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WO2015078641A1 - Elektrische energiespeichervorrichtung und verfahren zum betreiben einer elektrischen energiespeichervorrichtung - Google Patents

Elektrische energiespeichervorrichtung und verfahren zum betreiben einer elektrischen energiespeichervorrichtung Download PDF

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WO2015078641A1
WO2015078641A1 PCT/EP2014/072944 EP2014072944W WO2015078641A1 WO 2015078641 A1 WO2015078641 A1 WO 2015078641A1 EP 2014072944 W EP2014072944 W EP 2014072944W WO 2015078641 A1 WO2015078641 A1 WO 2015078641A1
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WO
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energy storage
storage modules
modules
storage device
charge
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2014/072944
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Hellmann
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to KR1020167013654A priority patent/KR20160091902A/ko
Priority to CN201480065080.7A priority patent/CN105993106B/zh
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Definitions

  • An electrical energy storage device and method of operating an electrical energy storage device are provided.
  • the present invention relates to an electrical energy storage device and a method for operating an electrical energy storage device.
  • Electric vehicles electrical energy storage are used.
  • find electrical energy storage in various stationary systems use, for example, in case of failure or interruption of
  • batteries are known as energy storage, which are divided into individual modules. These individual modules can be selected individually. In this way, a series circuit of selected modules of the battery can be made possible, wherein the number of selected and series-connected modules, the battery terminal voltage can be adjusted.
  • Such systems are known for example from the German patent application DE 10 2010 027 861 A1. In accordance with a battery voltage to be provided, only a part of the modules present in the battery is generally required. The remaining modules are then deactivated.
  • the sum of the voltages of the active, series-connected modules thus provides the total battery voltage.
  • a charge or discharge current of the battery thus flows only through the active modules.
  • the present invention provides an electrical energy storage device for providing a predetermined output voltage with a plurality of energy storage modules; and a controller configured to provide one of each of the plurality of energy storage modules
  • the present invention provides a method of operating an electrical energy storage device to generate a
  • predetermined output voltage comprising the steps of providing a plurality of energy storage modules, determining a state of charge for each of the plurality of energy storage modules, determining at least one other
  • Calculating a number of required energy storage modules in response to the predetermined output voltage selecting energy storage modules from the plurality of energy storage modules using the calculated number of required energy storage modules, the determined state of charge and the at least one further operating parameter, and switching the selected energy storage modules in series.
  • Energy storage modules can be operated very gently and therefore increases the life expectancy of the individual energy storage modules. Furthermore, a selection can be made possible by the inventive selection of the individual energy storage modules, which allows optimized operation over the entire life of the individual energy storage modules.
  • control device of the energy storage device further comprises a maintenance predicting device configured to provide a forecast of a remaining life of each of the plurality of energy storage modules, and wherein the control device preferably selects energy storage modules having a low remaining time.
  • Energy storage device are preferably within predetermined
  • Energy storage modules are still functional at the given exchange time. By the preferred selection of energy storage modules with a
  • control device comprises a
  • Prioritizer configured to receive a plurality of
  • Control device the required energy storage modules based on the
  • Prioritization of the prioritizer selects.
  • the energy storage device further comprises a
  • Voltage detector which is designed to overvoltage and / or a
  • Undervoltage detected in one of the energy storage modules can be particularly strong
  • Energy storage modules are preferably unloaded, or particularly strong
  • discharged energy storage modules can preferably be charged.
  • the at least one further operating parameter comprises a temperature, an indication of an aging state, a time span of the last activation and / or a power loss of an energy storage module.
  • Operating parameters are particularly well suited for evaluating the current state of the individual energy storage modules and thus as a basis for the selection of the respective energy storage modules.
  • the at least one further operating parameter further comprises at least one indication of an overvoltage or an undervoltage of an energy storage module.
  • the at least one further operating parameter further comprises a prognosis about a remaining running time of an energy storage module, wherein the step for selecting Energy storage modules preferred energy storage modules with a lower
  • the energy storage device is in a
  • the present invention further comprises an electric drive system with an inventive energy storage device, an electric motor and a
  • An inverter configured to convert the output voltage provided by the energy storage device to an AC voltage and to provide it to the electric motor.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrical energy storage device according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a block diagram for a
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a flow chart, as it is based on a further embodiment.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a circuit diagram of an electrical
  • the electrical energy storage device 1 for providing a predetermined output voltage.
  • the electrical energy storage device 1 comprises a plurality of
  • Energy storage modules 21, 22, 23 According to the switch position of Switching elements 31, 32, 33, the individual energy storage modules 21, 22, 23 are respectively selected or deselected. In the illustrated embodiment, only the energy storage module 23 is selected. The further energy storage modules 21 and 22 are not selected. The switching elements 31, 32, 33 are thereby of the
  • Control device 20 is controlled.
  • the control device 10 evaluates the state of charge of the individual
  • control device 20 determines the control device 20
  • the control device 10 determines, by means of the prioritizer 1 1 in response to a predetermined output voltage U S oii to be provided by the energy storage device 1, a number n of required energy storage modules 21, 22, 23 needed to reach the predetermined output voltage , With a module voltage U m0 d, which can be provided to the energy storage modules 21, 22, 23 results as a demand for the number of required
  • control device 10 selects the thus determined number n of
  • Energy storage modules 21, 22, 23, wherein the energy storage modules 21, 22, 23 are selected according to the determined order, as described above.
