle mit einem kleinen Bypass-Strom entladen, um durch einen langsamen Abbau der Überspannung das Überschreiten zu begrenzen. Der Bypass-Strom fließt dabei nur solange, bis das System zur Speicherung elektrischer Energie wieder entladen wird, da hierbei die entsprechende Spannungsgrenze unterschritten und der Schalter wieder geöffnet wird. Dies stellt sich insbesondere bei Anwendungen mit zyklischem Betrieb, wie zum Beispiel Hybridantrieben dar, da in diesen Anwendungsfällen die Schwellspannung für die einzelne Speicherzelle nur sehr kurzzeitig oder auch für längere Zeit gar nicht erreicht wird, wenn mangels Rekuperation und starkem Boost-Betrieb der Speicher nicht vollständig geladen wird. Dies verhindert einen Betrieb des Zeilspannungsausgleichs und birgt insbesondere die Gefahr einer Tiefentladung beziehungsweise eines Umpolens einzelner Speicherzellen mit niedriger Betriebsspannung während die anderen Zellen mit zu hoher Spannung betrieben werden.
Die Lebensdauer des Systems zur Speicherung elektrischer Energie ist bei den beschriebenen Hybridantrieben und hier insbesondere bei Hybridantrieben für Nutzfahrzeuge wie Omnibussen im Stadt-/Nahverkehr von entscheidender Bedeutung. Anders als bei herkömmlichen Antriebssträngen in der für derartige Anwendungen geeigneten Leistungsklasse stellt das System zur Speicherung elektrischer Energie einen erheblichen Teil der Kosten für den Hybridantrieb dar. Daher ist es besonders wichtig, dass bei solchen Anwendungen sehr hohe Lebensdauern erzielt werden können.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein System zur Speicherung von elektrischer Energie anzugeben, das die beschriebenen Nachteile zumindest teilweise vermeidet und insbesondere bei einer zyklischen Betriebsweise einen effizienten Zeilspannungsausgleich vorsieht.
Diese Aufgabe wird durch ein System und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Insbesondere sieht die Erfindung ein System zur Speicherung elektrischer Energie vor, umfassend eine Mehrzahl von Speicherzellen, die jeweils eine
Betriebsspannung aufweisen, wobei parallel zu einer Speicherzelle ein
elektrischer Verbraucher sowie ein Schaltglied in Reihe mit dem Verbraucher angeordnet sind, wobei das Schaltglied bei Erreichen oder Überschreiten einer Schwellenspannung geschlossen wird. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuereinrichtung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, die Schwellenspannung in Abhängigkeit von einem aus Betriebsspannungen der Mehrzahl oder auch aller Speicherzellen ermittelten Spannungswert einzustellen.
Erfindungsgemäß ist es somit möglich, die Schwellenspannung beispielsweise jeder der Speicherzellen mittels der Steuereinrichtung auf einen Spannungswert einzustellen, der sich aus dem momentanen Betriebszustand der Speicherzellen, also aus deren Betriebsspannungen, herleiten lässt. Bei der Mehrzahl der
Speicherzellen kann es sich beispielsweise um ein Modul oder ein Submodul eines größeren Speichersystems oder um die Gesamtheit aller Speicherzellen eines Systems zur Speicherung elektrischer Energie handeln. Bei dem aus Betriebsspannungen der Mehrzahl oder auch aller Speicherzellen ermittelten Spannungswert kann es sich beispielsweise um die durchschnittliche
Zellspannung oder um die um einen bestimmten festen oder auch variablen Wert veränderte durchschnittliche Zellspannung handeln. Eine derartige dynamische Anpassung der Schwellenspannung in Abhängigkeit von dem momentanen Ladezustand des Systems zur Speicherung elektrischer Energie oder eines Moduls des Systems kann beispielsweise die Schwellenspannung stets 0,1 V über der momentan herrschenden Durchschnittsspannung festlegen. Ein derartiges Nachführen der Schwellenspannung bewirkt, dass einzelne Speicherzellen mit erhöhter Zellspannung entladen werden, unabhängig von dem Ladezustand des Moduls beziehungsweise des Gesamtsystems.
