EP2460250A2 - Device for storing electrical energy - Google Patents
Device for storing electrical energyInfo
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- EP2460250A2 EP2460250A2 EP10734698A EP10734698A EP2460250A2 EP 2460250 A2 EP2460250 A2 EP 2460250A2 EP 10734698 A EP10734698 A EP 10734698A EP 10734698 A EP10734698 A EP 10734698A EP 2460250 A2 EP2460250 A2 EP 2460250A2
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Definitions
- the invention relates to a device for storing electrical energy according to the closer defined in the preamble of claim 1.
- the invention also relates to a method for operating such a device.
- Devices for storing electrical energy and in particular for storing electrical traction energy in electric vehicles or in particular in hybrid vehicles, are known from the general state of the art.
- Such devices for storing electrical energy by means of individual memory cells are formed, which are connected, for example, in series and / or in parallel with each other electrically.
- different types of accumulator cells or capacitors are conceivable as memory cells. Due to the comparatively high
- Amounts of energy and performance in the storage and removal of energy, when used in powertrains for vehicles, and here in particular for commercial vehicles, are used as memory cells storage cells with sufficiently high energy content. These may be, for example, rechargeable battery cells in lithium-ion technology, or in particular but memory cells in the form of very powerful capacitors. These capacitors are also commonly referred to as supercapacitors, supercaps or ultracapacitors.
- Voltage can be increased, so that at least the risk of polarity reversal is reduced.
- a first possibility for the cell voltage compensation is the so-called passive cell voltage compensation.
- an electrical resistance is connected in parallel with each individual memory cell.
- the electrical resistance is chosen comparatively high, but still leaves many times the typical
- Heat generated by electrical resistors is generally undesirable in the area of a device for storing electrical energy and typically has to be cooled down. This results in this type of passive cell voltage compensation serious disadvantages, which can be seen in particular in the electrical losses and the unwanted heat development.
- Threshold switch connected in parallel with each of the memory cells and in series with the resistor. This construction, also referred to as bypass electronics, only ever allows a current to flow when the cell has a
- Memory cells is below the predetermined limit, an unwanted discharge of the entire device for storing electrical energy can be largely avoided. Also a permanent one
- Device for storing electrical energy can be extended only conditionally by the cell voltage compensation.
- the device for storing electrical energy represents a significant part of the cost of the hybrid drive. Therefore, it is particularly important that in such applications very high lifetimes of the device for storing electrical energy can be achieved.
- WO 2006/015083 A2 describes a method and an apparatus for performing cell-based balancing in a multi-cell lithium battery system.
- a discharge time parameter is calculated for each cell at the beginning of a charge cycle, and balancing is performed for each cell having a positive discharge time at the beginning of a charge cycle.
- the discharge time parameter is calculated during operation of the battery system and the equalization of the cells takes place in operation based on the discharge time values.
- Zeilhardsaustician is extended by a timer unit, which closed each switch after closing for a predetermined time
- Hybrid drive in which by starting a large part of the stored electrical energy in the device is removed, and the next In turn, braking energy is stored in the device, a renewed exceeding the upper limit voltage of the affected memory cell avoided with high probability. This can be safely and reliably prevented with a very simple means that individual memory cells several times in a row reach the area of the overvoltage, what their
- the device can be represented in any memory cells which are typically connected in series with one another or in blocks in parallel and then in series with one another.
- accumulator cells are conceivable, for example, in the case of lithium-ion technology, the exceeding of a predetermined maximum voltage of the single cell has serious disadvantages and can possibly also lead to chemical and / or thermal damage to the memory cell up to an overpressure in the memory cell. For safety reasons, this pressure would have to escape via a pressure relief valve, which not only damages the memory cell in its lifetime, but directly destroyed. But also with other memory cell types,
- the memory cells are at least partially formed as supercapacitors.
- Speicherzeire are formed as an independent arranged in the region of the memory cell electronic unit.
- This purely decentralized structure offers the possibility of discharging individual memory cells over a predetermined threshold voltage over the resistor for a predetermined time. He is doing comparatively easy and compact to build. About an integrated circuit and a suitable resistor can be realized on a corresponding board of very small size for each memory cell, a corresponding structure. This can then be arranged in the area of the individual memory cell and works completely independently. By reacting for each individual memory cell in the manner described above, the device as a whole can be correspondingly charged or discharged without fear of damage, in particular damage to the individual memory cells that occurs several times in succession as a result of an overvoltage.
- the device according to the invention thus operates autonomously and can be described as
- Device is the predetermined time in dependence of the voltage of the respective storage cases changeable.
- This variant of the device according to the invention offers the possibility of allowing the bypass current to flow for different amounts of time by adapting the predetermined time to each of the memory cells.
- the dependency can in particular be continuous or based on stages
- variable value for the given time can be used as variable value for the given time.
- the bypass current can flow according to this predetermined time and thus limit the exceeding of the limit voltage by targeted reduction of the overvoltage.
- control device is now provided that the charged into the device or removed from the device energy is controlled by a control device.
- This control takes place, in particular during charging, within predefined voltage limits, which, however, do not define voltage limits for each of the individual memory cells, but voltage limits of the device
- the voltage of at least some memory cells monitored in the device. This monitoring results in a maximum deviation of the detected voltage values among one another. As soon as this maximum deviation of the detected voltage values exceeds a predetermined limit value, during the next charging cycle the predetermined upper voltage limit during charging is activated or even slightly exceeded.
- Memory cells is already at such a high voltage level that when charging the upper limit voltage of some single cells is exceeded. In this or these individual memory cells, which with the
- the upper voltage limit is no longer controlled for the subsequent charging cycles during the time specified by the timer unit time.
- the voltage is thus kept lower in order to give the individual memory cells of the device time to level their voltage levels without disturbing them by re-triggering the threshold switches. It makes sense for the entire device predetermined voltage slightly below the upper
- the voltage of all memory cells is detected by combining the memory cells into at least two blocks whose block voltages are detected and then used as voltage values.
- Memory cells but typically also more blocks, it can be achieved that as soon as one of the blocks has a corresponding voltage difference with respect to the others, a leveling of the voltage values of the individual memory cells by the coming charging cycle is initiated via the above-described method.
- the monitoring of memory cells combined in blocks for example eight to twelve of the individual memory cells as a block, is considerably less complicated than this Single cell voltage monitoring would be.
- block-by-block monitoring it can also be avoided that individual cells, as they are not monitored by chance, have a corresponding overvoltage and are damaged, which in turn damages the entire system Device would entail.
- electrical energy is used as traction energy storage in an at least partially electrically powered vehicle. This preferred
- Electric vehicle or hybrid vehicle are particularly advantageous advantage.
- FIG. 1 shows an exemplary construction of a hybrid vehicle
- FIG. 2 shows a detail of the structure of the device for storing electrical energy.
- 1 shows an example of a hybrid vehicle 1 is indicated. It has two axles 2, 3 each with two wheels 4 indicated by way of example.
- the axle 3 is intended to be a driven axle of the vehicle 1, while the axle 2 merely travels in a manner known per se.
- a transmission 5 is shown by way of example, which is the power of a
- Internal combustion engine 6 and an electric machine 7 receives and directs in the area of the driven axle 3.
