WO2024018058A2 - Verfahren zur inbetriebnahme wenigstens eines energiespeichermoduls - Google Patents

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WO2024018058A2
WO2024018058A2 PCT/EP2023/070291 EP2023070291W WO2024018058A2 WO 2024018058 A2 WO2024018058 A2 WO 2024018058A2 EP 2023070291 W EP2023070291 W EP 2023070291W WO 2024018058 A2 WO2024018058 A2 WO 2024018058A2
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storage module
vehicle
storage modules
aging
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Manuel KUDER
Michael HOHENEGGER
Niclas LEHNERT
Lukas OBKIRCHER
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BAVERTIS GmbH
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters

Definitions

  • the invention relates to a method for putting into operation at least one energy storage module, preferably intended for a vehicle.
  • a battery management system (BMS) is necessary.
  • BMS battery management system
  • a DC intermediate circuit capacitor can be connected downstream of the energy storage devices. This serves to further smooth the three-phase currents of the converter and keep high-frequency oscillations away from the energy storage devices as well as to absorb switching overshoots, as the inductance of the energy storage devices would drive the current further.
  • the aim of this procedure is to load the energy storage with DC, as it is assumed that this contributes to the durability of the battery cell and reduces losses.
  • the converters can be provided on the DC bus, which pass the energy on to the electric motor or, in the case of braking energy recovery (recuperation), release it back to the battery.
  • chargers that can work with alternating voltage (AC) or direct voltage (DC) can also be connected to this bus.
  • AC alternating voltage
  • DC direct voltage
  • These converters are usually designed as two-point converters, e.g. as a B6 bridge in a three-phase version, or - especially in the area of solar systems - as three-point converters.
  • MMC systems multilevel converter systems
  • Batteries for example accumulators, can be used as energy storage or energy sources.
  • the energy storage devices are not hard-wired together, but rather combined as individual submodules. You need this structure for every phase. Therefore, the energy storage is divided into these phases and can, for example, be permanently connected in series or in parallel.
  • the lithium-ion cells such as those used in electric vehicles, are charged for the first time after production. Here, the lithium ions are intercalated into the anode, i.e. stored.
  • SEI layer Solid Electrolyte Interphase
  • CI E layer Cathode Electrolyte Interphase
  • a first discharge/charge cycle is then carried out and the cell can be subjected to so-called finishing.
  • the so-called formation is carried out.
  • Several charging and discharging processes of the cell take place in special sequences.
  • the sequence can vary depending on the manufacturer. Pulses can be applied to the energy storage module during formation for diagnostic purposes to determine whether it is defective or not.
  • the so-called aging is carried out.
  • the cells are stored for several weeks or months. This can also happen, for example, during the transport of the energy storage module from Asia to Europe or the USA.
  • Aging serves to detect cell-internal short circuits or other errors.
  • measurements for example of the open-circuit voltage, can be carried out in order to determine, for example, the capacity as a function of time. If necessary, at least one discharging/charging cycle can be carried out during the measuring processes.
  • the cell is of high quality.
  • the cells can be sorted according to their properties. Cells with similar properties are then either installed together in a battery module or cells are combined in such a way that the battery modules have similar properties overall, for example 48 volts.
  • the battery modules are then installed in the vehicle by the vehicle manufacturer.
  • the method for commissioning at least one specific energy storage module preferably for a vehicle, for example an electric vehicle, e.g. electric car, electric truck and/or electric bus, is designed or can be used for this purpose.
  • a vehicle for example an electric vehicle, e.g. electric car, electric truck and/or electric bus
  • the energy storage module can be a memory of a, preferably frequency-dependent, electrical source, for example a battery, for example an accumulator.
  • the method is carried out with a multilevel converter system, preferably a modular multilevel battery system (B2M), in which a large number of energy storage modules and transistors are provided.
  • a multilevel converter system preferably a modular multilevel battery system (B2M), in which a large number of energy storage modules and transistors are provided.
  • B2M modular multilevel battery system
  • A, preferably modular, multilevel converter system describes a type of arrangement or switching of several energy storage modules or transistors.
  • Each energy storage module can have at least or exactly one battery, for example an accumulator.
  • the transistors serve, for example, as switches by means of which, for example, current and/or voltage paths can be selected.
  • the energy storage modules can, for example, be integrated into a desired configuration or excluded from it.
  • At least or exactly two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten or more transistors are assigned to each energy storage module.
  • the transistor can, for example, be designed for a voltage of less than 500 V, 400 V, 300 V, 200 V, 100 V, 50 V, 40 V, 30 V, 20 V or 10 V.
  • the transistor can be designed for a voltage between 2 V and 8 V, for example 3 V, 4 V, 5 V, 6 V or 7 V.
  • Each energy storage module can be connected in parallel to the adjacent energy storage module and/or connected in series and/or bridged. Preferably, each energy storage module can be connected in series to the adjacent energy storage module. The possibility of parallel switching is advantageous, but not necessary.
  • the adjacent energy storage modules are preferably connected to one another via two current and/or voltage paths.
  • a transistor can be assigned to each path.
  • three transistors are provided between two adjacent energy storage modules.
  • the energy storage modules can therefore be connected in parallel or in series, for example.
  • Each energy storage module has at least one energy storage cell.
  • the energy storage module can have exactly one energy storage cell.
  • each energy storage module preferably has several energy storage cells, for example at least 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 or 100.
  • at least 100 energy storage cells can be provided in an energy storage module.
  • the energy storage cells of an energy storage module can preferably be connected to one another in parallel.
  • the energy storage cells of an energy storage module are selected such that the same charge is present as on the mains, for example 230 V.
  • Multilevel converter systems are significantly more versatile compared to bridge circuits. This means that almost any configuration can be created.
  • the energy storage modules can be connected to one another in any way, for example in parallel or in series. Individual energy storage modules can also be integrated into a desired configuration or excluded from it.
  • the energy storage modules preferably the transistors, are switched such that formation and/or aging is carried out during storage and/or transport to a vehicle and/or after installation in a vehicle.
  • the same multilevel converter system that is used in later operation can also be used for formation and/or aging.
  • the properties of the energy storage modules must first be determined before they are installed in a vehicle, for example in order to sort out any defective or low-quality energy storage modules or energy storage cells in advance.
  • the energy storage module Since the energy storage module has to be transported from the battery manufacturer to the vehicle manufacturer anyway, this transport time can be used for formation and/or aging. This minimizes storage times and therefore costs for the battery manufacturer.
  • the power electronics here: multilevel converter system
  • the transport time can then be used for aging.
  • the testing can then also be carried out via the multilevel converter system, as this has the option of, for example, carrying out electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and diagnosing and/or collecting data about these changes in the cells.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • two energy storage modules can, for example, be connected to each other and electricity can be charged from one module to the other.
  • One module is alternately loaded and the other unloaded until the formation is completed.