  • the control device 10 further includes a maintenance device 12 and a voltage detector 13, which will be described in more detail below.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a block diagram for prioritizing the energy storage modules 21, 22, 23, as the control device 20 in a
  • Embodiment is based.
  • the following parameters may be used, for example: t: The time since the last activation of an energy storage module 21, 22, 23.
  • t The time since the last activation of an energy storage module 21, 22, 23.
  • SOH State of Health
  • Energy storage modules 21, 22, 23 can be achieved. Alternatively, too
  • Power losses can be prioritized lower with higher power dissipation and therefore less frequently used. In this way, the overall efficiency of the energy storage device 1 increases.
  • T Operating temperature of the battery. An increased operating temperature of a
  • Energy storage cell 21, 22, 23 leads to an increased aging.
  • the input parameters such as t, SOH, P, T, Kai are provided to the respective prioritization modules 310, 320, 330, 340 and 350.
  • a corresponding prioritization value can be calculated in the respective prioritization modules 310 - 350.
  • the individual can be
  • this sum of the priority factors can be correspondingly high for a very low or very high charge state customized
  • the state of charge of the corresponding energy storage modules 21, 22, 23 is the
  • the voltage detector 13 monitors the voltages of the individual
  • an undervoltage (-U) in one of the energy storage modules 21, 22, 23 are detected. If an overvoltage has been detected in an energy storage module 21, 22, 23, further charging of this energy storage module 21, 22, 23 should be avoided. Such an energy storage module 21, 22, 23 is therefore given a particularly low priority during the charging process.
  • an energy storage module 21, 22, 23 is provided with a
  • Overvoltage is a very high priority.
  • the discharge is prioritized particularly low, while the charging is very highly prioritized.
  • each energy storage module 21, 22, 23 information about the state of charge SOC, information about the operating mode such as charging or discharging, (L / E), information about surges and / or undervoltages of each energy storage module 21, 22, 23, and optionally a diagnostic request (Diag) provided to the prioritization module 100.
  • a diagnostic request (Diag) provided to the prioritization module 100.
  • Energy storage device 1 in the discharge mode so is preferably a
  • Energy storage device 1 an energy storage module 21, 22, 23 is preferably obtained with a low state of charge a high priority value.
  • Assignment can be made for example via predetermined characteristics.
  • SOH parameter state of charge
  • a module voltage of the individual energy storage modules 21, 22, 23 can also be used for prioritization. This is possible because there is a clear correlation between the module voltage and the state of charge.
  • a corresponding energy storage module 21, 22, 23 can also be provided with a very high or very low prioritization in order to carry out the corresponding module tests.
  • Energy storage modules 21, 22, 23 calculated. Furthermore, according to the required setpoint voltage at the output terminals of the energy storage device 1, a number of required energy storage modules 21, 22, 23 are calculated, which enable the requested output voltage in a series connection. Optionally, it may also be a time course of the required output voltage
  • the required number of energy storage modules 21, 22, 23 is selected, for example, according to the stored in the table prioritization.
  • energy storage modules 21, 22, 23, whose replacement is provided within a predetermined period of time, can be provided with a higher priority. In this way, such energy storage modules 21, 22, 23 are preferably selected. At the time of replacement of the energy storage modules 21, 22, 23, the predicted maximum operating time of a
  • Energy storage module 21, 22, 23 are used as fully as possible.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an electric drive system with an energy storage device 1 according to one exemplary embodiment.
  • the drive system comprises an electric motor 2, which is fed by an inverter 3. Of the Inverter 3 thereby converts the energy storage device 1
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a flow diagram, such as an exemplary embodiment of a method for operating an electrical
  • Energy storage device 1 for generating a predetermined output voltage is based.
  • a step S1 a plurality of energy storage modules 21, 22, 23 are provided.
  • step S2 for each of the plurality of
  • Energy storage modules 21, 22, 23 determines a state of charge SOC. Furthermore, at least one further operating parameter for each of the plurality of energy storage modules 21, 22, 23 is determined in step S3. These further operating parameters can be, for example, a temperature of an energy storage module 21, 22, 23, an indication of an aging state of an energy storage module 21, 22, 23, a time span since the last activation of an energy storage module 21, 22, 23 and / or
  • Power loss of an energy storage module 21, 22, 23 include. Furthermore, the operating parameters may include an indication of an overvoltage and / or an undervoltage of an energy storage module 21, 22, 23. Furthermore, the
  • Operating parameters also a forecast over a remaining term of a
  • Energy storage module 21, 22, 23 include.
  • step S4 a number of required energy storage modules needed to calculate the predetermined output voltage at the
  • step S5 from the plurality of energy storage modules 21, 22, 23, using the calculated number of required energy storage modules 21, 22, 23, of the determined
  • One or more energy storage modules 21, 22, 23 selected. These selected.
  • Energy storage module 21, 22, 23, so in the step for selecting energy storage modules 21, 22, 23 are preferably selected energy storage modules 21, 22, 23, which have a low residual maturity.
  • the method of operating an energy storage device may be applied to both a charging operation and a discharging operation.
  • the present invention relates to an energy storage device and a method for operating an energy storage device having a plurality of energy storage modules. For adjusting the output voltage at the
  • Energy storage device while one or more energy storage modules are connected in series.