- the electric machine 7 alone or in addition to the drive power of
- Internal combustion engine 6 drive power in the region of the driven axle 3 and thus drive the vehicle 1 or support the drive of the vehicle 1.
- the electric machine 7 can be operated as a generator, so as to recover the braking power and store it accordingly.
- the electric machine 7 can be operated as a generator, so as to recover the braking power and store it accordingly.
- an apparatus 8 for storing electrical energy must be provided which a
- Energy content of the order of 350 to 700 Wh has. In this way, it is also possible to convert energies which, for example, originate from such a speed during a braking process of about 10 seconds, into electrical energy via the electric machine 7, which will typically have a magnitude of approximately 150 kW, and these in the device 8 save.
- the structure according to FIG. 1 has an inverter 9, which is designed in a manner known per se with an integrated control device for the energy management. About the inverter 9 with the integrated control device is doing the
- the controller ensures that when braking in the area then
- the control device in the inverter 9 coordinates the removal of electrical energy from the device 8 in order to drive the electric machine 7 by means of this extracted power in this reverse case.
- the hybrid vehicle 1 described here which may be for example a city bus
- a comparable structure would of course also be in a pure
- the device 8 for storing electrical energy can be constructed in a variety of ways. In principle, various types of device 8 for storing electrical energy are conceivable. Typically, this will be constructed so that a plurality of memory cells 10
- Memory cells 10 which can be seen in FIG. 2, can thereby be seen in FIG. 2,
- the memory cells 10 should all be designed as supercapacitors, which are to be used in a single device 8 for storing electrical energy in the vehicle 1 equipped with the hybrid drive.
- the structure can preferably be used in a commercial vehicle, such as a bus for Stadtwnah vers. This is due to frequent starting and braking maneuvers in conjunction with a very high
- Memory cells 10 exceed a maximum predetermined voltage, in the above example, the 2.7 V per single supercapacitor, comparatively often. Each exceeding of this limit voltage significantly reduces the lifetime of the individual memory cell 10 to be achieved. A reduced lifetime of the individual memory cells 10 leads after a certain
- each individual one of the memory cells 10 has an electrical, ohmic resistor 11 connected in parallel with the respective memory cell 10. This is connected in series with a switch 12 in parallel with each of the memory cells 10, in this case in parallel with each of the supercapacitors 10.
- the switch 12 is designed as a threshold value switch and is controlled by a corresponding switching unit 13, which essentially contains two functionalities.
- the switching unit 13 comprises a
- Supercapacitor 4 reduced so that this after a discharge, for example, by a start of the vehicle 1 and a thereafter
- Supercapacitors 10 are in a correspondingly high voltage range and learn the procedure just described in turn. Overall, it comes with the integration of the time switching function T over the operating time away to a rapid equalization of the voltages of the individual
- the time switching unit T can be designed in particular so that a fixed time of, for example, a few minutes is given. Together with the size of the respective individual memory cell 10 and the value of the electrical resistance 11, this results in a corresponding discharge.
- the thus constructed device 8 for storing electrical energy can therefore also be used in highly dynamic charging and discharging cycles, without the service life of the memory cells 10 being correspondingly reduced by unnecessarily high voltages in the region of the memory elements 10.
- the structure of the switching unit 13, the electrical resistance 11, the switch 12 and the time switching unit T can be realized as an integrated electronic unit 14 so that it is constructed independently for each of the memory cells 10.
- a small integrated circuit is generally sufficient, which monitors the voltage U in the memory cell 10 accordingly and actuates the switch 12, which is integrated, for example, as an electronic switch 12 into the component.
- the resistor 11 can then be placed on this mini-board in a conventional manner.
- the time switching unit T typically keeps the switch 12 closed for a predetermined time after it has been activated due to the voltage U, this time can also be permanently integrated in the time switching unit T or the integrated electronic unit 14. This can be done for example by programming a fixed time in an integrated circuit. It would also be conceivable to solve this by circuitry in that in the electronics unit 14 via a suitable component,
- a capacitor at an output of the switching unit 13 this time is fixed.
- the structure can thus be realized very easily, since no activation of the electronic unit 14 from outside the device 8 is necessary.
- the device 8 is rather automatically for a
- Voltage of some of the memory cells 10, in particular of a plurality of each connected to blocks memory cells 10, is detected. This voltage value from the interior of the device 8 then, for example, the control device in the inverter 9 can be made available. There the tensions between each other are compared. If one notes that a very large deviation of the voltage values of the individual memory cells or cell blocks occurs, it must be assumed that some of the memory cells 10 or the blocks of memory cells 10 will come across the limiting voltage in the near future. This can now be actively triggered by charging the device 8 at the next charging cycle via the control device in the converter 9 with a voltage which is at the upper limit or slightly above the upper voltage typically specified for charging. In this way, it is possible to consciously initiate a minimum exceeding of the threshold voltage in the memory cells 10 which deviate very much upwards.
- Leveling of the voltages within the device 8 between the individual memory cells 10 are triggered from outside the device 8, without the need for a targeted control of single cells or blocks of single cells within the device 8 would be necessary.
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Abstract
The invention relates to a device for storing electrical energy and comprises a plurality of storage cells. A switch and an electrical resistor in series thereto are connected parallel to each of the storage cells. At least one switch unit closes each individual switch as soon as the storage cell located parallel to said switch exceeds a specified voltage. There is additionally a time-switch unit that holds each closed switch closed for a specified time after closing has once occurred.
Description
Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie Device for storing electrical energy
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung. The invention relates to a device for storing electrical energy according to the closer defined in the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for operating such a device.
Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie, und hier insbesondere zur Speicherung von elektrischer Traktionsenergie in Elektrofahrzeugen oder insbesondere in Hybridfahrzeugen, sind dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise sind solche Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie mittels einzelner Speicherzellen ausgebildet, welche beispielsweise in Reihe und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind. Grundsätzlich sind als Speicherzellen dabei verschiedenartige Akkumulatorzellen oder Kondensatoren denkbar. Aufgrund der vergleichsweise hohen Devices for storing electrical energy, and in particular for storing electrical traction energy in electric vehicles or in particular in hybrid vehicles, are known from the general state of the art. Typically, such devices for storing electrical energy by means of individual memory cells are formed, which are connected, for example, in series and / or in parallel with each other electrically. In principle, different types of accumulator cells or capacitors are conceivable as memory cells. Due to the comparatively high
Energiemengen und Leistungen bei der Speicherung und Entnahme der Energie, bei der Anwendung in Antriebssträngen für Fahrzeuge, und hier insbesondere für Nutzfahrzeuge, werden als Speicherzellen Speicherzellen mit ausreichend hohem Energieinhalt eingesetzt. Dies können beispielsweise Akkumulatorzellen in Lithium-Ionen-Technologie sein, oder insbesondere aber Speicherzellen in Form von sehr leistungsstarken Kondensatoren. Diese Kondensatoren werden im Allgemeinen auch als Superkondensatoren, Supercaps oder Ultra-Capacitors bezeichnet. Amounts of energy and performance in the storage and removal of energy, when used in powertrains for vehicles, and here in particular for commercial vehicles, are used as memory cells storage cells with sufficiently high energy content. These may be, for example, rechargeable battery cells in lithium-ion technology, or in particular but memory cells in the form of very powerful capacitors. These capacitors are also commonly referred to as supercapacitors, supercaps or ultracapacitors.