  • the formation and/or aging of the energy storage module can be carried out after installation in the vehicle, for example during storage before delivery to the customer or during transport of the vehicle to the customer. Furthermore, it is conceivable that the vehicle is already delivered to the customer and the aging takes place within the first few weeks or months during operation.
  • Testing can also be done here using the multilevel converter system, as this has the option of, for example, carrying out an EIS and using these to diagnose changes in the cells.
  • SoC State of Charge
  • the method according to the invention can therefore reduce costs when commissioning at least one energy storage module intended for a vehicle, since unnecessary storage times for formation and/or aging are eliminated.
  • the manufacturing process of energy storage modules can change fundamentally as a result of the method according to the invention.
  • manufacturing costs can be reduced significantly, for example by at least 18%.
  • each energy storage module has a plurality of energy storage cells.
  • an energy storage module may have exactly or at least 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 or 100 energy storage cells.
  • charging and discharging processes are to be understood broadly and include not only complete charging and discharging processes but also partial charging or partial discharging.
  • a multilevel converter system for example, also enables direct heating of at least one energy storage module using a corresponding circuit. This can be useful, for example, if the formation and/or aging is carried out during storage, transport to the vehicle and/or after installation in the vehicle and the outside temperatures are low.
  • the energy storage module can essentially generate the heat itself, which is required for formation and/or aging.
  • At least two energy storage modules or energy storage module systems are connected to one another and charge and/or discharge each other.
  • the formation and/or aging can therefore be carried out by the energy storage modules themselves.
  • An energy storage module system can, for example, include all energy storage modules for a vehicle.
  • the energy storage module is charged and/or discharged using a charging device and/or a motor of the vehicle.
  • a combination is also conceivable in which, depending on the need for formation and/or aging for charging and/or discharging, another energy storage module, a charging device and/or a motor of the vehicle is used.
  • the charging device can be, for example, an external charging device, such as a charging station or wallbox, which can be connected to the power grid, for example.
  • An external charging device may be necessary, for example, to compensate for (heating) losses.
  • the end customer's wallbox can be used as a charging device.
  • the customer only knows after a few weeks or months how good the energy storage modules or the energy storage module system in his vehicle are, i.e. how much capacity they have.
  • the formation and/or aging is only carried out at the customer's site.
  • the energy storage module is charged and/or discharged using the vehicle's engine.
  • the multilevel converter system can preferably be used to create a fully automated formation without an electrical connection to the outside world. This is possible, for example, when no heating is required and only pulses need to be generated.
  • different pulses are applied to the energy storage modules during formation and/or aging.
  • the duration and/or current strength of the pulses can vary.
  • the pulses can be generated, for example, by connecting the energy storage modules in parallel and/or reversing the polarity and then reversing the polarity to the initial situation.
  • charging and/or discharging can be carried out from one converter arm or converter string to the other, so that fewer losses occur.
  • a constant voltage can be generated by two converter phases, i.e. two phases have the same voltages. This makes the control very simple.
  • two energy storage modules can be connected in parallel.
  • a voltage of, for example, 200 V is set on two energy storage modules and a voltage of 180 V on another energy storage module. This means that current can flow from the two 200 V energy storage modules into the 180 V energy storage module. This can also generate a current flow, for example via the motor. This is adjusted by varying the strand voltages so that the Battery formation is carried out.
  • a pulse-shaped load can be applied directly to the energy storage modules via the respective switches.
  • a master controller can set the total current flow and the respective slave modules cut out the correct pulses from this by switching in series, parallel or bridged.
  • the energy storage modules could preferably already be monitored using a sensor system.
  • the pulses can be used, for example, for diagnostics to determine the quality of the energy storage modules.
  • data from the energy storage modules are determined before, during and/or after formation and/or aging.
  • Data can therefore preferably be recorded permanently.
  • Data can be determined from tests before, during and/or after charging and discharging processes.
  • an EIS can be carried out.
  • the procedure for forming energy storage modules or energy storage cells varies greatly depending on the manufacturer, but energy storage modules or energy storage cells from one manufacturer also differ greatly from one another due to different cathode, anode materials and electrolytes. In addition, the formation can also differ for energy storage modules or energy storage cells of the same type and manufacturer.
  • the x-axis shows the real part of the impedance (complex resistance) of the energy storage module and represents the actual losses of the energy storage module at that operating point.
  • the y-axis shows the imaginary part of the impedance at the operating points.
  • the different operating points come about through different applied voltage frequencies. The frequencies in the upper right corner are low and strongly influenced by diffusion. The losses at the bottom left are the losses at high frequencies and are strongly influenced by the inductive behavior.
  • Any system under investigation can basically be understood as a combination of resistances, capacitances and/or inductances, which correspond to certain real components or processes.
  • Exact knowledge of the system enables the creation of an equivalent circuit diagram. This means that changes in electrical behavior can be interpreted as changes to individual system components.
  • a current pulse can be switched or impressed on the energy storage module and the resulting voltage response can be measured.
  • the frequency can be, for example, 2.5 kHz.
  • an oscillating circuit can also be provided that sends energy back and forth between two energy storage modules.
  • an individual load profile can be created for each energy storage module, which can preferably be adjusted during operation.
  • a digital image of the energy storage module is created from the data.
  • the digital image can be generated, for example, during standstill and/or the first journeys.
  • the energy storage modules can subsequently be loaded in such a way that the aging state and/or the properties are adjusted using different load profiles.
  • the digital image can be continuously adapted to the currently determined data.
  • Kl Artificial intelligence
  • the AI can learn which pulses are optimal. If necessary, this could also be readjusted later by the vehicle manufacturer. With the help of a Kl, the formation could, for example, always be changed slightly in order to then determine over the course of the energy storage module's operating life whether the changes have made a difference. In this way, production could be improved step by step.
  • the energy storage modules are switched during operation of the vehicle depending on the data determined during formation and/or aging.
  • the multilevel converter system makes it possible to constantly re-measure and/or coordinate the energy storage modules during operation.
  • Defective energy storage modules for example, can also be bridged.
  • the worst energy storage module does not determine the overall performance, as this can be bridged.
  • the price of the vehicle may depend on the energy of the energy storage modules, e.g. depending on kWh.
  • the end customer receives compensation or a bonus for low-quality energy storage modules. This can also be done later and/or when loading.
  • the charging station can detect how good the installed energy storage modules are and, for example, adjust the price per kWh accordingly. Especially from an environmental point of view, it is advantageous if energy storage modules with low capacity are used, even if this reduces the maximum range. End customers who use a corresponding vehicle with a lower range can, for example, receive a bonus and/or an award.
  • the invention relates to a device for putting into operation at least one energy storage module, preferably intended for a vehicle.