  • the energy storage modules connected in series are selected for particularly efficient utilization of the individual energy storage modules depending on the state of charge and at least one further operating parameter.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung mit einer Mehrzahl von Energiespeichermodulen. Zum Anpassen der Ausgangsspannung an der Energiespeichervorrichtung werden dabei ein oder mehrere Energiespeichermodule in Reihe geschaltet. Die dabei in Reihe geschalteten Energiespeichermodule werden für eine besonders effiziente Ausnutzung der einzelnen Energiespeichermodule dabei in Abhängigkeit von Ladezustand und mindestens einem weiteren Betriebsparameter ausgewählt.

Description

Beschreibung Titel
Elektrische Energiespeichervorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energiespeichervorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energiespeichervorrichtung.
Stand der Technik
Für den Betrieb elektrischer Systeme, wie zum Beispiel in Hybrid- oder
Elektrofahrzeugen, werden elektrische Energiespeicher eingesetzt. Darüber hinaus finden elektrische Energiespeicher auch in verschiedenen stationären Systemen Verwendung, beispielsweise um beim Ausfall oder einer Unterbrechung eines
Energieversorgungsnetzes eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Als Energiespeicher sind dabei insbesondere Batterien bekannt, die in einzelne Module untergliedert sind. Diese einzelnen Module können individuell ausgewählt werden. Auf diese Weise kann eine Reihenschaltung von ausgewählten Modulen der Batterie ermöglicht werden, wobei durch die Anzahl der ausgewählten und in Reihe geschalteten Module die Batterie-Klemmenspannung angepasst werden kann. Solche Systeme sind zum Beispiel aus der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 027 861 A1 bekannt. Entsprechend einer bereitzustellenden Batteriespannung wird dabei in der Regel nur ein Teil der in der Batterie vorhandenen Module benötigt. Die restlichen Module werden dann deaktiviert.
Die Summe der Spannungen der aktiven, in Reihe geschalteten Module liefert somit die Gesamt-Batteriespannung. Ein Lade- bzw. Entladestrom der Batterie fließt somit nur durch die aktiven Module.
Da bei einem solchen Betrieb mit selektiver, sich ändernder Auswahl einzelner Module innerhalb einer Batterie die einzelnen Module der Batterie unterschiedlich stark beansprucht und ent- bzw. geladen werden, unterscheiden sich die individuellen
Eigenschaften wie Ladezustand oder Alterung der einzelnen Batteriemodule. Es besteht daher ein Bedarf nach einer Energiespeichervorrichtung und einem Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung mit einer effizienten Auswahl einzelner Energiespeichermodule. Ferner besteht ein Bedarf, die einzelnen Energiespeichermodule so auszuwählen, dass die einzelnen Energiespeichermodule während ihrer gesamten Lebenserwartung möglichst effizient ausgenutzt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt eine elektrische Energiespeichervorrichtung zum Bereitstellen einer vorbestimmten Ausgangsspannung mit einer Mehrzahl von Energiespeichermodulen; und mit einer Steuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, für jedes der Mehrzahl von Energiespeichermodulen einen
Ladezustand und mindestens einen weiteren Betriebsparameter zu ermitteln, eine Anzahl von erforderlichen Energiespeichermodulen in Abhängigkeit von der vorbestimmten Ausgangsspannung zu berechnen, die berechnete Anzahl von erforderlichen
Energiespeichermodulen aus der Mehrzahl von Energiespeichermodulen unter
Verwendung des ermittelten Ladezustands und des mindestens einen weiteren
Betriebsparameters auszuwählen, und die ausgewählten Energiespeichermodule in Reihe zu schalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energiespeichervorrichtung zum Erzeugen einer
vorbestimmten Ausgangsspannung, mit den Schritten des Bereitstellens einer Mehrzahl von Energiespeichermodulen, des Ermitteins eines Ladezustands für jedes der Mehrzahl von Energiespeichermodulen, des Ermitteins mindestens eines weiteren
Betriebsparameters für jedes der Mehrzahl von Energiespeichermodulen, des
Berechnens einer Anzahl von erforderlichen Energiespeichermodulen in Abhängigkeit der vorbestimmten Ausgangsspannung; des Auswählens von Energiespeichermodulen aus der Mehrzahl von Energiespeichermodulen unter Verwendung der berechneten Anzahl von erforderlichen Energiespeichermodulen, des ermittelten Ladezustands und des mindestens einen weiteren Betriebsparameters, und des Schaltens der ausgewählten Energiespeichermodule in Reihe.