Unabhängig davon, ob nun Superkondensatoren oder Akkumulatorzellen mit hohem Energieinhalt eingesetzt werden, entsteht bei derartigen Aufbauten aus einer Vielzahl von Speicherzellen, welche insgesamt oder in Blöcken in Reihe zueinander verschaltet sind, die Problematik, dass die Spannung der einzelnen Speicherzelle bauartbedingt auf einen oberen Spannungswert begrenzt ist. Wird dieser obere Spannungswert, beispielsweise beim Laden der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie überschritten, so wird die Lebensdauer der Speicherzelle im Allgemeinen drastisch reduziert. Aufgrund von vorgegebenen Fertigungstoleranzen weichen die einzelnen Speicherzellen in ihren Eigenschaften
(zum Beispiel Selbstentladung) in der Praxis typischerweise geringfügig Regardless of whether supercapacitors or accumulator cells are used with high energy content, arises in such structures of a plurality of memory cells, which are connected in total or in blocks in series, the problem that the voltage of the individual memory cell due to design limited to an upper voltage value is. If this upper voltage value is exceeded, for example during charging of the device for storing electrical energy, the lifetime of the memory cell is generally drastically reduced. Due to predetermined manufacturing tolerances, the individual memory cells give way in their properties (For example, self-discharge) in practice typically small
voneinander ab. Dies hat zur Folge, dass einzelne Speicherzellen eine etwas geringere Spannung aufweisen als andere Speicherzellen in der Vorrichtung. Da die maximale Spannung für die gesamte Vorrichtung im Allgemeinen jedoch gleich bleibt und das insbesondere beim Laden typische Ansteuerungskriterium darstellt, kommt es so unweigerlich dazu, dass andere Speicherzellen eine etwas höhere Spannung aufweisen und bei Ladevorgängen dann über die erlaubte from each other. As a result, individual memory cells have a slightly lower voltage than other memory cells in the device. However, since the maximum voltage for the entire device generally remains the same and which represents a typical driving criterion, in particular during loading, it inevitably results in a somewhat higher voltage for other memory cells and then exceeds those permitted during charging processes
Spannungsgrenze hinaus geladen werden. Eine solche Überspannung führt, wie bereits oben erwähnt, zu einer erheblichen Reduzierung der möglichen Voltage limit to be charged. Such overvoltage leads, as already mentioned above, to a considerable reduction of the possible
Lebensdauer dieser einzelnen Speicherzellen und damit der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie. Eine weitere Problematik liegt darin, dass einzelne Speicherzellen aufgrund einer höheren Selbstentladung schneller in ihrer Spannung absacken, als andere der Speicherzellen. Dies kann längerfristig dazu führen, dass die Speicherzellen in ihren Spannungspotentialen immer weiter auseinanderlaufen. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem Umpolen der abgesackten Speicherzelle in der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie. Dies würde ihre Lebensdauer drastisch reduzieren und muss unbedingt vermieden werden. Life of these individual memory cells and thus the device for storing electrical energy. Another problem is that individual memory cells sag due to a higher self-discharge faster in their voltage than other memory cells. In the longer term, this can lead to the memory cells increasingly divergence in their voltage potentials. In the worst case, there is a reversal of the bagged memory cell in the device for storing electrical energy. This would drastically reduce their lifespan and must be avoided at all costs.
Um diesen Problematiken zu begegnen, kennt der allgemeine Stand der Technik im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von Zellspannungsausgleichen, welche jeweils zentral oder dezentral aufgebaut sind. In einer zentralen Elektronik sind alle Komponenten zum Beispiel in einer Steuereinheit zusammengefasst, während beim dezentralen Aufbau an jeweils ein bis zwei Speicherzellen die einzelnen Komponenten beispielsweise auf einer kleinen Platine für speziell diese ein bis zwei Speicherzellen angebracht sind. Die allgemein übliche Terminologie des Zeilspannungsausgleichs ist hier ein wenig irreführend, da hierdurch nicht die Spannungen oder genauer gesagt die Energien der einzelnen Speicherzellen untereinander ausgeglichen werden, sondern dass lediglich die Zellen mit hohen Spannungen in ihren zu hohen Spannungen reduziert werden. Da die In order to address these problems, the general state of the art essentially knows two different types of cell voltage balances, each of which has a centralized or decentralized structure. In a central electronics unit, for example, all the components are combined in a control unit, while in the decentralized structure of one to two memory cells, the individual components are mounted, for example, on a small board for specifically these one to two memory cells. The common terminology of the Zeilspannungsausgleichs is here a little misleading, since this does not compensate for the voltages or more specifically the energies of the individual memory cells with each other, but that only the cells are reduced with high voltages in their excessive voltages. Because the
Gesamtspannungen der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie konstant bleiben, kann durch den sogenannten Zellspannungsausgleich jedoch
eine in ihrer Spannung abgesackte Zelle im Laufe der Zeit wieder in ihrer Total voltages of the device for storing electrical energy remain constant, however, by the so-called cell voltage compensation a cell sagged in its tension over time in her again
Spannung erhöht werden, sodass zumindest die Gefahr eines Umpolens hierdurch reduziert wird. Voltage can be increased, so that at least the risk of polarity reversal is reduced.
Eine erste Möglichkeit für den Zellspannungsausgleich ist der sogenannte passive Zellspannungsausgleich. Dabei ist ein elektrischer Widerstand parallel zu jeder einzelnen Speicherzelle geschaltet. Der elektrische Widerstand ist vergleichsweise hoch gewählt, lässt aber immer noch ein Vielfaches des typischen A first possibility for the cell voltage compensation is the so-called passive cell voltage compensation. In this case, an electrical resistance is connected in parallel with each individual memory cell. The electrical resistance is chosen comparatively high, but still leaves many times the typical
Selbstentladestroms der jeweiligen Speicherzelle fließen. Damit stellt sich über die Zeit eine in etwa gleiche Spannung für jede der Speicherzellen ein. Dieser Aufbau hat jedoch den Nachteil, dass bereits nach relativ kurzer Zeit keine elektrische Energie mehr in dem Speicher vorhanden ist, da aufgrund der elektrischen Widerstände parallel zu jeder einzelnen Zelle ständig ein zwar geringer, aber dennoch vorhandener Strom fließt und somit eine ständige Entladung der Selbstentladestroms the respective memory cell flow. As a result, an approximately equal voltage is established over time for each of the memory cells. However, this structure has the disadvantage that no electrical energy is present in the memory after a relatively short time, because due to the electrical resistance parallel to each cell constantly a small but still existing current flows and thus a constant discharge of
Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie stattfindet. Die Problematik wird ferner dadurch verschärft, dass durch den Stromverbrauch in den Device for storing electrical energy takes place. The problem is further exacerbated by the fact that by the power consumption in the
elektrischen Widerständen Wärme entsteht, welche im Bereich einer Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie im Allgemeinen unerwünscht ist und typischerweise weggekühlt werden muss. Damit ergeben sich bei dieser Art des passiven Zellspannungsausgleichs gravierende Nachteile, welche insbesondere in den elektrischen Verlusten und der unerwünschten Wärmeentwicklung zu sehen sind. Heat generated by electrical resistors is generally undesirable in the area of a device for storing electrical energy and typically has to be cooled down. This results in this type of passive cell voltage compensation serious disadvantages, which can be seen in particular in the electrical losses and the unwanted heat development.