  • the device has a multilevel converter system with a large number of energy storage modules and transistors, with each energy storage module being able to be connected in parallel to the adjacent energy storage module, being connected in series and/or bridged, and having at least one energy storage cell. Furthermore, the multilevel converter system comprises a control device which is designed to switch the energy storage modules, preferably the transistors, in such a way that formation and/or aging occurs during storage, transport to a vehicle and/or after installation in a vehicle is carried out.
  • All embodiments and components of the device described here are preferably designed to be operated, for example by means of the control device, according to the method described here. Furthermore, all embodiments of the device described here and all embodiments of the method described here can each be combined with one another, preferably also independently of the specific embodiment in the context of which they are mentioned.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an MMC system according to the invention
  • FIG. 5 shows a configuration of an embodiment of an MMC system according to the invention for the formation and/or aging of energy storage modules without a parallel connection
  • FIG. 6 shows a configuration of a further embodiment of an MMC system according to the invention for the formation and/or aging of energy storage modules
  • 7 shows a schematic representation of an embodiment of a method according to the invention
  • Fig. 8 is a schematic representation of a pulse distribution of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a multilevel converter system for the formation and/or aging of energy storage modules of at least one energy storage module 10, 12, 14, 16.
  • Adjacent energy storage modules 10, 12, 14, 16 are each connected to one another via several paths.
  • a switch designed as a transistor 18 is provided in each path.
  • the adjacent energy storage modules 10, 12, 14, 16 can thus be connected in series or parallel to one another. Individual energy storage modules 10, 12, 14, 16 can also be bridged if necessary, for example by closing the upper switch 18, and in this way excluded from a configuration.
  • Fig. 2 the voltage curve U is shown over the time t of a PWM modulation. Six switches are required for a three-phase DC/AC system coupling.
  • the DC voltage is switched on synchronously via several or one switch, so that an alternating voltage is only generated on average over time.
  • the sinusoidal target voltage 20 is therefore only rudimentarily modeled by the output voltage 22 of the PWM system.
  • Fig. 3 shows the voltage curve U in volts over time t in seconds of an MMC system.
  • the sinusoidal target voltage 20 is simulated by building individual stages 24.
  • the output voltage 24 therefore simulates the sinusoidal target voltage 20 much better.
  • FIG. 1 A power-optimized (loss) configuration of an MMC system is shown in FIG.
  • the voltage U is shown in volts over time t in seconds.
  • the example shows how the first three voltage levels can be formed by connecting the energy storage modules 10, 12, 14, 16 in parallel.
  • the circuit can basically be expanded to any number of energy storage modules.
  • FIG. 1 A further exemplary configuration is shown in FIG.
  • the energy storage module 10 is connected alone and in the further stages in series with at least one of the other energy storage modules 12, 14, 16.
  • the configurations shown as examples in FIGS. 4 to 6 can be used for the formation and/or aging of the energy storage modules 10, 12, 14, 16.
  • the quality of the individual energy storage modules 10, 12, 14, 16 can be determined by measurements.
  • the energy storage modules 10, 12, 14, 16 can then be arranged in a suitable configuration depending on their quality.
  • the energy storage module 10 is integrated into the configuration alone in the first stage and with another energy storage module 12 in the second stage, with two further energy storage modules 12, 14 in the third stage and in the fourth Stage connected in series with three further energy storage modules 12, 14,16.
  • the energy storage module 10 can, for example, have a high quality and therefore always be integrated.
  • the energy storage module 16, on the other hand, can be of inferior quality, which is why it is rarely used.
  • the energy storage module 10 is connected alone in the first stage and in series with at least one of the other energy storage modules 12, 14, 16 in the further stages.
  • the configuration shown in FIG. 6 may represent an optimized configuration in which the losses for one or more energy storage modules 10, 12, 14, 16 are low.
  • FIGS. 5 and 6 are purely exemplary. Depending on the quality of the energy storage modules 10, 12, 14, 16, other configurations are also conceivable.
  • FIG. 7 shows a possible method for putting into operation at least one energy storage module 10, 12 intended for a vehicle.
  • step A an energy storage module 10 is produced.
  • steps B and C the energy storage module 10 is connected to an energy storage module 12 via a circuit board 26 on which an MMC system is arranged.
  • the formation can be carried out.
  • step D Aging then takes place in step D. This can take place, for example, during transport to the vehicle manufacturer.
  • the energy storage modules 10, 12 can, for example, be combined into an energy storage module system 28 shown in step E and installed in a vehicle.
  • the individual energy storage modules 10, 12 can be loaded depending on their quality.
  • the quality of the energy storage modules 10, 12 can also be determined during operation. A new configuration can be selected if the quality of the energy storage modules 10, 12 changes.
  • the data obtained during formation and/or aging to characterize the energy storage modules 10, 12 can be used, for example, for the next production of energy storage modules.
  • Fig. 8 shows step C, i.e. the formation.
  • the current I in amperes
  • t in seconds
  • the strength and/or duration of the pulses may change.
  • the current strengths of the pulses of the energy storage module 10 behave inversely to the current strengths of the pulses of the energy storage module 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inbetriebnahme wenigstens eines, vorzugsweise für ein Fahrzeug bestimmtes, Energiespeichermoduls mit einem Multilevelconverter-System, bei dem eine Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren bereitgestellt wird, wobei jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel geschaltet, in Serie geschaltet und/oder überbrückt werden kann und wenigstens eine Energiespeicherzelle aufweist, und die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, derart geschaltet werden, dass eine Formation und/oder eine Alterung während einer Lagerung, eines Transports zum Fahrzeug und/oder nach einem Einbau im Fahrzeug durchgeführt wird.

Description

Verfahren zur Inbetriebnahme wenigstens eines Energiespeichermoduls
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inbetriebnahme wenigstens eines, vorzugsweise für ein Fahrzeug bestimmtes, Energiespeichermoduls.
Bisherige Energiespeicher werden in der Regel mit Gleichspannung (DC) belastet. Dies ist dem Aufbau von konventionellen Umrichter-Systemen geschuldet. Dabei wird versucht, die Wechselspannungsanteile, also harmonische Schwingungen, von den Energiespeichern fernzuhalten.
Da hierbei viele Energiespeicher in Serie oder parallel geschaltet werden müssen, ist ein Batteriemanagement-System (BMS) notwendig. Den Energiespeichern kann z.B. ein DC- Zwischenkreiskondensator nachgeschaltet sein. Dieser dient dazu, die dreiphasigen Ströme des Umrichters weiter zu glätten und hochfrequente Schwingungen von den Energiespeichern fernzuhalten sowie Schaltüberschwingungen abzufangen, da die Induktivität der Energiespeicher den Strom weitertreiben würde. Das Ziel dieses Vorgehens ist es, die Energiespeicher mit DC zu belasten, da hierbei angenommen wird, dass dies zur Beständigkeit der Batteriezelle beiträgt und die Verluste reduziert.