Vorteile der Erfindung Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, die einzelnen Energiespeichermodule einer Energiespeichervorrichtung wie zum Beispiel einer Batterie nicht willkürlich oder nur unter Verwendung des aktuellen Ladezustands auszuwählen, sondern vielmehr für die
Selektion der erforderlichen Anzahl von Energiespeichermodulen zur Bereitstellung einer gewünschten Ausgangsspannung zusätzlich zu dem ermittelten Ladezustand noch weitere Betriebsparameter der einzelnen Energiespeichermodule mit zu berücksichtigen. Durch diese Auswahl der Energiespeichermodule basierend auf Ladezustand und weiteren Betriebsparametern kann gewährleistet werden, dass genau diejenigen
Energiespeichermodule selektiert werden, die noch einen ausreichenden Ladezustand aufweisen, um die erforderliche Energiemenge bereitzustellen wobei darüber hinaus die Auswahl der einzelnen Energiespeichermodule auch hinsichtlich der zu erwartenden Lebensdauer der einzelnen Energiespeichermodule hin optimiert werden kann. Somit wird eine optimierte Auswahl der einzelnen Energiespeichermodule ermöglicht. Durch diese optimierte Auswahl der einzelnen Energiespeichermodule ist es möglich, die Selektion der Energiespeichermodule so auszuführen, dass die einzelnen
Energiespeichermodule besonders schonend betrieben werden können und sich daher die Lebenserwartung der einzelnen Energiespeichermodule erhöht. Ferner kann durch die erfindungsgemäße Auswahl der einzelnen Energiespeichermodule auch eine Auswahl ermöglicht werden, die einen optimierten Betrieb über die gesamte Lebensdauer der einzelnen Energiespeichermodule ermöglicht.
In einer Ausführungsform umfasst die Steuervorrichtung der Energiespeichervorrichtung ferner eine Wartungsprognosevorrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Prognose über eine Restlaufzeit jeder der Mehrzahl von Energiespeichermodulen bereitzustellen, und wobei die Steuervorrichtung bevorzugt Energiespeichermodule mit einer niederen Restlaufzeit auswählt. Die einzelnen Energiespeichermodule einer
Energiespeichervorrichtung werden bevorzugt innerhalb vorbestimmter
Wartungsintervalle ausgetauscht, sobald ein vorbestimmter Zeitpunkt erreicht ist. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit werden dabei die entsprechenden
Energiespeichermodule auch dann ausgetauscht, wenn die jeweiligen
Energiespeichermodule zum vorgegebenen Austauschzeitpunkt noch funktionstüchtig sind. Durch die bevorzugte Auswahl von Energiespeichermodulen mit einer
prognostizierten niederen Restlaufzeit werden somit diese Energiespeichermodule, die ohnehin sehr bald ausgetauscht werden, kurz vor diesem Austauschzeitpunkt stärker beansprucht. Somit können die verbleibenden Energiespeichermodule geschont werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Steuervorrichtung eine
Priorisierungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Mehrzahl von
Energiespeichermodulen unter Verwendung des ermittelten Ladezustands und des mindestens einen weiteren Betriebsparameters zu priorisieren und wobei die
Steuervorrichtung die erforderlichen Energiespeichermodule basierend auf der
Priorisierung der Priorisierungsvorrichtung auswählt. Durch eine solche
Priorisierung der einzelnen Energiespeichermodule wird eine besonders effiziente Auswahlmöglichkeit zur Selektion einer erforderlichen Anzahl von
Energiespeichermodulen ermöglicht.
In einer Ausführungsform umfasst die Energiespeichervorrichtung ferner einen
Spannungsdetektor, der dazu ausgelegt ist, eine Überspannung und/oder eine
Unterspannung in einem der Energiespeichermodule zu detektieren. Durch eine solche Detektion einer Über- oder Unterspannung können besonders stark
aufgeladene oder besonders stark entladene Energiespeichermodule identifiziert werden. Somit können beispielsweise besonders stark aufgeladene
Energiespeichermodule bevorzugt entladen werden, oder besonders stark
entladene Energiespeichermodule können bevorzugt aufgeladen werden.
In einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine weitere Betriebsparameter eine Temperatur, eine Angabe über einen Alterungszustand, eine Zeitspanne der letzten Aktivierung und/oder eine Verlustleistung eines Energiespeichermoduls. Diese
Betriebsparameter eignen sich besonders gut zur Bewertung des aktuellen Zustands der einzelnen Energiespeichermodule und somit als Basis für die Auswahl der jeweiligen Energiespeichermodule. In einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine weitere Betriebsparameter ferner mindestens eine Angabe über eine Überspannung oder eine Unterspannung eines Energiespeichermoduls.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der mindestens eine weitere Betriebsparameter ferner eine Prognose über eine Restlaufzeit eines Energiespeichermoduls, wobei der Schritt zum Auswählen von Energiespeichermodulen bevorzugt Energiespeichermodule mit einer niederen
Restlaufzeit auswählt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Energiespeichervorrichtung in einem
Ladebetrieb oder einem Entladebetrieb betrieben.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung, einem Elektromotor und einem
Wechselrichter, der dazu ausgelegt ist, die von der Energiespeichervorrichtung bereitgestellte Ausgangsspannung in eine Wechselspannung zu konvertieren und dem Elektromotor bereitzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeichervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds für eine
Priorisierung von Energiespeichermodulen, wie es einem weiteren Ausführungsbeispiel zugrunde liegt; Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Antriebssystems gemäß einem
Ausführungsbeispiel; und
Fig. 4: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es nach einem weiteren Ausführungsbeispiel zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbilds einer elektrischen
Energiespeichervorrichtung 1 zum Bereitstellen einer vorbestimmten Ausgangsspannung. Die elektrische Energiespeichervorrichtung 1 umfasst dabei eine Mehrzahl von
Energiespeichermodulen 21 , 22, 23. Entsprechend der Schalterstellung der Schaltelemente 31 , 32, 33 können die einzelnen Energiespeichermodule 21 , 22, 23 jeweils selektiert oder abgewählt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur das Energiespeichermodul 23 selektiert. Die weiteren Energiespeichermodule 21 und 22 sind nicht ausgewählt. Die Schaltelemente 31 , 32, 33 werden dabei von der
Steuervorrichtung 20 angesteuert.