Ein weiterer Ansatz aus dem allgemeinen Stand der Technik ist der sogenannte aktive Zellspannungsausgleich. Dabei wird zusätzlich ein elektronischer Another approach from the general state of the art is the so-called active cell voltage compensation. It is additionally an electronic
Schwellwertschalter parallel zu jeder der Speicherzellen und in Reihe zu dem Widerstand geschaltet. Dieser auch als Bypass-Elektronik bezeichnete Aufbau lässt dabei immer nur dann einen Strom fließen, wenn die Zelle eine Threshold switch connected in parallel with each of the memory cells and in series with the resistor. This construction, also referred to as bypass electronics, only ever allows a current to flow when the cell has a
Überspannung, also eine Spannung oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts für die einzelne Zelle aufweist. Sobald die Spannung der einzelnen Speicherzelle wieder in einen Bereich unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts fällt, wird der Schalter geöffnet und es fließt kein Strom mehr. Dadurch, dass ein kleinerer
ohmscher Widerstand eingesetzt werden kann, kann der Aufbau außerdem zu einem schnelleren Zellspannungsausgleich, als die oben beschriebene Variante, führen. Aufgrund der Tatsache, dass der elektrische Widerstand über den Schalter immer dann außer Kraft gesetzt wird, wenn die Spannung der einzelnen Overvoltage, that is, a voltage above a predetermined limit for the single cell has. As soon as the voltage of the individual memory cell falls back into a range below the specified limit value, the switch is opened and no current flows. Because of that, a smaller one ohmic resistance can be used, the structure can also lead to a faster cell voltage compensation than the variant described above. Due to the fact that the electrical resistance across the switch is always overridden when the voltage of the individual
Speicherzellen unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts ist, kann auch eine unerwünschte Entladung der gesamten Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie weitgehend vermieden werden. Auch eine ständige Memory cells is below the predetermined limit, an unwanted discharge of the entire device for storing electrical energy can be largely avoided. Also a permanent one
unerwünschte Wärmeentwicklung ist bei diesem Lösungsansatz des aktiven Zeilspannungsausgleichs kein Problem. unwanted heat generation is not a problem with this approach of active voltage compensation.
Allerdings verbleibt auch hier der Nachteil, dass insbesondere bei der However, here also the disadvantage remains that in particular in the
hochdynamischen Anwendung der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie, lediglich ein eventuell auftretender Schaden begrenzt wird, während kein langfristiger Ausgleich der einzelnen Spannungsniveaus der Speicherzellen erfolgt. Kommt es nämlich nun zu einem erneuten Ladevorgang, so werden die soeben über den Schalter in ihrer maximalen Spannung begrenzten highly dynamic application of the device for storing electrical energy, only a possibly occurring damage is limited, while no long-term compensation of the individual voltage levels of the memory cells takes place. If it comes to a new charge, then so are just limited by the switch in their maximum voltage
Speicherzellen sofort wieder in dieser Begrenzung betrieben. Damit tritt, insbesondere bei sehr dynamischen Lade- und Entladezyklen, das prinzipiell weiterhin schädigende und über Widerstand und Schalter nur langsam Memory cells immediately operated again in this limit. This occurs, in particular in very dynamic charging and discharging cycles, which in principle continues to be damaging and only slowly via resistor and switch
abgemilderte Szenario in kurzer zeitlicher Abfolge bei genau denselben mitigated scenario in a short time sequence at exactly the same
Speicherzellen immer wieder auf. Letztlich erfolgt also durch diesen sogenannten aktiven Zellspannungsausgleich nicht wirklich ein Ausgleich der einzelnen Memory cells again and again. Ultimately, therefore, this so-called active cell voltage compensation does not really equal the individual
Spannungen der Zellen untereinander, sondern lediglich beim Überschreiten der schädigenden Grenzspannung wird die Speicherzelle mit einem kleinen Bypass- Strom entladen, um durch langsamen Abbau der Überspannung das Tensions of the cells with each other, but only when exceeding the damaging limit voltage, the memory cell is discharged with a small bypass current to slow degradation of the overvoltage
Überschreiten zu begrenzen. Der Bypass-Strom fließt dabei nur so lange, bis die Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie wieder entladen wird, da hierbei die entsprechende Spannungsgrenze unterschritten und der Schalter wieder geöffnet wird. Bei einem erneuten Ladevorgang ergibt sich die Problematik dabei von Neuem. Und die schon soeben betroffene Speicherzelle wird immer noch eine sehr viel höhere Spannung aufweisen als beispielsweise eine in ihrer Spannung abgesenkte Zelle.
In den beiden dargelegten und aus dem allgemeinen Stand der Technik Exceed limit. The bypass current flows only until the device for storing electrical energy is discharged again, since in this case falls below the corresponding voltage limit and the switch is opened again. When re-loading the problem arises again. And the memory cell that has just been affected will still have a much higher voltage than, for example, a cell that has been lowered in voltage. In the two set forth and in the general state of the art
bekannten Möglichkeiten zum sogenannten Zellspannungsausgleich liegt das Ziel immer darin, die Überspannung und das Umpolen bei einzelnen Speicherzellen zu vermeiden. Wie dargelegt, gelingt dies jedoch nicht in allen Fällen, insbesondere dann nicht, wenn ein hochdynamischer Betrieb, also ein sehr schnelles known possibilities for so-called cell voltage compensation, the goal is always to avoid the overvoltage and polarity reversal in individual memory cells. However, as stated, this does not succeed in all cases, especially not when a highly dynamic operation, ie a very fast
Aufeinanderfolgen von Lade- und Entladezyklen, wie sie beispielsweise bei einem Hybridantrieb im Stadtverkehr entstehen, in der Vorrichtung auftreten. Succession of charging and discharging cycles, such as occur in a hybrid drive in city traffic occur in the device.
Insbesondere in solchen Anwendungen kann also die Lebensdauer der In particular, in such applications, so the life of
Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie nur bedingt durch den Zellspannungsausgleich verlängert werden. Device for storing electrical energy can be extended only conditionally by the cell voltage compensation.
Nun ist jedoch die Lebensdauer der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie bei Hybridantrieben, und hier insbesondere bei Hybridantrieben für Nutzfahrzeuge, beispielsweise Omnibusse im StadWNahverkehr, von Now, however, the life of the device for storing electrical energy in hybrid drives, and in particular in hybrid drives for commercial vehicles, such as buses in urban transport, from
entscheidender Bedeutung. Anders als bei herkömmlichen Antriebssträngen in der für derartige Anwendungen geeigneten Größenordnung der erforderlichen crucial importance. Unlike conventional powertrains in the order of magnitude required for such applications
Leistung stellt die Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie einen erheblichen Teil der Kosten für den Hybridantrieb dar. Daher ist es besonders wichtig, dass bei solchen Anwendungen sehr hohe Lebensdauern der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie erzielt werden. Performance, the device for storing electrical energy represents a significant part of the cost of the hybrid drive. Therefore, it is particularly important that in such applications very high lifetimes of the device for storing electrical energy can be achieved.