Beispielsweise bei einem herkömmlichen Elektrofahrzeug können am DC-Bus die Umrichter vorgesehen sein, die die Energie an den Elektromotor weitergeben bzw. bei einer Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) wieder an die Batterie abgeben. An diesem Bus können beispielsweise auch Ladegeräte angeschlossen werden, die mit Wechselspannung (AC) oder Gleichspannung (DC) arbeiten können.
Diese Umrichter sind zumeist als Zweipunktumrichter, z.B. als B6-Brücke bei einer dreiphasigen Ausführung, oder - vor allem im Bereich von Solaranlagen - als Dreipunktumrichter ausgebildet.
Alternativ zu Brückenschaltungen als Umrichter sind so genannte Multilevelconverter-Sys- teme (MMC-Systeme) bekannt.
Als Energiespeicher bzw. Energiequellen können beispielsweise Batterien, z.B. Akkumulatoren, verwendet werden. Die Energiespeicher werden dabei nicht fest miteinander verdrahtet, sondern als einzelne Submodule zusammengefasst. Diesen Aufbau benötigt man für jede Phase. Daher teilen sich die Energiespeicher auf diese Phasen auf und können beispielsweise fest in Serie oder parallel verschaltet werden. Die Lithium-Ionen-Zellen, wie sie z.B. bei Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, werden nach der Herstellung zum ersten Mal geladen. Hierbei werden die Lithium-Ionen in die Anode interkaliert, also eingelagert. Es bildet sich die so genannte SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) und/oder CI E-Schicht (Cathode Electrolyte Interphase).
Anschließend wird ein erster Entlade-/Ladezyklus durchgeführt und die Zelle kann dem so genannten Finishing unterzogen werden.
Zunächst wird die so genannte Formation durchgeführt. Dabei erfolgen in speziellen Abfolgen mehrere Lade- und Entladevorgänge der Zelle. Die Abfolge kann dabei je nach Hersteller variieren. Pulse können während der Formation zur Diagnose auf das Energiespeichermodul gegeben werden, um festzustellen, ob dieses defekt ist oder nicht.
Nach der Formation wird die so genannte Alterung (Aging) durchgeführt. Hierbei werden die Zellen mehrere Wochen oder Monate gelagert. Dies kann auch beispielsweise während des Transports des Energiespeichermoduls von Asien nach Europa oder in die USA erfolgen.
Die Alterung dient dazu, dass zellinterne Kurzschlüsse oder andere Fehler erkannt werden.
Während der Formation und/oder Alterung können Messungen, beispielweise der Leerlaufspannung, durchgeführt werden, um beispielsweise die Kapazität in Abhängigkeit von der Zeit zu bestimmen. Bei den Messvorgängen kann gegebenenfalls wenigstens ein Ent- Iade-/Ladezyklus durchgeführt werden.
Am Ende der Alterung erfolgt ein Ladevorgang, um einen Referenzpunkt festzulegen.
Ergeben sich über die Zeit kaum Änderungen der Zelleigenschaften, weist die Zelle eine hohe Qualität auf.
Anhand der Messdaten können die Zellen somit entsprechend ihrer Eigenschaften sortiert werden. Anschließend werden entweder Zellen mit ähnlichen Eigenschaften gemeinsam in ein Batteriemodul verbaut oder es werden Zellen derart zusammengefasst, dass die Batteriemodule insgesamt ähnliche Eigenschaften, z.B. 48 Volt, aufweisen.
Die Batteriemodule werden dann vom Fahrzeughersteller im Fahrzeug verbaut.
Bisher erfolgen die Formation und die Alterung beim Batteriehersteller. Die durch die Lagerung bedingten Kosten für die Alterung machen hierbei etwa 30 % des Batteriepreises aus.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Inbetriebnahme wenigstens eines, vorzugsweise für ein Fahrzeug bestimmtes, Energiespeichermoduls zu schaffen, bei dem/der Lagerkosten reduziert werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das Verfahren sowie die Vorrichtung der unabhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Inbetriebnahme wenigstens eines, vorzugsweise für ein Fahrzeug, beispielsweise Elektrofahrzeug, z.B. Elektro-PKW, Elektro-LKW und/oder Elektro-Bus, bestimmtes, Energiespeichermoduls ausgebildet oder kann hierzu verwendet werden.
Bei dem Energiespeichermodul kann es sich um einen Speicher einer, vorzugsweise frequenzabhängigen, elektrischen Quelle handeln, beispielsweise einer Batterie, z.B. eines Akkumulators.
Das Verfahren wird mit einem Multilevelconverter-System, vorzugsweise Modularen Multilevel Batterie-System (B2M), ausgeführt, bei dem eine Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren bereitgestellt wird.
Ein, vorzugsweise modulares, Multilevelconverter-System beschreibt eine Art der Anordnung bzw. Schaltung mehrerer Energiespeichermodule bzw. Transistoren.
Jedes Energiespeichermodul kann wenigstens oder genau eine Batterie, z.B. einen Akkumulator, aufweisen. Die Transistoren dienen beispielsweise als Schalter, mittels derer z.B. Strom- und/oder Spannungspfade ausgewählt werden können. Die Energiespeichermodule können dadurch beispielsweise in eine gewünschte Konfiguration eingebundenen oder von dieser ausgeschlossen werden.
Vorzugsweise sind jedem Energiespeichermodul wenigstens oder genau zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr Transistoren zugeordnet.
Der Transistor kann beispielsweise für eine Spannung von weniger als 500 V, 400 V, 300 V, 200 V, 100 V, 50 V, 40 V, 30 V, 20 V oder 10 V ausgebildet sein. Vorzugsweise kann der Transistor für eine Spannung zwischen 2 V und 8 V, z.B. 3 V, 4 V, 5 V, 6 V oder 7 V, ausgelegt sein.
Jedes Energiespeichermodul kann zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel geschaltet und/oder in Serie geschaltet und/oder überbrückt werden. Vorzugsweise kann jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul in Serie geschaltet werden. Die Möglichkeit eines parallelen Schaltens ist vorteilhaft, aber nicht notwendig.
Vorzugsweise sind die benachbarten Energiespeichermodule über jeweils zwei Strom- und/oder Spannungspfade miteinander verbunden. Jedem Pfad kann dabei ein Transistor zugeordnet sein.
Beispielsweise sind zwischen zwei benachbarten Energiespeichermodulen drei Transistoren vorgesehen. Die Energiespeichermodule können dadurch z.B. parallel oder in Serie geschaltet werden.
Jedes Energiespeichermodul weist wenigstens eine Energiespeicherzelle auf.
Beispielsweise kann das Energiespeichermodul genau eine Energiespeicherzelle aufweisen. Bevorzugt weist jedes Energiespeichermodul jedoch mehrere Energiespeicherzellen auf, z.B. mindestens 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 oder 100. Beispielsweise können mindestens 100 Energiespeicherzellen in einem Energiespeichermodul vorgesehen sein. Die Energiespeicherzellen eines Energiespeichermoduls können vorzugsweise parallel miteinander verschaltet sein. Vorzugsweise werden die Energiespeicherzellen eines Energiespeichermoduls derart gewählt, dass dieselbe Ladung wie am Netz, z.B. 230 V, anliegt.