Die Steuervorrichtung 10 wertet dabei den Ladezustand der einzelnen
Energiespeichermodule 21 , 22, 23, sowie mindestens einen weiteren Betriebsparameter aus. Basierend auf dieser Auswertung bestimmt die Steuervorrichtung 20 die
Reihenfolgen der Energiespeichermodule 21 , 22, 23 in der die einzelnen
Energiespeichermodule 21 , 22, 23 ausgewählt werden sollen. Ferner bestimmt die Steuervorrichtung 10 mittels der Priorisierungsvorrichtung 1 1 in Abhängigkeit einer vorbestimmten Ausgangsspannung USoii, die von der Energiespeichervorrichtung 1 bereitgestellt werden soll, eine Anzahl n von erforderlichen Energiespeichermodulen 21 , 22, 23, die benötigt werden, um die vorbestimmte Ausgangsspannung zu erreichen. Mit einer Modulspannung Um0d, die an den Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 bereitgestellt werden kann ergibt sich als Forderung für die Anzahl von benötigten
Energiespeichermodulen 21 , 22, 23: n > Usoii / Umod
Anschließend selektiert die Steuervorrichtung 10 die so bestimmte Anzahl n von
Energiespeichermodulen 21 , 22, 23, wobei die Energiespeichermodule 21 , 22, 23 entsprechend der ermittelten Reihenfolge ausgewählt werden, wie sie oben beschrieben wurde.
Die Steuervorrichtung 10 umfasst darüber hinaus ferner eine Wartungsvorrichtung 12 und einen Spannungsdetektor 13, die weiter unten näher beschrieben werden. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds zur Priorisierung der Energiespeichermodule 21 , 22, 23, wie sie der Steuervorrichtung 20 in einer
Ausführungsform zugrunde liegt. Als Faktoren, die die Effizienz oder die Lebensdauer eines Energiespeichermoduls 21 , 22, 23 beeinflussen, können dabei beispielsweise folgende Parameter verwendet werden: t: Die Zeit seit der letzten Aktivierung eines Energiespeichermoduls 21 , 22, 23. Durch das Vergrößern der zeitlichen Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aktivierungen eines Energiespeichermoduls 21 , 22, 23 kann die Lebensdauer eines Energiespeichermoduls erhöht werden. Entsprechend kann durch eine niedrigere Priorisierung eines erst kürzlich aktivierten Energiespeichermoduls 21 , 22, 23 eine erneute Selektion erschwert werden.
SOH (State of Health): Der Alterungszustand eines Energiespeichermoduls 21 , 22, 23. Durch Berücksichtigung dieses Alterungszustands können die Module
entsprechend höher oder niedriger priorisiert werden. Durch eine entsprechende Priorisierung kann zum Beispiel eine möglichst gleichmäßige Alterung aller
Energiespeichermodule 21 , 22, 23 erzielt werden. Alternativ können auch
Energiespeichermodule 21 , 22, 23 mit einer relativ geringen Restlaufzeit höher priorisiert werden, um diese Module vor routinemäßigen Austausch während einer Wartung noch möglichst effizient auszunutzen und dabei die verbleibenden
Energiespeichermodule 21 , 22, 23 zu schonen.
P: Die Verlustleistung, die in einem Modul während eines zu erwartenden
Stromflusses entstehen kann. Durch Berücksichtigung des im Laufe der Lebensdauer eines Moduls steigenden Innenwiderstands und der damit verbundenen
Verlustleistung können Module, mit einer erhöhten Verlustleistung niedriger priorisiert und somit seltener genutzt werden. Auf diese Weise steigt die Gesamteffizienz der Energiespeichervorrichtung 1 .
T: Betriebstemperatur der Batterie. Eine erhöhte Betriebstemperatur einer
Energiespeicherzelle 21 , 22, 23 führt zu einer gesteigerten Alterung. Durch eine niedrigere Priorisierung von Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 mit einer hohen Betriebstemperatur kann eine überdurchschnittlichen Erwärmung einzelner
Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 entgegengewirkt werden. Somit kann die
Lebensdauer der Energiespeichermodule 21 , 22, 23 erhöht werden.
Kai: Zur Ermittlung von Kenngrößen einer Energiespeicherzelle 21 , 22, 23 wie zum Beispiel Ladezustand, Innenwiderstand, Alterungszustand kann es erforderlich sein, die entsprechenden Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 in einen Bypass zu schalten, um den Stromfluss durch die Energiespeichermodulen zu unterbrechen, da dies eine
Messung stören würde. Eine Anforderung für eine Kalibrierung (Kai) kann deshalb die Priorität entsprechend reduziert werden, um die Nutzung eines Moduls zu
unterbinden, so dass genügend Zeit für eine Kalibrierung zur Verfügung steht.
Weitere Betriebsparameter, durch die die jeweiligen Energiespeichermodule 21 , 22, 23 charakterisiert werden können, sind darüber hinaus ebenso möglich.