Die WO 2006/015083 A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen eines zellbasierten Balancings in einem Lithium-Batteriesystem mit mehreren Zellen. Ein Entladezeitparameter wird für jede Zelle zu Beginn eines Ladezyklus berechnet und ein Balancing wird für jede Zelle durchgeführt, die eine positive Entladezeit zu Beginn eines Ladezyklus aufweist. Alternativ wird der Entladezeitparameter während des Betriebs des Batteriesystems berechnet und die Angleichung der Zellen findet im Betrieb auf Basis der Entladezeitwerte statt. WO 2006/015083 A2 describes a method and an apparatus for performing cell-based balancing in a multi-cell lithium battery system. A discharge time parameter is calculated for each cell at the beginning of a charge cycle, and balancing is performed for each cell having a positive discharge time at the beginning of a charge cycle. Alternatively, the discharge time parameter is calculated during operation of the battery system and the equalization of the cells takes place in operation based on the discharge time values.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung anzugeben, welche die oben
genannten Nachteile vermeidet und mit minimalem Aufwand die bestmögliche Lebensdauer der einzelnen Speicherzellen in einer derartigen Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie gewährleistet. It is now the object of the present invention to provide an apparatus and a method for operating such a device, which the above avoid said disadvantages and ensures the best possible life of the individual memory cells in such a device for storing electrical energy with minimal effort.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 7 angegeben. This object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. A method according to the invention is indicated by the features in the characterizing part of claim 7.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben. Further advantageous embodiments of the device and the method are specified in the dependent subclaims.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie ist es vorgesehen, dass der eingangs beschriebene aktive In the device according to the invention for storing electrical energy, it is provided that the active
Zeilspannungsausgleich um eine Zeitschalteinheit erweitert ist, welche jeden geschlossenen Schalter nach dem Schließen für eine vorgegebene Zeit Zeilspannungsausgleich is extended by a timer unit, which closed each switch after closing for a predetermined time
geschlossen hält. Damit ist sichergestellt, dass jede einzelne Speicherzelle, nachdem sie eine vorgegebene Spannung überschritten hat, bei geschlossenem Schalter immer zwingend für eine vorgegebene Zeit über den elektrischen closed. This ensures that each individual memory cell, after it has exceeded a predetermined voltage, with the switch closed always imperative for a predetermined time on the electrical
Widerstand entladen wird. Die in dieser Speicherzelle vorliegende Spannung wird also über einen längeren Zeitraum hinweg abgebaut. Dies kann nun insbesondere dazu führen, dass beim nächsten Ladezyklus für die Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie genau diese eine Speicherzelle nicht schon wieder in den oberen Grenzwert ihrer Spannung gelangt und über ein erneutes Schließen des Schalters wieder in ihrer Spannung beschränkt werden muss. Vielmehr kommt es durch die Integration einer Zeitfunktion durch die wenigstens eine Zeitschalteinheit zu einer Nivellierung des Spannungsniveaus eben dieser Speicherzelle gegenüber den anderen Speicherzellen. Auch in ihrer Spannung abgesenkte Speicherzellen werden dann in ihrer Spannung wieder erhöht, sodass hierdurch ein echter Zellspannungsausgleich im Wortsinn stattfindet. Resistance is discharged. The voltage present in this memory cell is thus reduced over a longer period of time. This can now lead in particular to the fact that in the next charging cycle for the device for storing electrical energy, precisely this one memory cell does not again reach the upper limit of its voltage and must be limited in its voltage via a renewed closing of the switch. On the contrary, the integration of a time function by the at least one time switching unit leads to a leveling of the voltage level of precisely this memory cell with respect to the other memory cells. Even in their voltage lowered memory cells are then increased in voltage again, so that in this way takes place a true cell voltage compensation in the literal sense.
Damit wird auch bei dynamischen Anwendungen, beispielsweise in einem This is also in dynamic applications, for example in a
Hybridantrieb, bei dem durch das Anfahren ein großer Teil der in der Vorrichtung gespeicherten elektrischen Energie entnommen wird, und beim nächsten
Abbremsen wiederum Energie in der Vorrichtung eingespeichert wird, ein erneutes Überschreiten der oberen Grenzspannung der betroffenen Speicherzelle mit hoher Wahrscheinlichkeit vermieden. Damit lässt sich mit einem sehr einfachen Mittel sicher und zuverlässig verhindern, dass einzelne Speicherzellen mehrfach hintereinander in den Bereich der Überspannung gelangen, was deren Hybrid drive, in which by starting a large part of the stored electrical energy in the device is removed, and the next In turn, braking energy is stored in the device, a renewed exceeding the upper limit voltage of the affected memory cell avoided with high probability. This can be safely and reliably prevented with a very simple means that individual memory cells several times in a row reach the area of the overvoltage, what their
Lebensdauer massiv beeinträchtigen würde. Vielmehr kommt es durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung sehr schnell zu einer Anpassung der Zellspannungen der einzelnen Speicherzellen untereinander, sodass auch bei hochdynamischen Lade- und Entladezyklen sehr viel weniger Speicherzellen in den problematischen Bereich einer Überspannung gelangen. Life would affect massively. Rather, it comes through the inventive structure of the device very quickly to an adjustment of the cell voltages of the individual memory cells with each other, so reach even with highly dynamic charging and discharging much less memory cells in the problematic range of overvoltage.
Prinzipiell ist die Vorrichtung bei beliebigen Speicherzellen darstellbar, welche typischerweise in Reihe zueinander oder in Blöcken parallel und dann in Reihe zueinander verschaltet sind. Denkbar sind prinzipiell Akkumulatorzellen, wobei beispielsweise bei der Lithium-Ionen-Technologie das Überschreiten einer vorgegebenen Maximalspannung der Einzelzelle gravierende Nachteile hat und gegebenenfalls auch zu einer chemischen und/oder thermischen Schädigung der Speicherzelle bis hin zu einem Überdruck in der Speicherzelle führen kann. Aus Sicherheitsgründen müsste dieser Überdruck dann über ein Überdruckventil entweichen, was die Speicherzelle nicht nur in ihrer Lebensdauer schädigt, sondern unmittelbar zerstört. Aber auch bei anderen Speicherzelltypen, In principle, the device can be represented in any memory cells which are typically connected in series with one another or in blocks in parallel and then in series with one another. In principle, accumulator cells are conceivable, for example, in the case of lithium-ion technology, the exceeding of a predetermined maximum voltage of the single cell has serious disadvantages and can possibly also lead to chemical and / or thermal damage to the memory cell up to an overpressure in the memory cell. For safety reasons, this pressure would have to escape via a pressure relief valve, which not only damages the memory cell in its lifetime, but directly destroyed. But also with other memory cell types,
insbesondere bei Superkondensatoren, hat ein Überschreiten der vorgegebenen Maximalspannung gravierende Nachteile zur Folge und reduziert deren In particular, in supercapacitors, exceeding the predetermined maximum voltage serious disadvantages and reduces their
Lebensdauer deutlich. Lifespan significantly.
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der According to a particularly favorable and advantageous development of
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Speicherzellen zumindest teilweise als Superkondensatoren ausgebildet sind. Device according to the invention, it is provided that the memory cells are at least partially formed as supercapacitors.