Multilevelconverter-Systeme sind im Vergleich zu Brückenschaltungen deutlich vielseitiger. So können nahezu beliebige Konfigurationen erzeugt werden. Beispielsweise können die Energiespeichermodule beliebig, z.B. parallel oder in Serie, zueinander geschaltet werden. Auch können einzelne Energiespeichermodule in eine gewünschte Konfiguration eingebundenen oder von dieser ausgeschlossen werden.
Die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, werden derart geschaltet, dass eine Formation und/oder eine Alterung während einer Lagerung und/oder eines Transports zu einem Fahrzeug und/oder nach einem Einbau in einem Fahrzeug durchgeführt wird. Vorzugsweise kann dasselbe Multilevelconverter-System, welches im späteren Betrieb eingesetzt wird, auch zur Formation und/oder Alterung genutzt werden.
Ohne ein Multilevelconverter-System ist dies bisher nicht möglich. So müssen nämlich zunächst die Eigenschaften der Energiespeichermodule festgestellt werden, ehe diese in einem Fahrzeug verbaut werden, um beispielsweise im Vorfeld gegebenenfalls defekte oder qualitativ minderwertige Energiespeichermodule bzw. Energiespeicherzellen auszusortieren.
Es war überraschend, dass dies bei einem Multilevelconverter-System nicht erforderlich ist. So können defekte oder qualitativ minderwertige Energiespeichermodule bzw. Energiespeicherzellen auch noch nachträglich - beispielsweise in einem im Fahrzeug eingebauten Zustand - überbrückt bzw. entsprechend geschalten werden, um die gewünschte Gesamtkapazität zu erreichen und/oder die Alterung zu homogenisieren. Gegebenenfalls kann es auch ausreichen, eine niedrigere Gesamtkapazität zu erreichen, was wohl einen niedrigeren Preis für das Energiespeichermodul nach sich ziehen würde.
Da das Energiespeichermodul ohnehin vom Batteriehersteller zum Fahrzeughersteller transportiert werden muss, kann diese Transportzeit für die Formation und/oder die Alterung genutzt werden. Lagerzeiten und somit Kosten seitens des Batterieherstellers werden dadurch minimiert. Bei der Formation kann bereits beim Zusammenführen der Energiespeichermodule die Leistungselektronik (hier: Multilevelconverter-System) aufgebracht und dazu genutzt werden, die Lade- und/oder Entlademuster durchzuführen. Danach kann die Transportzeit für die Alterung genutzt werden. Das Testen kann dann ebenfalls über das Multilevelconverter-System erfolgen, da dieses die Möglichkeit hat, z.B. eine elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) durchzuführen und über diese Veränderungen der Zellen zu diagnostizieren und/oder Daten zu sammeln.
Da bei dieser Methode die Energiespeichermodule noch nicht im Fahrzeug verbaut sind, können beispielsweise zwei Energiespeichermodule miteinander verbunden werden und Strom kann von einem Modul ins andere geladen werden. Dabei wird abwechselnd das eine Modul geladen und das andere entladen, bis die Formation abgeschlossen ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Formation und/oder die Alterung das Energiespeichermodul nach einem Einbau im Fahrzeug durchgeführt werden, beispielsweise während der Lagerung vor der Auslieferung zum Kunden bzw. während des Transports des Fahrzeugs zum Kunden. Ferner ist es denkbar, dass das Fahrzeug bereits zum Kunden ausgeliefert wird und die Alterung innerhalb der ersten Wochen bzw. Monate während des Betriebs vorgenommen wird.
Das Testen kann auch hier über das Multilevelconverter-System erfolgen, da dieses die Möglichkeit hat, z.B. eine EIS durchzuführen und über diese Veränderungen der Zellen zu diagnostizieren.
Da die Energiespeichermodule bereits im Fahrzeug verbaut sind, ist es nicht mehr möglich, die Energiespeichermodule miteinander zu verbinden, um sie dann zu laden- und/oder entladen.
Es ist denkbar, die Formation so lange durchzuführen, bis der optimale State of Charge (SoC) erreicht wurde, um das Fahrzeug zum Kunden zu transportieren bzw. das Fahrzeug zu lagern.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit Kosten bei der Inbetriebnahme wenigstens eines für ein Fahrzeug bestimmtes Energiespeichermoduls reduziert werden, da unnötige Lagerzeiten für die Formation und/oder die Alterung entfallen. Der Herstellungsprozess von Energiespeichermodulen kann sich durch das erfindungsgemäße Verfahren grundlegend verändern.
Dadurch, dass verschiedene Teilschritte des Herstellungsprozesses von der Fabrik in das jeweilige Endprodukt verlagert werden, können sich die Fertigungskosten erheblich, z.B. um mindestens 18 %, reduzieren.
Dies liegt auch daran, dass die Leistungselektronik direkt an jedem Energiespeichermodul angreifen kann. So kann die Alterung für jedes Energiespeichermodul individuell durchgeführt werden.
Da die Eigenschaften der Energiespeichermodule nicht vor dem Verbau im Fahrzeug erfasst werden müssen, kann die Alterung beim Transport und/oder in der Produktion des Fahrzeuges erfolgen. Dadurch ist es nicht mehr nötig, dass ausschließlich gleiche Energiespeichermodule in einem Batteriepack verbaut werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.
Gemäß einer Ausführungsform weist jedes Energiespeichermodul eine Vielzahl an Energiespeicherzellen auf.
Beispielsweise kann ein Energiespeichermodul genau oder mindestens 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 oder 100 Energiespeicherzellen aufweisen.
Nach einer weiteren Ausführungsform werden bei der Formation und/oder Alterung mehrere Lade- und Entladevorgänge durchgeführt.
Die Begriffe Lade- und Entladevorgänge sind breit zu verstehen und umfassen neben vollständigen Lade- und Entladevorgängen ebenso Teilladungen bzw. Teilentladungen.
Ein Multilevelconverter-System ermöglicht durch eine entsprechende Schaltung beispielsweise auch ein direktes Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn die Formation und/oder Alterung während einer Lagerung, eines Transports zum Fahrzeug und/oder nach einem Einbau im Fahrzeug durchgeführt wird und die Außentemperaturen hierbei niedrig sind.
So kann das Energiespeichermodul quasi selbst die Wärme erzeugen, welche für die Formation und/oder Alterung benötigt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden wenigstens zwei Energiespeichermodule oder Energiespeichermodulsysteme miteinander verbunden und laden und/oder entladen sich gegenseitig.
Die Formation und/oder Alterung kann somit durch die Energiespeichermodule selbst erfolgen.