Die Eingangsparameter wie zum Beispiel t, SOH, P, T, Kai werden den entsprechenden Priorisierungsmodulen 310, 320, 330, 340 und 350 bereitgestellt. Dabei kann in den jeweiligen Priorisierungsmodulen310 - 350 ein entsprechender Priorisierungswert berechnet werden. Je nach Anwendungsfall können dabei die einzelnen
Betriebsparameter unterschiedlich stark gewichtet werden. Anschließend werden die berechneten Priorisierungswerte in dem Summenmodul 300 aufsummiert und somit für jedes Energiespeichermodul 21 , 22, 23 ein Priorisierungswert berechnet. Zur Vermeidung einer übermäßigen Entladung sollten Energiespeichermodule 21 , 22, 23 mit einem geringen Ladezustand während des Entladens möglichst wenig beansprucht werden. Ebenso ist es angebracht, während eines Ladevorgangs bereits keine
Energiespeichermodule 21 , 22, 23 mit einem hohen Ladezustand auszuwählen.
Um zu verhindern, dass die Summe der Prioritätsfaktoren für die Energiespeichermodule 21 , 22, 23 mit einem sehr niederen Ladezustand beim Entladen oder einem sehr hohen Ladezustand beim Laden zu hoch wird, kann diese Summe der Prioritätsfaktoren bei einem sehr niederen bzw. sehr hohen Ladezustand entsprechend angepasst,
insbesondere reduziert werden. Auf diese Weise wird bei sehr niedrigem bzw. sehr hohem Ladezustand die Priorisierung der Energiespeichermodule 21 , 22, 23 ganz, oder zumindest in sehr starkem Maße nur durch den Ladezustand bestimmt. Hierzu wird der Ladezustand der entsprechenden Energiespeichermodule 21 , 22, 23 dem
entsprechenden Priorisierungsmodul 200 für den Ladezustand SOC bereitgestellt.
Der Spannungsdetektor 13 überwacht die Spannungen der einzelnen
Energiespeichermodule 21 , 22, 23 und signalisiert dabei bei Überschreiten einer vorbestimmten Spannungsschwelle eine Überspannung (+U). Ferner kann bei
Unterschreiten einer weiteren Spannungsschwelle eine Unterspannung (-U) in einem der Energiespeichermodule 21 , 22, 23 detektiert werden. Ist in einem Energiespeichermodul 21 , 22, 23 eine Überspannung detektiert worden, so sollte ein weiteres Laden diese Energiespeichermoduls 21 , 22, 23 vermieden werden. Ein solches Energiespeichermodul 21 , 22, 23 erhält daher während des Ladevorgangs eine besonders niedrige Priorität. Während des Entladens erhält ein Energiespeichermodul 21 , 22, 23 mit einer
Überspannung eine sehr hohe Priorität. In gleicher Weise wird bei einer detektierten Unterspannung eines Energiespeichermoduls 21 , 22, 23 das Entladen besonders nieder priorisiert, während das Aufladen sehr hoch priorisiert wird.
Weiterhin wird für jedes Energiespeichermodul 21 , 22, 23 eine Information über den Ladezustand SOC, eine Information über den Betriebsmodus wie Laden oder Entladen, (L/E), eine Information über Überspannungen und/oder Unterspannungen eines jeden Energiespeichermoduls 21 , 22, 23, sowie gegebenenfalls eine Diagnoseanforderung (Diag) an das Priorisierungsmodul 100 bereitgestellt. Ist beispielsweise die
Energiespeichervorrichtung 1 im Entlademodus, so wird vorzugsweise ein
Energiespeichermodul 21 , 22 23 mit einem hohen Ladezustand einen hohen
Prioritätswert erhalten, während beim Aufladen der elektrischen
Energiespeichervorrichtung 1 vorzugsweise ein Energiespeichermodul 21 , 22, 23 mit einem niederen Ladezustand einen hohen Prioritätswert erhalten wird. Eine solche
Zuordnung kann beispielsweise über vorbestimmte Kennlinien erfolgen. Alternativ zu dem Parameter Ladezustand (SOH) kann gegebenenfalls auch eine Modulspannung der einzelnen Energiespeichermodule 21 , 22, 23 zur Priorisierung genutzt werden. Dies ist möglich, da zwischen Modulspannung und Ladezustand eine eindeutige Korrelation besteht.
Für eine Diagnose (Diag) kann ein entsprechendes Energiespeichermodul 21 , 22, 23 ebenfalls mit einer sehr hohen oder sehr niederen Priorisierung versehen werden, um die entsprechenden Modultests durchzuführen.
Nachdem für alle Energiespeichermodule 21 , 22, 23 ein entsprechender Prioritätswert bestimmt wurde, wird eine Tabelle mit nach Priorität sortierter Reihenfolge aller
Energiespeichermodule 21 , 22, 23 berechnet. Weiterhin wird entsprechend der angeforderten Soll-Spannung an den Ausgangsklemmen der Energiespeichervorrichtung 1 eine Anzahl von erforderlichen Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 berechnet, die bei einer Reihenschaltung die angeforderte Ausgangsspannung ermöglichen. Gegebenenfalls kann dabei auch ein zeitlicher Verlauf der erforderlichen Ausgangsspannung
berücksichtigt werden. Ist beispielsweise zu erwarten, dass innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer die angeforderte Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung 1 weiter ansteigen wird, so kann bereits bei der Bestimmung der erforderlichen Anzahl von Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 bereits eine entsprechend größere Zahl von Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 bestimmt werden. Somit kann eine erforderliche Anzahl von Schaltvorgängen innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 reduziert werden, was sich positiv auf die Beanspruchung der Energiespeichermodule 21 , 22, 23 und die entsprechenden Schaltelemente 31 , 32, 33 auswirkt.