Dieser Aufbau der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie This structure of the device for storing electrical energy
ausschließlich oder zumindest teilweise mit Superkondensatoren hat dabei den Vorteil, dass diese gegenüber jeder Form von Akkumulatoren oder Batterien als
Speicherzellen mit deutlich höheren Strömen bei sehr viel geringerem Innenwiderstand geladen werden können. Damit ist beispielsweise das exclusively or at least partially with supercapacitors has the advantage that this over any form of batteries or batteries as Memory cells with significantly higher currents at much lower internal resistance can be charged. This is the example
Einspeichern von sehr großen Mengen an Energie, welche beispielsweise beim Abbremsen eines Nutzfahrzeugs in sehr kurzer Zeit anfällt, mit vergleichsweise geringen Verlusten möglich. Außerdem sind derartige Superkondensatoren in der Anwendung und Wartung weitaus weniger kompliziert als beispielsweise Lithium- Ionen-Batterien, da diese problemlos bis auf 0 Volt entladen werden können und dann spannungsfrei für Wartungszwecke an der Vorrichtung zur Verfügung stehen. Storing very large amounts of energy, which occurs for example when braking a commercial vehicle in a very short time, possible with relatively low losses. In addition, such supercapacitors are much less complicated to use and maintain than, for example, lithium-ion batteries, since they can be discharged to 0 volts without any problem and are then available to the device for maintenance without voltage.
Gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der According to a very favorable and advantageous development of
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass die Schalteinheit, der elektrische Widerstand, der Schalter und die Zeitschalteinheit für jede According to the invention, it is further provided that the switching unit, the electrical resistance, the switch and the timer unit for each
Speicherzeire als eigenständige im Bereich der Speicherzelle angeordnete Elektronikeinheit ausgebildet sind. Speicherzeire are formed as an independent arranged in the region of the memory cell electronic unit.
Dieser rein dezentrale Aufbau bietet die Möglichkeit, einzelne Speicherzellen ab einer vorgegebenen Grenzspannung gezielt über den Widerstand für eine vorgegebene Zeit zu entladen. Er ist dabei vergleichsweise einfach und kompakt aufzubauen. Über einen integrierten Schaltkreis und einen geeigneten Widerstand kann auf einer entsprechenden Platine sehr kleiner Abmessung für jede einzelne Speicherzelle ein entsprechender Aufbau realisiert werden. Dieser kann dann im Bereich der einzelnen Speicherzelle angeordnet werden und funktioniert vollkommen eigenständig. Dadurch, dass für jede einzelne Speicherzelle in der oben beschriebenen Art und Weise reagiert wird, kann die Vorrichtung als Ganzes entsprechend geladen oder entladen werden, ohne dass eine Schädigung, insbesondere eine mehrfach hintereinander auftretende Schädigung der einzelnen Speicherzellen durch eine Überspannung zu befürchten ist. Da ein Lade- und Entladevorgang typischerweise immer auf Basis der Gesamtspannung der Vorrichtung gesteuert wird, stellt sich in der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Laufe der Zeit selbständig ein ausgeglichenes Spannungsniveau zwischen den einzelnen in der Vorrichtung verbauten Speicherzellen ein, ohne dass es hierfür
einer Ansteuerung der einzelnen Speicherzellen von außerhalb der Vorrichtung bedarf. Damit kann der erfindungsgemäße Aufbau der Vorrichtung ohne eine Einzelzellüberwachung, eine Verkabelung jeder einzelnen Speicherzelle und/oder einem komplexen an jede einzelne der Zellen angeschlossenen Datenbus-System auskommen. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist also This purely decentralized structure offers the possibility of discharging individual memory cells over a predetermined threshold voltage over the resistor for a predetermined time. He is doing comparatively easy and compact to build. About an integrated circuit and a suitable resistor can be realized on a corresponding board of very small size for each memory cell, a corresponding structure. This can then be arranged in the area of the individual memory cell and works completely independently. By reacting for each individual memory cell in the manner described above, the device as a whole can be correspondingly charged or discharged without fear of damage, in particular damage to the individual memory cells that occurs several times in succession as a result of an overvoltage. Since a charging and discharging process is typically always controlled on the basis of the total voltage of the device, a balanced voltage level between the individual memory cells installed in the device occurs automatically in the device according to the invention over time, without this being the case requires a control of the individual memory cells from outside the device. Thus, the inventive structure of the device without a single cell monitoring, a cabling of each individual memory cell and / or a complex connected to each of the cells data bus system can get along. The structure of the device according to the invention is therefore
entsprechend einfach. Er kann außerdem mit beliebigen Umrichtern und correspondingly easy. He can also use any inverter and
dergleichen kombiniert werden, da außer dem Laden und Entladen der The same can be combined because besides loading and unloading the
Vorrichtung keine aktive Ansteuerung derselben notwendig ist. Die Device no active control of the same is necessary. The
erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet also autark und lässt sich als The device according to the invention thus operates autonomously and can be described as
standardisiertes Bauteil in verschiedene Antriebsstränge integrieren, ohne zwingend in deren Steuerungselektronik eingebunden zu sein. integrate standardized components in different drive trains, without necessarily being integrated in their control electronics.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen In a particularly advantageous embodiment of the invention
Vorrichtung ist die vorgegebene Zeit in Abhängigkeit der Spannung der jeweiligen Speichersälle veränderbar. Diese Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet die Möglichkeit durch eine Anpassung der vorgegebenen Zeit an jeder der Speicherzellen den Bypass-Strom unterschiedlich lange fließen zu lassen. Die Abhängigkeit kann insbesondere kontinuierlich oder anhand von Stufen Device is the predetermined time in dependence of the voltage of the respective storage cases changeable. This variant of the device according to the invention offers the possibility of allowing the bypass current to flow for different amounts of time by adapting the predetermined time to each of the memory cells. The dependency can in particular be continuous or based on stages
entsprechend der aufgetretenen Überspannung, beispielsweise in der jeweiligen Elektronikeinheit, automatisch eingestellt werden. Damit ergibt sich für jede einzelne Speicherzelle ein entsprechend ihrer Spannung automatisch be adjusted automatically according to the occurred overvoltage, for example in the respective electronics unit. This results automatically for each individual memory cell according to their voltage
veränderbarer Wert für die vorgegebene Zeit. Damit kann der Bypass-Strom entsprechend dieser vorgegebenen Zeit fließen und so durch gezielten Abbau der Überspannung das Überschreiten der Grenzspannung begrenzen. variable value for the given time. Thus, the bypass current can flow according to this predetermined time and thus limit the exceeding of the limit voltage by targeted reduction of the overvoltage.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer derartigen In the inventive method for operating such