Dies ist beispielsweise möglich, wenn die Energiespeichermodule oder das Energiespeichermodulsystem noch nicht in das Fahrzeug eingebaut sind.
Ein Energiespeichermodulsystem kann beispielsweise sämtliche Energiespeichermodule für ein Fahrzeug umfassen.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird das Energiespeichermodul mittels einer Ladeeinrichtung und/oder eines Motors des Fahrzeugs geladen und/oder entladen.
Dies ist beispielsweise möglich, wenn das Energiespeichermodul noch nicht in das Fahrzeug eingebaut ist. Ebenso ist dies möglich, wenn das Energiespeichermodul bereits im Fahrzeug verbaut ist.
Es ist auch eine Kombination denkbar, bei der je nach Bedarf zur Formation und/oder Alterung zum Laden und/oder Entladen auf ein weiteres Energiespeichermodul, eine Ladeeinrichtung und/oder einen Motor des Fahrzeugs zurückgegriffen wird.
Bei der Ladeeinrichtung kann es sich beispielsweise um eine externe Ladevorrichtung, z.B. eine Ladesäule oder Wallbox, handeln, welche z.B. an das Stromnetz angeschlossen sein kann. Eine externe Ladeeinrichtung kann beispielsweise notwendig sein, um (Heiz)verluste auszugleichen.
Beispielsweise kann die Wallbox des Endkunden als Ladeeinrichtung genutzt werden. In diesem Fall weiß der Kunde erst nach ein paar Wochen bzw. Monaten wie gut die Energiespeichermodule bzw. das Energiespeichermodulsystem in seinem Fahrzeug sind, also wieviel Kapazität diese aufweisen. Die Formation und/oder Alterung wird hierbei erst beim Kunden durchgeführt.
Es ist zudem denkbar, dass das Energiespeichermodul mittels des Motors des Fahrzeugs geladen und/oder entladen wird. Hierbei kann durch das Multilevelconverter-System vorzugsweise eine vollautomatisierte Formation ohne elektrische Verbindung zur Außenwelt erfolgen. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn kein Heizen erforderlich ist und lediglich Pulse erzeugt werden müssen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden bei der Formation und/oder Alterung unterschiedliche Pulse auf die Energiespeichermodule gegeben.
Beispielsweise kann die Dauer und/oder Stromstärke der Pulse variieren.
Die Pulse können z.B. durch ein Parallelschalten der Energiespeichermodule und/oder ein Umpolen und anschließender Rückpolung in die Ausgangssituation erzeugt werden.
Beispielsweise kann von einem Umrichterarm bzw. Umrichterstrang in den anderen geladen und/oder entladen werden, sodass weniger Verluste entstehen. Es kann im Gegensatz zur eigentlichen Anwendung eine konstante Spannung von zwei Umrichtersträngen erzeugt werden, d.h. zwei Stränge haben die gleichen Spannungen. Dadurch wird die Ansteuerung sehr vereinfacht.
Alternativ können auch zwei Energiespeichermodule parallel geschalten werden. Oder an zwei Energiespeichermodulen wird eine Spannung von beispielweiße 200 V eingestellt und an einem anderen Energiespeichermodul eine Spannung von 180 V. Somit kann Strom aus den beiden 200 V-Energiespeichermodulen in das 180 V-Energiespeichermo- dul fließen. Dadurch kann ebenfalls ein Stromfluss, beispielsweise über den Motor, erzeugt werden. Dieser wird durch Variation der Strangspannungen so eingestellt, dass die Batterieformation durchgeführt wird. Eine pulsförmige Belastung kann über die jeweiligen Schalter direkt auf die Energiespeichermodule aufgebracht werden.
Ein Mastercontroller kann hierbei den Gesamtstromfluss einstellen und die jeweiligen Slave-Module schneiden sich aus diesem die richtigen Pulse heraus, indem seriell, parallel oder überbrückt geschalten wird.
Währenddessen könnten die Energiespeichermodule vorzugsweie bereits mittels einer Sensorik überwacht werden.
Die Pulse können z.B. der Diagnose dienen, um die Qualität der Energiespeichermodule zu bestimmen.
Nach einer weiteren Ausführungsform werden vor, während und/oder nach der Formation und/oder Alterung Daten der Energiespeichermodule ermittelt.
Es können also vorzugsweise permanent Daten erfasst werden.
Aus Tests vor, während und/oder nach Lade- und Entladevorgängen können Daten ermittelt werden. Beispielsweise kann eine EIS durchgeführt werden.
Das Vorgehen bei der Formation von Energiespeichermodulen bzw. Energiespeicherzellen ist je nach Hersteller sehr unterschiedlich, aber auch Energiespeichermodule bzw. Energiespeicherzellen eines Herstellers weichen aufgrund von unterschiedlichen Kathoden-, Anodenmaterialien und Elektrolyten stark voneinander ab. Zudem kann die Formation aber auch bei Energiespeichermodulen bzw. Energiespeicherzellen des gleichen Bautyps und Herstellers abweichen.
Der grundlegende Verlauf ist jedoch bei allen Energiespeichermodulen gleich.
Bei einem EIS zeigt die x-Achse den Realteil der Impedanz (komplexer Widerstand) des Energiespeichermoduls und repräsentiert die tatsächlichen Verluste des Energiespeichermoduls in diesem Betriebspunkt. Die y-Achse zeigt den Imaginärteil der Impedanz in den Betriebspunkten. Die unterschiedlichen Betriebspunkte kommen durch unterschiedliche angelegte Spannungsfrequenzen zustande. So sind die Frequenzen im rechten oberen Eck niedrig und stark von der Diffusion beeinflusst. Die Verluste links unten sind die Verluste bei hohen Frequenzen und von dem induktiven Verhalten stark beeinflusst.
Jedes zu untersuchende System lässt sich im Grunde als eine Kombination von Widerständen, Kapazitäten und/oder Induktivitäten verstehen, welche bestimmten realen Komponenten oder Vorgängen entsprechen. Eine genaue Kenntnis des Systems ermöglicht das Erstellen eines Ersatzschaltbildes. Damit können Veränderungen im elektrischen Verhalten als Veränderungen einzelner Systemkomponenten gedeutet werden.
Zum Charakterisieren kann z.B. ein Strompuls auf das Energiespeichermodul geschaltet bzw. geprägt und die daraus resultierende Spannungsantwort gemessen werden. Die Frequenz kann beispielsweise 2,5 kHz betragen.
Auch kann beispielsweise ein Schwingkreis vorgesehen sein, der Energie zwischen zwei Energiespeichermodulen hin und her schickt.
Vorzugsweise kann für jedes Energiespeichermodul ein individuelles Belastungsprofil erstellt werden, welches vorzugsweise während des Betriebs angepasst werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird aus den Daten ein digitales Abbild des Energiespeichermoduls erstellt.