Der Spannungsbetrag, der zu dem Durchschnittsspannungswert hinzu addiert wird, kann ein fester Betrag sein. Er kann aber auch beispielsweise in
Abhängigkeit von der absoluten Gesamtspannung oder in Abhängigkeit von dem momentanen Betriebsmodus oder in Abhängigkeit von Umgebungs- oder sonstigen Parametern gewählt werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einem insgesamt niedrigen Spannungsniveau des Speichersystems ein vergleichsweise großer Spannungswert addiert wird, wohingegen in der Nähe des oberen absoluten Schwellenspannungsgrenzwerts ein kleinerer Spannungsbetrag addiert wird. Dies stellt sicher, dass bei einem niedrigen Gesamtspannungsniveau nicht zu viel Energie für den Zellspannungsausgleich verwendet wird, während im Spannungsbereich nahe der Maximalspannung der einzelnen Speicherzelle ein Überschreiten desselben verhindert wird. Neben der Einstellung der
Schwellenspannung in Abhängigkeit von Betriebsspannungen der Mehrzahl der Speicherzellen kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich ein von den
Betriebsspannungen der Mehrzahl der Speicherzellen unabhängiger
Schwellenspannungswert eingesetzt wird, der ein Überschreiten einer maximalen Betriebsspannung unabhängig von dem aus der Mehrzahl der Speicherzellen abgeleiteten Spannungswert sicherstellt. Auch dieser absolute obere maximale Schwellenspannungswert kann wiederum von dem Betriebszustand des
Gesamtsystems, einzelner Module oder auch von dem momentan benötigten Anforderungsprofil an das Speichersystem oder von Umgebungs- und sonstigen Systemparametem wie etwa einer Umgebungstemperatur oder einer
Systemtemperatur abhängig sein.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann eine zentrale Steuereinrichtung für mehrere Speicherzellen vorgesehen sein. Somit können hinsichtlich der Festlegung der Schwellenspannung ein oder mehrere zentral angesteuerte Speichermodule gebildet werden, deren Schwellenspannung innerhalb des Moduls einheitlich, aber beispielsweise für jedes Modul
unterschiedlich steuerbar ist.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, einen gemeinsamen Spannungswert aus einer Mehrzahl von Betriebsspannungen von Speicherzellen zu bilden und die Schwellenspannung der Mehrzahl von Speicherzellen auf einen Wert einzustellen, in den der gemeinsame Spannungswert eingeht. Neben der bereits erläuterten Möglichkeit, einen Durchschnittswert aus den Betriebsspannungswerten der Mehrzahl von Speicherzellen zu bilden und diesen an sich oder um einen festen
beziehungsweise variablen Anteil addiert einzusetzen, können neben diesen Betriebsspannungswerten an sich auch andere Parameter in die Berechnung der Schwellenspannung eingehen. So kann beispielsweise das momentane
Leistungsabgabe- beziehungsweise -aufnahmeprofil, ein vergangenes oder ein zukünftiges zu erwartendes Leistungsprofil in die Berechnung des Schwellenspannungswertes eingehen.
Bei dem erfindungsgemäßen System kann vorgesehen sein, dass die
Steuereinrichtung die Schwellenspannung in bestimmten Zeitabständen einstellt. Ein derartiges zeitliches Abtasten des Systems beziehungsweise des erfassten Moduls erlaubt bei einem geringen Steueraufwand eine dennoch verbesserte Spannungssteuerung der Speicherzellen. Dabei kann beispielsweise der
Zeitabstand zwischen zwei Abtastungen an den Verlauf der Gesamtspannung des Systems beziehungsweise des Moduls oder an die Höhe der Gesamtspannung angepasst werden.