Vorrichtung ist es nun vorgesehen, dass die in die Vorrichtung geladene oder aus der Vorrichtung entnommene Energie durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird. Diese Steuerung erfolgt, insbesondere beim Laden, innerhalb vorgegebener Spannungsgrenzen, welche jedoch nicht Spannungsgrenzen für jede der einzelnen Speicherzellen, sondern Spannungsgrenzen der Vorrichtung als Device is now provided that the charged into the device or removed from the device energy is controlled by a control device. This control takes place, in particular during charging, within predefined voltage limits, which, however, do not define voltage limits for each of the individual memory cells, but voltage limits of the device
Ganzes sind. Außerdem wird die Spannung von zumindest einigen Speicherzellen
in der Vorrichtung überwacht. Aus dieser Überwachung ergibt sich eine maximale Abweichung der erfassten Spannungswerte untereinander. Sobald diese maximale Abweichung der erfassten Spannungswerte einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird im nächsten Ladezyklus die vorgegebene obere Spannungsgrenze beim Laden angesteuert oder sogar geringfügig überschritten. Whole are. In addition, the voltage of at least some memory cells monitored in the device. This monitoring results in a maximum deviation of the detected voltage values among one another. As soon as this maximum deviation of the detected voltage values exceeds a predetermined limit value, during the next charging cycle the predetermined upper voltage limit during charging is activated or even slightly exceeded.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt es also durch dieses bewusste Ansteuern der oberen Spannungsgrenze der Vorrichtung als solches sicher zu einem Überschreiten der Grenzspannung von einigen der Speicherzellen, da diese, wenn ein entsprechend große Abweichung zwischen den einzelnen In the method according to the invention, therefore, this intentional activation of the upper voltage limit of the device as such safely leads to an exceeding of the limit voltage of some of the memory cells, since these, if a correspondingly large deviation between the individual
Speicherzellen besteht, bereits auf einem so hohen Spannungsniveau liegen, dass beim Laden die obere Grenzspannung einiger Einzelzellen überschritten wird. Bei dieser oder diesen einzelnen Speicherzellen, welche mit dem Memory cells is already at such a high voltage level that when charging the upper limit voltage of some single cells is exceeded. In this or these individual memory cells, which with the
erfindungsgemäßen Aufbau aus Schalter, Widerstand und Zeitschalteinheit versehen sind, kommt es dann zu einem Ansprechen des Schalters, sodass in dieser Speicherzelle für eine vorgegebene Zeit ein Entladestrom über den parallel zur Speicherzelle angeordneten elektrischen Widerstand fließt. Über das erfindungsgemäße Verfahren kann also bei Kenntnis, dass einige der inventive design of switch, resistor and time switching unit are provided, then it comes to a response of the switch, so that in this memory cell for a predetermined time, a discharge current flows across the parallel to the memory cell arranged electrical resistance. On the basis of the method according to the invention, it can therefore be known that some of the
Speicherzellen sehr stark vom Spannungsniveau anderer Speicherzellen abweichen, bewusst eine Aktivierung der Schalter und der Zeitschalteinheiten der nach oben abweichenden Speicherzellen erreicht werden. Hierfür ist keine Memory cells deviate very much from the voltage level of other memory cells, deliberately activation of the switches and the time switching units of the upwardly diverging memory cells can be achieved. There is no
Einzelzellüberwachung oder keine Ansteuerung der einzelnen Speicherzellen notwendig, sondern es wird lediglich die obere Spannungsgrenze beim Laden der gesamten Vorrichtung angefahren oder geringfügig überschritten. Dadurch, dass nun über die Zeitschalteinheiten für eine gewisse Zeit ein Strom über die parallel zu den kritischen Speicherzellen geschalteten Widerständen fließt, kommt es „automatisch" zu einer Angleichung der Spannungsniveaus der einzelnen miteinander verschalteten Speicherzellen. Single cell monitoring or no control of the individual memory cells necessary, but it is only approached the upper voltage limit when loading the entire device or slightly exceeded. The fact that a current flows over the time switching units for a certain time over the parallel connected to the critical memory cells resistors, it comes "automatically" to an approximation of the voltage levels of the individual interconnected memory cells.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass für die nach einem solchen Ladezyklus, in dem die vorgegebene obere Spannungsgrenze beim Laden angesteuert oder geringfügig
überschritten wurde, für die nachfolgenden Ladezyklen während der durch die Zeitschalteinheit vorgegebenen Zeit die obere Spannungsgrenze nicht mehr angesteuert wird. Dies bedeutet also, dass während der Zeit, in der die Entladung aufgrund der Betätigung der Schalter und dem Geschlossenhalten der Schalter für die durch die Zeitschalteinheit vorgegebene Zeit für diejenigen Zellen erfolgt, welche eine Überspannung erreicht haben, wird die obere Spannungsgrenze zum Laden der gesamten Vorrichtung nicht mehr angefahren. Die Spannung wird also niedriger gehalten, um den einzelnen Speicherzellen der Vorrichtung Zeit zur Nivellierung ihrer Spannungsniveaus zu geben, ohne dies durch ein erneutes Auslösen der Schwellwertschalter zu stören. Dabei ist es sinnvoll die für die gesamte Vorrichtung vorgegebene Spannung geringfügig unter den oberen According to a very advantageous variant of the method according to the invention, it is further provided that for the after such a charging cycle, in which the predetermined upper voltage limit when charging controlled or slightly was exceeded, the upper voltage limit is no longer controlled for the subsequent charging cycles during the time specified by the timer unit time. This means that during the time in which the discharge due to the actuation of the switches and the keep closed the switch for the time specified by the timer unit for those cells which have reached an overvoltage, the upper voltage limit for charging the entire device no longer approached. The voltage is thus kept lower in order to give the individual memory cells of the device time to level their voltage levels without disturbing them by re-triggering the threshold switches. It makes sense for the entire device predetermined voltage slightly below the upper
Grenzwert, beispielsweise auf 80 oder 90 % dieses Grenzwerts für die bekannte, da ja fest vorgegebene Zeit, in welcher die geschlossenen Schalter geschlossen gehalten werden, einzurichten. Die Speicherzellen, welche zuvor eine hohe Limit, for example, to 80 or 90% of this limit for the known, since fixed time, in which the closed switches are kept closed set up. The memory cells, which previously had a high
Spannung erfahren haben, werden somit in ihrer Spannung entsprechend abgesenkt und dem Spannungsniveau der anderen Speicherzellen angepasst. Dadurch werden die betroffenen Speicherzellen bei den darauffolgenden Voltage experienced are thus lowered in voltage accordingly and adapted to the voltage level of the other memory cells. As a result, the affected memory cells in the following
Ladezyklen entsprechend geschont, was sich positiv auf ihre Lebensdauer auswirkt. Charging cycles spared accordingly, which has a positive effect on their lifespan.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Spannung aller Speicherzellen erfasst wird, indem die Speicherzellen zu wenigstens zwei Blöcken zusammengefasst werden, deren Blockspannungen erfasst und dann als Spannungswerte verwendet werden. Mit diesem Aufbau von wenigstens zwei Blöcken, je nach Anzahl der In a particularly favorable embodiment of the method according to the invention, it is provided that the voltage of all memory cells is detected by combining the memory cells into at least two blocks whose block voltages are detected and then used as voltage values. With this construction of at least two blocks, depending on the number of