Das digitale Abbild kann beispielsweise während des Stillstandes und/oder der ersten Fahrten erzeugt werden. Die Energiespeichermodule können im weiteren Verlauf so belasten werden, dass der Alterungszustand und/oder die Eigenschaften über unterschiedliche Belastungsprofile angeglichen werden.
Das digitale Abbild kann kontinuierlich an die aktuell ermittelten Daten angepasst werden.
Vorzugsweise kann eine künstliche Intelligenz (Kl) eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Kl lernen, welche Pulse optimal sind. Dies könnte bei Bedarf auch noch später beim Fahrzeughersteller nachjustiert werden. Mit Hilfe einer Kl könnte die Formation beispielsweise auch stets ein bisschen abgeändert werden, um dann im Laufe der Betriebsdauer des Energiespeichermoduls festzustellen, ob die Änderungen einen Unterschied gemacht haben. So könnte die Produktion Schritt für Schritt verbessert werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform werden die Energiespeichermodule beim Betrieb des Fahrzeugs abhängig von den bei der Formation und/oder Alterung ermittelten Daten geschalten.
Ein herkömmliches Zellmatching ist vorzugsweise nicht notwendig.
Durch das Multilevelconverter-System ist es möglich, die Energiespeichermodule während des Betriebs stets neu zu vermessen und/oder aufeinander abzustimmen. Auch können beispielsweise defekte Energiespeichermodule überbrückt werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen bestimmt somit nicht das schlechteste Energiespeichermodul die Gesamtleistung, da dieses überbrückt werden kann.
Beispielsweise kann der Preis des Fahrzeugs von der Energie der Energiespeichermodule abhängen, z.B. je nach kWh. Ferner ist es denkbar, dass der Endkunde bei qualitativ minderwertigen Energiespeichermodulen beispielsweise einen Ausgleich bzw. Bonus erhält. Dies kann auch später und/oder beim Laden erfolgen. So kann beispielsweise die Ladesäule erkennen, wie gut die verbauten Energiespeichermodule sind, und hieran z.B. den Preis pro kWh anpassen. Gerade unter Umweltgesichtspunkten ist es vorteilhaft, wenn selbst Energiespeichermodule mit niedriger Kapazität genutzt werden, selbst wenn dadurch die maximale Reichweite sinkt. Endkunden, welche ein entsprechendes Fahrzeug mit niedrigerer Reichweite nutzen, können z.B. einen Bonus und/oder eine Auszeichnung erhalten.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Inbetriebnahme wenigstens eines, vorzugsweise für ein Fahrzeug bestimmtes, Energiespeichermoduls.
Die Vorrichtung weist ein Multilevelconverter-System mit einer Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren auf, wobei jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel schaltbar, in Serie schaltbar und/oder überbrückbar ist und wenigstens eine Energiespeicherzelle aufweist. Ferner umfasst das Multilevelconverter-System eine Steuerungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, derart zu schalten, dass eine Formation und/oder eine Alterung während einer Lagerung, eines Transports zu einem Fahrzeug und/oder nach einem Einbau in einem Fahrzeug durchgeführt wird.
Alle hier beschriebenen Ausführungsformen und Bauteile der Vorrichtung sind vorzugsweise dazu ausgebildet, z.B. mittels der Steuerungsvorrichtung, nach dem hier beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Ferner können alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung sowie alle hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens jeweils miteinander kombiniert werden, vorzugsweise auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-System,
Fig. 2 einen Verlauf der Ausgangsspannung eines PWM-Systems gemäß Stand der Technik,
Fig. 3 einen Verlauf der Ausgangsspannung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems,
Fig. 4 eine (verlust)leistungsoptimierte Konfigurationen eines MMC-Systems gemäß Stand der Technik mit paralleler Schaltung,
Fig. 5 eine Konfiguration einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC- Systems zur Formation und/oder Alterung von Energiespeichermodulen ohne paralleler Schaltung,
Fig. 6 eine Konfiguration einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems zur Formation und/oder Alterung von Energiespeichermodulen, Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Pulsverteilung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind. So können einzelne Merkmale nicht nur in der gezeigten Kombination, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert sein. Beispielsweise können die Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden. Die Konfiguration und/oder Anzahl an gezeigten Energiespeichermodulen, Pfaden und Transistoren ist rein beispielhaft und grundsätzlich beliebig.
Enthält eine Figur ein Bezugszeichen, welches im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erläutert wird, so wird auf die entsprechenden vorhergehenden bzw. nachfolgenden Ausführungen in der Figurenbeschreibung Bezug genommen. So werden für gleiche bzw. vergleichbare Bauteile in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet und diese nicht nochmals erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Multilevelconverter-System zur Formation und/oder Alterung von Energiespeichermodulen wenigstens eines Energiespeichermoduls 10, 12, 14, 16.
Benachbarte Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 sind jeweils über mehrere Pfade miteinander verbunden.
In jedem Pfad ist ein als Transistor 18 ausgebildeter Schalter vorgesehen.
Die benachbarten Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 können somit in Serie oder parallel zueinander geschaltet werden. Auch können einzelne Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 bei Bedarf, z.B. durch Schließen des oberen Schalters 18, überbrückt und auf diese Weise von einer Konfiguration ausgeschlossen werden.
In Fig. 2 ist der Spannungsverlauf U über die Zeit t einer PWM- Modulation dargestellt. Für eine dreiphasige DC/AC-Systemkopplung werden hierbei sechs Schalter benötigt.
Bei einer B6-Brücke oder einem Zweipunktumrichter wird die DC-Spannung über mehrere bzw. einen Schalter synchron eingeschaltet, sodass sich lediglich im Zeitmittel eine Wechselspannung einstellt.
Die sinusförmige Sollspannung 20 wird durch die Ausgangsspannung 22 des PWM-Sys- tems daher nur rudimentär nachempfunden.
Fig. 3 zeigt den Spannungsverlauf U in Volt über die Zeit t in Sekunden eines MMC-Sys- tems.
Die sinusförmige Sollspannung 20 wird durch den Aufbau einzelner Stufen 24 nachgebildet. Die Ausgangsspannung 24 bildet die sinusförmige Sollspannung 20 daher deutlich besser nach.
In Fig. 4 ist eine (verlust)leistungsoptimierte Konfiguration eines MMC-Systems gezeigt. Die Spannung U ist in Volt über die Zeit t in Sekunden dargestellt.
Beispielhalft wird gezeigt, wie die ersten drei Spannungsstufen durch eine Parallelschaltung der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 gebildet werden können. Die Schaltung ist grundsätzlich auf eine beliebige Anzahl an Energiespeichermodulen erweiterbar.
Um die Leistung zu optimieren und den besten Wirkungsgrad zu erhalten, sind in jeder Stufe stets sämtliche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 in die Konfiguration eingebunden.
Fig. 5 zeigt hingegen eine Konfiguration, bei der sämtliche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 in Serie geschaltet sind.