Alternativ kann bei einer Ausfϋhrungsform vorgesehen sein, dass die
Steuereinrichtung die Schwellenspannung kontinuierlich steuert. Eine derartige Echtzeitanpassung der Schwellenspannung stellt die Einhaltung der festgelegten Schwellenspannung zu jeder zeit sicher und reduziert somit eine eventuell auftretende zu hohe Spannung einzelner Speicherzellen unmittelbar. Die
Einstellung des Schwellenspannungswertes kann insbesondere nicht nur als Steuerung, sondern insbesondere auch als geschlossener Regelkreis realisiert werden.
Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Schaltglied einen Kontrolleingang aufweist, über den die Schwellenspannung gesteuert wird. Mittels des Kontrolleingangs wird eine Steuerung des Schaltglieds über die gegebenenfalls zentral angeordnete Steuereinrichtung ermöglicht.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung mittels einer Busleitung mit der Speicherzelle verbunden ist. Dies ermöglicht eine effiziente Ansteuerung einer Vielzahl von Speicherzellen, wobei nicht nur die Übermittlung eines geänderten Schwellenspannungswertes von der
Steuereinrichtung zu der Speicherzelle möglich ist, sondern auch die Übermittlung des momentanen Betriebsspannungswertes von der Speicherzelle zu der Steuereinrichtung. Dies ermöglicht die Erstellung eines genauen Abbildes des Speicherzustands des Systems zur Speicherung elektrischer Energie
beziehungsweise des jeweils erfassten Moduls des Systems. Bei einer einfachen Ausführungsform ist der Verbraucher ein Widerstand, alternativ können aber auch andere Mittel zum Abführen elektrischer Energie, wie beispielsweise mittels gerichteter Strahlung, vorgesehen sein. Die Speicherzelle kann als sogenannter Superkondensator, also als Doppelschicht-Kondensator, ausgebildet sein. Bei einer einfachen Ausführungsform kann das Schaltglied ein Schwellwertschalter sein. Die Schwelle des Schwellwertschalters ist dann über die Steuereinrichtung mittels eines Signal- beziehungsweise Datenbus einstellbar. Dabei kann insbesondere der Kontrolleingang des Schaltglieds eingesetzt werden.
Die Ansteuerung des Schaltglieds durch eine Steuereinrichtung kann eine kontaktlose Übertragungseinrichtung, insbesondere einen Trennverstärker, umfassen. Der Trennverstärker kann beispielsweise durch einen Optokoppler oder durch eine induktive Kopplung realisiert werden und so eine galvanisch von den Speicherzellen getrennte Ansteuerung der Schaltglieder ermöglichen. Dabei kann entweder die Schwellenspannung direkt an der Speicherzelle oder ein
Betätigungssignal für das Schaltglied übermittelt werden.
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird auch durch eine Speicherzelle zur
Speicherung elektrischer Energie mit einem parallel zu der Speicherzelle angeordneten elektrischen Verbraucher sowie einem Schaltglied in Reihe mit dem Verbraucher gelöst, wobei das Schaltglied bei Erreichen oder Überschreiten einer Schwellenspannung geschlossen wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Schaltglied einen Kontrolleingang zur Steuerung der Schwellenspannung aufweist. Mittels des Kontrolleingangs kann die momentane Betriebsspannung der Speicherzelle sowie eventuell in einem Modul angeordneter weiterer
Speicherzellen einer zentralen Steuereinrichtung zugeführt, dort verarbeitet und anhand der erfassten Betriebsspannungen die Schwellenspannung der
Speicherzelle über den Kontrolleingang entsprechend eingestellt werden. Die oben erwähnte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Steuern eines zur Speicherung elektrischer Energie ausgelegten Systems mit einer Mehrzahl Speicherzellen gelöst, die jeweils eine Speicherspannung aufweisen, wobei parallel zu jeder Speicherzelle ein elektrischer Verbraucher sowie ein Schaltglied in Reihe mit dem Verbraucher angeordnet sind, mit den Schritten eines Aufladens der Speicherzellen, eines Vergleichens der Betriebsspannung einer Speicherzelle mit einer Schwellenspannung sowie des Schließens des Schaltglieds, falls die Betriebsspannung Schwellenspannung erreicht oder überschreitet.
Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass die
Schwellenspannung in Abhängigkeit von einem aus Betriebsspannungen der Mehrzahl der Speicherzellen ermöglichten Spannungswert eingestellt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems, der erfindungsgemäßen Speicherzelle und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich femer aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben ist.
Es zeigen:
Figur 1 einen beispielhaften Aufbau eines Hybridfahrzeugs; und
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines
Systems zur Speicherung elektrischer Energie.
In Figur 1 ist ein beispielhaftes Hybridfahrzeug 1 angedeutet. Es verfügt über zwei Achsen 2, 3 mit je zwei beispielhaft angedeuteten Rädern 4. Die Achse 3 soll dabei eine angetriebene Achse des Fahrzeugs 1 sein, während die Achse 2 in an sich bekannter Art und Weise lediglich mitläuft. Zum Antrieb der Achse 3 ist beispielhaft ein Getriebe 5 dargestellt, welches die Leistung von einer
Verbrennungskraftmaschine 6 und einer elektrischen Maschine 7 aufnimmt und in den Bereich der angetriebenen Achse 3 leitet. Im Antriebsfall kann die elektrische Maschine 7 alleine oder ergänzend zur Antriebsleistung der
Verbrennungskraftmaschine 6 Antriebsleistung in den Bereich der angetriebenen Achse 3 leiten und somit das Fahrzeug 1 antreiben beziehungsweise den Antrieb des Fahrzeugs 1 unterstützen. Außerdem kann beim Abbremsen des Fahrzeugs 1 die elektrische Maschine 7 als Generator betrieben werden, um so beim Bremsen anfallende Leistung zurückzugewinnen und entsprechend zu speichern. Um beispielsweise bei einem Einsatz des Fahrzeugs 1 als Stadtbus auch für
Bremsvorgänge aus höheren Geschwindigkeiten, welche bei einem Stadtbus sicherlich bei maximal ca. 70 km/h liegen werden, einen ausreichenden
Energieinhalt bereitstellen zu können, muss für diesen Fall ein System 10 zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen werden, welches einen
Energieinhalt in der Größenordnung von 350 - 700 Wh aufweist. Damit lassen sich Energien, welche beispielsweise bei einem ca. 10 Sekunden langen
Bremsvorgang aus einer solchen Geschwindigkeit anfallen, über die elektrische Maschine 7, welche typischerweise eine Größenordnung von ca. 150 kW haben wird, in elektrische Energie umsetzen und diese in dem System 10 zu speichern.
Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 sowie zum Laden und Entladen des Systems 10 zur Speicherung elektrischer Energie weist der Aufbau gemäß Figur 1 einen Umrichter 9 auf, welcher in an sich bekannter Art und Weise mit einer integrierten Steuereinrichtung für das Energiemanagernent ausgebildet ist. Über den Umrichter 9 mit der integrierten Steuereinrichtung wird dabei der Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine 7 und dem System 10 zur Speicherung elektrischer Energie entsprechend koordiniert. Die Steuereinrichtung sorgt dafür, dass beim Bremsen im Bereich der dann generatorisch angetriebenen
elektrischen Maschine 7 anfallende Leistung soweit möglich in das System 10 zur Speicherung elektrischer Energie eingespeichert wird, wobei eine vorgegebene obere Spannungsgrenze des Systems 10 im Allgemeinen nicht überschritten werden darf. Im Antriebsfall koordiniert die Steuereinrichtung im Umrichter 9 die Entnahme von elektrischer Energie aus dem System 10, um in diesem
umgekehrten Fall die elektrische Maschine 7 mittels dieser entnommenen
Leistung anzutreiben. Neben dem hier beschriebenen Hybridfahrzeug 1 , wie es beispielsweise als Stadtbus ausgeführt sein kann, wäre ein vergleichbarer Aufbau selbstverständlich auch in einem reinen Elektrofahrzeug denkbar.