Nachdem die Priorisierung der Energiespeichermodule 21 , 22, 23 und auch die
Bestimmung der erforderlichen Anzahl von Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 abgeschlossen ist, wird die benötigte Anzahl von Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 beispielsweise entsprechend der in der Tabelle abgelegten Priorisierung ausgewählt.
Bei Energiespeichervorrichtungen 1 mit einer Mehrzahl von Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 werden einzelne Energiespeichermodule 21 , 22, 23, die nur noch eine geringe Lebenserwartung aufweisen, zu vorbestimmten Zeitpunkten ausgetauscht. In der Regel sind diese Zeitpunkte, zu denen ein solcher Austausch erfolgt, kalendarisch oder durch einen Betriebsstundenzähler vorgegeben. Die auszutauschenden Energiespeichermodule haben dabei zum Zeitpunkt des Austauschs jedoch meist noch nicht das absolute Ende ihrer Lebensdauer erreicht. Um die einzelnen Energiespeichermodule 21 , 22, 23 vor ihrem Austausch möglichst effizient auszunutzen, kann bei der zuvor beschriebenen Priorisierung der einzelnen Energiespeichermodule 21 , 22, 23 eine Prognose über die verbleibende Restlaufzeit mit in den Priorisierungsprozess einbezogen werden. Steht dabei ein Austausch eines Energiespeichermoduls 21 , 22, 23 bevor, so können solche Energiespeichermodule 21 , 22, 23 höher priorisiert und somit bevorzugt ausgewählt werden. Beispielsweise können Energiespeichermodule 21 , 22, 23, deren Austausch innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne vorgesehen ist, mit einer höheren Priorität versehen werden. Auf diese Weise werden solche Energiespeichermodule 21 , 22, 23 bevorzugt ausgewählt. Zum Zeitpunkt des Austauschs der Energiespeichermodule 21 , 22, 23 kann hierdurch die prognostizierte maximale Betriebsdauer eines
Energiespeichermoduls 21 , 22, 23 möglichst vollständig ausgenutzt werden.
Energiespeichermodule 21 , 22, 23 mit einer größeren prognostizierten Restlaufzeit, die erst zu eine späteren Zeitpunkt ausgetauscht werden müssen, werden somit seltener ausgewählt. Dies führt insgesamt zu einer effizienteren Ausnutzung aller verwendeten Energiespeichermodule 21 , 22, 23.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrisches Antriebssystems mit einer Energiespeichervorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Antriebssystem umfasst einem Elektromotor 2, der von einem Wechselrichter 3 gespeist wird. Der Wechselrichter 3 konvertiert dabei die von der Energiespeichervorrichtung 1
bereitgestellte Ausgangsspannung in eine Wechselspannung und stellt diese
Wechselspannung dem Elektromotor 2 bereit. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen
Energiespeichervorrichtung 1 zum Erzeugen einer vorbestimmten Ausgangsspannung zugrunde liegt. In einem Schritt S1 wird eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 bereitgestellt. Im Schritt S2 wird für jedes der Mehrzahl von
Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 ein Ladezustand SOC ermittelt. Weiterhin wird in Schritt S3 mindestens ein weiterer Betriebsparameter für jedes der Mehrzahl von Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 ermittelt. Diese weiteren Betriebsparameter können beispielsweise eine Temperatur eines Energiespeichermoduls 21 , 22, 23, eine Angabe über einen Alterungszustand eines Energiespeichermoduls 21 , 22, 23, eine Zeitspanne seit der letzten Aktivierung eines Energiespeichermoduls 21 , 22, 23 und/oder eine
Verlustleistung eines Energiespeichermoduls 21 , 22, 23 umfassen. Ferner können die Betriebsparameter eine Angabe über eine Überspannung und/oder eine Unterspannung eines Energiespeichermoduls 21 , 22, 23 umfassen. Weiterhin können die
Betriebsparameter auch eine Prognose über eine Restlaufzeit eines
Energiespeichermoduls 21 , 22, 23 umfassen.
In Schritt S4 wird eine Anzahl von erforderlichen Energiespeichermodulen berechnet, die benötigt wird, um die vorbestimmte Ausgangsspannung an der
Energiespeichervorrichtung 1 bereitzustellen. Daraufhin wird in Schritt S5 aus der Mehrzahl von Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 unter Verwendung der berechneten Anzahl von erforderlichen Energiespeichermodulen 21 , 22, 23, des ermittelten
Ladezustands und des mindestens einen weiteren Betriebsparameters ein oder mehrere Energiespeichermodule 21 , 22, 23 ausgewählt. Diese ausgewählten
Energiespeichermodule 21 , 22, 23 werden daraufhin in Schritt S6 in Reihe geschaltet. Umfasst der Betriebsparameter eine Prognose über eine Restlaufzeit eines
Energiespeichermoduls 21 , 22, 23, so werden in dem Schritt zum Auswählen von Energiespeichermodulen 21 , 22, 23 bevorzugt Energiespeichermodule 21 , 22, 23 ausgewählt, die eine niedrige Restlaufzeit aufweisen. Das Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung kann sowohl für einen Ladebetrieb, als auch für einen Entladebetrieb angewendet werden. Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung mit einer Mehrzahl von Energiespeichermodulen. Zum Anpassen der Ausgangsspannung an der
Energiespeichervorrichtung werden dabei ein oder mehrere Energiespeichermodule in Reihe geschaltet. Die dabei in Reihe geschalteten Energiespeichermodule werden für eine besonders effiziente Ausnutzung der einzelnen Energiespeichermodule dabei in Abhängigkeit von Ladezustand und mindestens einem weiteren Betriebsparameter ausgewählt.