In Fig. 6 ist eine weitere, beispielhafte Konfiguration dargestellt.
In der ersten Stufe ist das Energiespeichermodul 10 alleine und in den weiteren Stufen in Serie mit wenigstens einem der anderen Energiespeichermodule 12, 14, 16 geschaltet. Die in Fig. 4 bis 6 beispielhaft gezeigten Konfigurationen können zur Formation und/oder Alterung der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 verwendet werden.
Abhängig von der Konfiguration können unterschiedliche Pulse erzeugt werden. Durch Messungen kann hierbei die Qualität der einzelnen Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 bestimmt werden.
Die Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 können dann entsprechend ihrer Qualität in einer geeigneten Konfiguration angeordnet werden.
Im Beispiel, welches in Fig. 5 dargestellt ist, ist das Energiespeichermodul 10 in der ersten Stufe alleine in die Konfiguration eingebunden und in der zweiten Stufe mit einem weiteren Energiespeichermodul 12, in der dritten Stufe mit zwei weiteren Energiespeichermodulen 12, 14 und in der vierten Stufe mit drei weiteren Energiespeichermodulen 12, 14,16 in Serie geschalten.
Das Energiespeichermodul 10 kann z.B. eine hohe Qualität aufweisen und daher stets eingebunden sein. Das Energiespeichermodul 16 kann hingegen eine qualitativ minderwertige Qualität aufweisen, weshalb dieses kaum zum Einsatz kommt.
In Fig. 6 ist in der ersten Stufe das Energiespeichermodul 10 alleine und in den weiteren Stufen in Serie mit wenigstens einem der anderen Energiespeichermodulen 12, 14, 16 geschaltet.
Die in Fig. 6 gezeigte Konfiguration kann eine optimierte Konfiguration darstellen, bei der die Verluste für eines oder mehrere Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 gering sind.
Die in Fig. 5 und 6 dargestellten Konfigurationen sind rein beispielhaft. Abhängig von der Qualität der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 sind ebenso andere Konfigurationen denkbar.
In Fig. 7 ist ein mögliches Verfahren zur Inbetriebnahme wenigstens eines für ein Fahrzeug bestimmtes Energiespeichermoduls 10, 12 gezeigt.
In Schritt A wird ein Energiespeichermodul 10 produziert. In den Schritten B und C wird das Energiespeichermodul 10 mit einem Energiespeichermodul 12 über eine Leiterplatte 26, auf der ein MMC-System angeordnet ist, verbunden.
Sind die Energiespeichermodule 10, 12 verbunden, kann die Formation durchgeführt werden.
Anschließend erfolgt in Schritt D die Alterung. Diese kann beispielsweise während des Transports zum Fahrzeughersteller erfolgen.
Die Energiespeichermodule 10, 12 können beispielsweise zu einem in Schritt E dargestellten Energiespeichermodulsystem 28 zusammengefasst und in ein Fahrzeug eingebaut werden.
Im Fahrzeug selbst können die einzelnen Energiespeichermodule 10, 12 in Abhängigkeit von ihrer Qualität belastet werden.
Die Qualität der Energiespeichermodule 10, 12 kann auch während des Betriebs ermittelt werden. So kann eine neue Konfiguration gewählt werden, falls sich die Qualität der Energiespeichermodule 10, 12 ändert.
Die bei der Formation und/oder Alterung gewonnenen Daten zur Charakterisierung der Energiespeichermodule 10, 12 können beispielsweise für die nächste Produktion von Energiespeichermodulen genutzt werden.
Fig. 8 zeigt den Schritt C, d.h. die Formation.
Bei einem MMC als Dreipunktumrichter können verschiedene Pulse erzeugt werden.
So kann die Stromstärke I (in Ampere) über die Zeit t (in Sekunden) variieren. Beispielsweise kann sich die Stärke und/oder Dauer der Pulse ändern.
Vorzugsweise verhalten sich die Stromstärken der Pulse des Energiespeichermoduls 10 umgekehrt zu den Stromstärken der Pulse des Energiespeichermoduls 12. Bezuqszeichenliste
10, 12, 14, 16 Energiespeichermodul
18 Transistor 20 Sollspannung
22 Ausgangsspannung PWM-System
24 Stufe, Ausgangsspannung MMC-System
26 Leiterplatte
28 Energiespeichermodulsystem
A-E Verfahrensschritte
I Stromstärke t Zeit

Claims

Ansprüche Verfahren zur Inbetriebnahme wenigstens eines, vorzugsweise für ein Fahrzeug bestimmtes, Energiespeichermoduls (10, 12, 14, 16) mit einem Multilevelconver- ter-System, bei dem eine Vielzahl an Energiespeichermodulen (10, 12, 14, 16) und Transistoren (18) bereitgestellt wird, wobei jedes Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) parallel geschaltet, in Serie geschaltet und/oder überbrückt werden kann und wenigstens eine Energiespeicherzelle aufweist, und die Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16), vorzugsweise die Transistoren (18), derart geschaltet werden, dass eine Formation und/oder eine Alterung während einer Lagerung, eines Transports zu einem Fahrzeug und/oder nach einem Einbau in einem Fahrzeug durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) eine Vielzahl an Energiespeicherzellen aufweist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Formation und/oder Alterung mehrere Lade- und Entladevorgänge durchgeführt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16) oder Energiespeichermodulsysteme (28) miteinander verbunden werden und sich gegenseitig laden und/oder entladen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) mittels einer Ladeeinrichtung und/oder eines Motors des Fahrzeugs geladen und/oder entladen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Formation und/oder Alterung unterschiedliche Pulse auf die Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16) gegeben werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während und/oder nach der Formation und/oder Alterung Daten der Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16) ermittelt werden. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Daten ein digitales Abbild des Energiespeichermoduls (10, 12, 14, 16) erstellt wird. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16) beim Betrieb des Fahrzeugs abhängig von den bei der Formation und/oder Alterung ermittelten Daten geschalten werden. Vorrichtung zur Inbetriebnahme wenigstens eines, vorzugsweise für ein Fahrzeug bestimmtes, Energiespeichermoduls (10, 12, 14, 16), aufweisend ein Multilevelconverter-System mit einer Vielzahl an Energiespeichermodulen (10, 12, 14, 16) und Transistoren (18), wobei jedes Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) parallel schaltbar, in Serie schaltbar und/oder überbrückbar ist und wenigstens eine Energiespeicherzelle aufweist, und einer Steuerungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16), vorzugsweise die Transistoren (18), derart zu schalten, dass eine Formation und/oder eine Alterung während einer Lagerung, eines Transports zu einem Fahrzeug und/oder nach einem Einbau in einem Fahrzeug durchgeführt wird.
PCT/EP2023/070291 2022-07-22 2023-07-21 Verfahren zur inbetriebnahme wenigstens eines energiespeichermoduls WO2024018058A2 (de)

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