Figur 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen
System 10 zur Speicherung elektrischer Energie gemäß ejner Ausführungsform. Prinzipiell sind verschiedene Arten des Systems 10 zur Speicherung elektrischer Energie denkbar. Typischerweise ist ein derartiges System 10 so aufgebaut, dass eine Vielzahl von Speicherzellen 12 typischerweise in Reihe in dem System 10 verschaltet sind. Diese Speicherzellen können dabei Akkumulatorzellen und/oder Superkondensatorzellen sein oder auch eine beliebige Kombination hiervon. Für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel sollen die Speicherzellen 12 allesamt als Superkondensatoren, das heißt als Doppelschicht-Kondensatoren, ausgebildet sein, welche in einem System 10 zur Speicherung elektrischer Energie in dem mit dem Hybridantrieb ausgerüsteten Fahrzeug 1 eingesetzt werden. Der Aufbau kann aber bevorzugt in einem Nutzfahrzeug, beispielsweise einem Omnibus für den Stadt-/Nahverkehr, eingesetzt werden.
Hierbei wird durch häufige Anfahr- und Bremsmanöver in Verbindung mit einer sehr hohen Fahrzeugmasse eine besonders hohe Effizienz der Speicherung der elektrischen Energie durch die Superkondensatoren erreicht, da vergleichsweise hohe Ströme fließen. Da Superkondensatoren als Speicherzellen 12 einen sehr viel geringeren Innenwiderstand aufweisen als beispielsweise Akkumulatorzellen, sind diese für das hier näher beschriebene Ausführungsbeispiel zu bevorzugen. Wie bereits erwähnt, sind in der Figur 2 die Speicherzellen 12 zu erkennen. Dabei sind lediglich drei von mehreren seriell verbundenen Speicherzellen 12 dargestellt. Diese bilden in einer Reihe weiterer nicht abgebildeter Speicherzellen ein erstes Modul A. Weitere Module B, C sind ebenfalls schematisch dargestellt. Die genaue Anzahl an Modulen variiert je nach Einsatzzweck des Systems. Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel und einer entsprechenden elektrischen
Antriebsleistung von ca. 100 - 200 kW, beispielsweise 120 kW, wären dies in einem realistischen Aufbau insgesamt ca. 150 - 250 Speicherzellen 12. Wenn diese als Superkondensatoren mit einer derzeitigen oberen Spannungsgrenze von ca. 2,7 V je Superkondensator und einer Kapazität von 3000 Farad ausgebildet sind, wäre eine realistische Anwendung für den Hybridantrieb eines
Stadtomnibusses gegeben.
Wie in Figur 2 dargestellt weist jede der Speicherzellen 12 einen parallel zu der jeweiligen Speicherzelle 12 geschalteten elektrischen Verbraucher in Form eines ohmschen Widerstands 14 auf. Dieser ist in Reihe mit einem Schaltglied 16 parallel zu jeder der Speicherzellen 12, in diesem Fall parallel zu jedem der Superkondensatoren 12 geschaltet. Der Schalter 16 ist als Schwellwertschalter ausgebildet und weist einen Kontrolleingang 18 auf. Das Schaltglied 16 umfasst eine Spannungsüberwachung des Superkondensators 12. Sobald der
Superkondensator 12 eine obere Schwellenspannung übersteigt, wird der Schalter 16 geschlossen, sodass über den Widerstand 14 ein Strom aus dem
Superkondensator 12 fließen kann. Damit wird die in ihm befindliche Ladung und somit auch die Spannung entsprechend verringert, sodass ein erneutes
Überschreiten des Schwellenspannungswerts beim gleichen Superkondensator 12 vermieden wird. Des Weiteren ist eine zentrale Steuereinrichtung 22 vorgesehen. Sie ist mit einem Bus 20 verbunden, an den wiederum alle Speicherzellen 12 angebunden sind. Die Steuereinrichtung 22 ist dazu eingerichtet, mittels des Bus 20 die an den
Speicherzellen angeordneten Schaltglieder 16 über den jeweiligen Kontrolleingang 18 dahingehend anzusteuern, dass die Schwellenspannung für jede Speicherzelle 12 eingestellt werden kann. Umgekehrt wiederum kann die Steuereinrichtung 22 über den Bus 20 die momentane Betriebsspannung jeder Speicherzelle 12 über die Betriebsspannungserfassung des Schaltglieds 16 erfassen, indem über den Kontrolleingang ein entsprechendes Signal beziehungsweise entsprechende Daten an den Bus 20 und damit an die Steuereinrichtung 22 weitergeleitet werden.