Claims

Ansprüche 1 . Elektrische Energiespeichervorrichtung (1 ) zum Bereitstellen einer vorbestimmten Ausgangsspannung, mit: einer Mehrzahl von Energiespeichermodulen (21 , 22, 23); und einer Steuervorrichtung (10), die dazu ausgelegt ist, für jedes der Mehrzahl von
Energiespeichermodulen (21 , 22, 23) einen Ladezustand und mindestens einen weiteren Betriebsparameter zu ermitteln, eine Anzahl von erforderlichen
Energiespeichermodulen (21 , 22, 23) in Abhängigkeit von der vorbestimmten Ausgangsspannung zu berechnen, die berechnete Anzahl von erforderlichen Energiespeichermodulen (21 , 22, 23) aus der Mehrzahl von
Energiespeichermodulen (21 , 22, 23) unter Verwendung des ermittelten
Ladezustands und des mindestens einen weiteren Betriebsparameters
auszuwählen, und die ausgewählten Energiespeichermodule (21 , 22, 23) in Reihe zu schalten.
2. Energiespeichervorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Steuervorrichtung (10) eine Priorisierungsvorrichtung (1 1 ) umfasst, die dazu ausgelegt ist, die Mehrzahl von Energiespeichermodulen (21 , 22, 23) unter Verwendung des ermittelten Ladezustands und des mindestens einen weiteren Betriebsparameters zu priorisieren und wobei die Steuervorrichtung (10) die erforderlichen
Energiespeichermodule (21 , 22, 23) basierend auf der Priorisierung der
Priorisierungsvorrichtung (1 1 ) auswählt.
3. Energiespeichervorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
Steuervorrichtung (10) eine Wartungsprognosevorrichtung (12) umfasst, die dazu ausgelegt ist, eine Prognose über eine Restlaufzeit der Energiespeichermodule (21 , 22, 23) bereitzustellen, und wobei die Steuervorrichtung (10) bevorzugt Energiespeichermodule (21 , 22, 23) mit einer niedrigen Restlaufzeit auswählt.
Energiespeichervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend einen Spannungsdetektor (13), der dazu ausgelegt ist, eine Uberspannung und/oder eine Unterspannung in einem der Energiespeichermodule (21 , 22, 23) zu detektieren.
Elektrisches Antriebssystem, mit:
einer Energiespeichervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4;
einem Elektromotor (2); und
einem Wechselrichter (3), der dazu ausgelegt ist, die von der
Energiespeichervorrichtung (1 ) bereitgestellte Ausgangsspannung in eine
Wechselspannung zu konvertieren und dem Elektromotor (2) bereitzustellen.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (1 ) zum Erzeugen einer vorbestimmten Ausgangsspannung, mit den Schritten:
Bereitstellen (S1 ) einer Mehrzahl von Energiespeichermodulen (21 , 22, 23);
Ermitteln (S2) eines Ladezustands für jedes der Mehrzahl von
Energiespeichermodulen (21 , 22, 23);
Ermitteln (S3) mindestens eines weiteren Betriebsparameters für jedes der Mehrzahl von Energiespeichermodulen (21 , 22, 23);
Berechnen (S4) einer Anzahl von erforderlichen Energiespeichermodulen (21 , 22, 23) in Abhängigkeit von der vorbestimmten Ausgangsspannung;
Auswählen (S5) von Energiespeichmodulen (21 , 22, 23) aus der Mehrzahl von Energiespeichermodulen (21 , 22, 23) unter Verwendung der berechneten Anzahl von erforderlichen Energiespeichermodulen (21 , 22, 23), des ermittelten
Ladezustands der Energiespeichermodule (21 , 22, 23), und des mindestens einen weiteren Betriebsparameters der Energiespeichermodule (21 , 22, 23); und
Schalten (S6) der ausgewählten Energiespeichermodule (21 , 22, 23) in Reihe.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine weitere Betriebsparameter eine Temperatur, eine Angabe über einen Alterungszustand, eine Zeitspanne seit der letzten Aktivierung und/oder eine Verlustleistung eines Energiespeichermoduls (21 , 22, 23) umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der mindestens eine weitere
Betriebsparameter ferner mindestens eine Angabe über eine Überspannung oder eine Unterspannung eines Energiespeichermoduls (21 , 22, 23) umfasst.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der mindestens eine weitere Betriebsparameter ferner eine Prognose über eine Restlaufzeit eines
Energiespeichermoduls (21 , 22, 23) umfasst, und der Schritt zum Auswählen von Energiespeichermodulen (21 , 22, 23) bevorzugt Energiespeichermodule (21 , 22, 23) mit einer niedrigen Restlaufzeit auswählt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die
Energiespeichervorrichtung (1 ) in einem Ladebetrieb oder in einem Entladebetrieb betrieben wird.
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