Treten nun im laufenden Betrieb des Systems 10 etwa durch unterschiedliche Innenwiderstände oder durch konstruktiv bedingte andere Unterschiede zwischen den Speicherzellen 12 signifikant voneinander abweichende Betriebsspannungen auf, werden diese über den Bus 20 zu der Steuereinrichtung 22 übermittelt. Die Steuereinrichtung 22 ermittelt aus diesen einzelnen Betriebsspannungswerten der einzelnen Speicherzellen 12 jeweils einen für eines der Module A, B oder C gültigen Durchschnittsbetriebsspannungswert. Daraus wird eine für die
Speicherzellen in dem jeweiligen Modul A, B, C gültige Schwellenspannung beispielsweise dadurch ermittelt, dass zu dem Durchschnittswert ein fester oder ein von dem momentanen Betriebsmodus abhängiger Spannungswertbetrag addiert wird. Alternativ kann auch lediglich der arithmetisch ermittelte
Durchschnittswert verwendet werden. Dieser so ermittelte
Schwellenspannungswert wird von der Steuereinrichtung 22 über den Bus 20 zu den Speicherzellen 12 des jeweiligen Moduls übermittelt. Befinden sich nun einzelne Speicherzellen 12 oberhalb dieses Schwellenspannungswertes, schließt das jeweilige Schaltglied 16 und die sich in der Speicherzelle 12 befindliche Ladung wird über den ohmschen Widerstand 14 verringert, wodurch sich auch die Betriebsspannung der Speicherzelle 12 verringert. Befindet sich eine größere Anzahl von Speicherzellen 12 in dem jeweiligen Modul A, B, C oberhalb der aus dem Durchschnittsbetriebsspannungswerts ermittelten Schwellenspannung, so verringert sich der Durchschnittswert durch das Entladen einzelner Speicherzellen 12. Aus diesem reduzierten Durchschnittswert berechnet die Steuereinheit 22 wiederum eine niedrigere Schwellenspannung, übermittelt diese über den Bus 20 und den Kontrolleingang 18 an das jeweilige Schaltglied 16. Auf diese Weise ergibt sich gegebenenfalls iterativ eine Anpassung der Betriebsspannungen von Speicherzellen 12 an den Durchschnittswert eines Moduls A, B, C.
Auf diese Weise entsteht ein dauerhafter Gleichlauf aller Speicherzellen 12 im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt, was eine maximale Speicheausnutzung ohne Einbußen bei der Lebensdauer des Systems zur Speicherung elektrischer Energie 10 ermöglicht.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn bei Anwendungen mit zyklischem Betrieb, wie etwa bei Hybridantrieben, eine Schwellspannung für das Gesamtsystem beziehungsweise das gesamte Modul nur sehr kurzzeitig erreicht wird. Dabei kann es auch auftreten, dass diese Schwellspannung für längere Zeit gar nicht mehr erreicht wird, weil mangels einer Rekuperation bei gleichzeitig starkem Boost-Betrieb der Speicher nicht mehr bis zur Schwellspannung gefüllt wird. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird dieses Problem behoben, da das als Schwellwertschalter ausgebildete Schaltglied 16 über den geeigneten
Kontrolleingang 18 bezüglich seines Schwellwerts laufend, also auch während des zyklischen Betriebs zum Beispiel in einem Rekuperationsvorgang, bei dem sich durch Energiespeicherung die Spannung erhöht, in Echtzeit angepasst wird, zum Beispiel auf die durchschnittliche Zellspannung, die sich aus der Gesamtspannung und der Zahl aller Zellen beziehungsweise auch aus der durchschnittlichen
Zellspannung eines Moduls oder Submoduls ergibt.

Claims

Patentansprüche
1. System (10) zur Speicherung elektrischer Energie, umfassend eine
Mehrzahl Speicherzellen (12), die jeweils eine Betriebsspannung aufweisen, wobei parallel zu einer Speicherzelle (12) ein elektrischer
Verbraucher (14) sowie ein Schaltglied (16) in Reihe mit dem Verbraucher (14) angeordnet sind und wobei das Schaltglied (16) bei Erreichen oder Überschreiten einer Schwellenspannung geschlossen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das System (10) eine Steuereinrichtung (22) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, die Schwellenspannung in Abhängigkeit von einem aus Betriebsspannungen der Mehrzahl der Speicherzellen (12) ermittelten Spannungswert einzustellen.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuereinrichtung (22) für mehrere Speicherzellen (12) vorgesehen ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinrichtung (22) dazu eingerichtet ist, einen gemeinsamen
Spannungswert aus einer Mehrzahl von Betriebsspannungswerten von
Speicherzellen (12) zu bilden und die Schwellenspannung der Mehrzahl von Speicherzellen (12) auf einen Wert einzustellen, in den der
gemeinsame Spannungswert eingeht.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) die Schwellenspannung in bestimmten Zeitabständen einstellt.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) die Schwellenspannung kontinuierlich steuert.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Schaltglied (16) einen Kontrolleingang (18) aufweist, über den die Schwellenspannung gesteuert wird.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) mittels einer Busleitung (20) mit der Speicherzelle (12) verbunden ist.
8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Verbraucher ein Widerstand (14) und/oder die
Speicherzelle ein Superkondensator (12) ist.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Schaltglied ein Schwellwertschalter (16) ist.
10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) mittels einer kontaktlosen Übertragungseinrichtung das Schaltglied (12) ansteuert.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kontaktlose Übertragungseinrichtungseinrichtung einen Trennverstärker umfasst.
12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das System (10) in einem Energiespeicher, insbesondere für Hybridantriebe, eingesetzt wird.
13. Speicherzelle zur Speicherung elektrischer Energie mit einem parallel zu der Speicherzelle angeordneten elektrischer Verbraucher (14) sowie einem Schaltglied (16) in Reihe mit dem Verbraucher (14), wobei das Schaltglied (16) bei Erreichen oder Überschreiten einer Schwellenspannung geschlossen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied (16) einen Kontrolleingang (18) zur Steuerung der Schwellenspannung aufweist.
14. Verfahren zum Steuern eines zur Speicherung elektrischer Energie
ausgelegten Systems mit einer Mehrzahl Speicherzellen, die jeweils eine
Betriebsspannung aufweisen, wobei parallel zu jeder Speicherzelle ein elektrischer Verbraucher sowie ein Schaltglied in Reihe mit dem
Verbraucher angeordnet sind, mit den Schritten: - Aufladen der Speicherzellen,
Vergleichen der Betriebsspannung einer Speicherzelle mit einer
Schwellenspannung sowie
Schließen des Schaltglieds, falls die Betriebsspannung die
Schwellenspannung erreicht oder überschreitet, gekennzeichnet durch den Schritt:
Einstellen der Schwellenspannung in Abhängigkeit von einem aus Betriebsspannungen der Mehrzahl der Speicherzellen ermittelten Spannungswert.
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