Speicherzellen typischerweise jedoch auch mehr Blöcken, kann erreicht werden, dass sobald einer der Blöcke gegenüber den anderen einen entsprechenden Spannungsunterschied aufweist, über das oben geschilderte Verfahren eine Nivellierung der Spannungswerte der einzelnen Speicherzellen durch den kommenden Ladezyklus angestoßen wird. Dabei ist die Überwachung von in Blöcken zusammengefassten Speicherzellen, beispielsweise acht bis zwölf der einzelnen Speicherzellen als ein Block, deutlich weniger aufwendig als dies eine
Einzelzellspannungsüberwachung wäre. Anders als bei der oben prinzipiell dargelegten Möglichkeit, nur einzelne der Speicherzellen zu überwachen, kann bei der blockweisen Überwachung außerdem vermieden werden, dass einzelne Zellen, da sie zufällig nicht überwacht werden, eine entsprechende Überspannung haben und geschädigt werden, was wiederum eine Schädigung der gesamten Vorrichtung nach sich ziehen würde. Memory cells but typically also more blocks, it can be achieved that as soon as one of the blocks has a corresponding voltage difference with respect to the others, a leveling of the voltage values of the individual memory cells by the coming charging cycle is initiated via the above-described method. The monitoring of memory cells combined in blocks, for example eight to twelve of the individual memory cells as a block, is considerably less complicated than this Single cell voltage monitoring would be. In contrast to the possibility set out above in principle of monitoring only individual memory cells, in block-by-block monitoring it can also be avoided that individual cells, as they are not monitored by chance, have a corresponding overvoltage and are damaged, which in turn damages the entire system Device would entail.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen In a further very advantageous embodiment of the invention
Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Speicherung von Method is provided that the device for storing
elektrischer Energie als Traktionsenergiespeicher in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug eingesetzt wird. Diese bevorzugte electrical energy is used as traction energy storage in an at least partially electrically powered vehicle. This preferred
Anwendungsform der Vorrichtung und des Verfahrens in einem elektrischen Fahrzeug oder insbesondere einem Hybridfahrzeug, hat dabei den besonderen Vorteil, dass in solchen Anwendungen sehr dynamische Lade- und Entladezyklen auftreten, welche, wie eingangs bereits geschildert, zu einer erheblichen Application form of the device and the method in an electric vehicle or in particular a hybrid vehicle, has the particular advantage that in such applications very dynamic charging and discharging cycles occur, which, as already described, to a considerable
Belastung der einzelnen Speicherzellen der Vorrichtung führen können. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren kann genau dieses verhindert werden, sodass die oben bereits geschilderten Vorteile bei der Anwendung als Traktionsenergiespeicher in einem Can cause stress on the individual memory cells of the device. Due to the inventive structure of the device and the method according to the invention, precisely this can be prevented, so that the advantages already described above when used as traction energy storage in a
Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug besonders vorteilhaft zur Geltung kommen. Electric vehicle or hybrid vehicle are particularly advantageous advantage.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner aus dem Further advantageous embodiments of the device according to the invention and / or the method according to the invention will be apparent from the
Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben ist. Embodiment, which is described below with reference to the figures.
Dabei zeigen: Showing:
Figur 1 einen beispielhaften Aufbau eines Hybridfahrzeugs; und FIG. 1 shows an exemplary construction of a hybrid vehicle; and
Figur 2 einen Ausschnitt aus dem Aufbau der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie.
In Figur 1 ist ein beispielhaftes Hybridfahrzeug 1 angedeutet. Es verfügt über zwei Achsen 2, 3 mit je zwei beispielhaft angedeuteten Rädern 4. Die Achse 3 soll dabei eine angetriebene Achse des Fahrzeugs 1 sein, während die Achse 2 in an sich bekannter Art und Weise lediglich mitläuft. Zum Antrieb der Achse 3 ist beispielhaft ein Getriebe 5 dargestellt, welches die Leistung von einer Figure 2 shows a detail of the structure of the device for storing electrical energy. 1 shows an example of a hybrid vehicle 1 is indicated. It has two axles 2, 3 each with two wheels 4 indicated by way of example. The axle 3 is intended to be a driven axle of the vehicle 1, while the axle 2 merely travels in a manner known per se. To drive the axle 3, a transmission 5 is shown by way of example, which is the power of a
Verbrennungskraftmaschine 6 und einer elektrischen Maschine 7 aufnimmt und in den Bereich der angetriebenen Achse 3 leitet. Im Antriebsfall kann die elektrische Maschine 7 alleine oder ergänzend zur Antriebsleistung der Internal combustion engine 6 and an electric machine 7 receives and directs in the area of the driven axle 3. In the drive case, the electric machine 7 alone or in addition to the drive power of
Verbrennungskraftmaschine 6 Antriebsleistung in den Bereich der angetriebenen Achse 3 leiten und somit das Fahrzeug 1 antreiben beziehungsweise den Antrieb des Fahrzeugs 1 unterstützen. Außerdem kann beim Abbremsen des Fahrzeugs 1 die elektrische Maschine 7 als Generator betrieben werden, um so beim Bremsen anfallende Leistung zurückzugewinnen und entsprechend zu speichern. Um beispielsweise beim Einsatz in einem Stadtbus als Fahrzeug 1 auch für Internal combustion engine 6 drive power in the region of the driven axle 3 and thus drive the vehicle 1 or support the drive of the vehicle 1. In addition, when braking the vehicle 1, the electric machine 7 can be operated as a generator, so as to recover the braking power and store it accordingly. For example, when used in a city bus as a vehicle 1 for
Bremsvorgänge aus höheren Geschwindigkeiten, welche bei einem Stadtbus sicherlich bei maximal ca. 70 km/h liegen werden, einen ausreichenden Braking from higher speeds, which will certainly be at a maximum of about 70 km / h in a city bus, a sufficient
Energieinhalt bereitstellen zu können, muss in diesem Fall eine Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie vorgesehen werden, welche einen To be able to provide energy content in this case, an apparatus 8 for storing electrical energy must be provided which a
Energieinhalt in der Größenordnung von 350 bis 700 Wh aufweist. Damit lassen sich auch Energien, welche beispielsweise bei einem ca. 10 Sekunden langen Bremsvorgang aus einer solchen Geschwindigkeit anfallen, über die elektrische Maschine 7, welche typischerweise eine Größenordnung von ca. 150 kW haben wird, in elektrische Energie umzusetzen und diese in der Vorrichtung 8 zu speichern. Energy content of the order of 350 to 700 Wh has. In this way, it is also possible to convert energies which, for example, originate from such a speed during a braking process of about 10 seconds, into electrical energy via the electric machine 7, which will typically have a magnitude of approximately 150 kW, and these in the device 8 save.
Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 sowie zum Laden und Entladen der Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie weist der Aufbau gemäß Figur 1 einen Umrichter 9 auf, welcher in an sich bekannter Art und Weise mit einer integrierten Steuereinrichtung für das Energiemanagement ausgebildet ist. Über den Umrichter 9 mit der integrierten Steuereinrichtung wird dabei der For driving the electric machine 7 and for charging and discharging the device 8 for storing electrical energy, the structure according to FIG. 1 has an inverter 9, which is designed in a manner known per se with an integrated control device for the energy management. About the inverter 9 with the integrated control device is doing the
Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine 7 und der Vorrichtung 8 zur
Speicherung der elektrischen Energie entsprechend koordiniert. Die Steuereinrichtung sorgt dafür, dass beim Bremsen im Bereich der dann Energy flow between the electric machine 7 and the device 8 for Storage of electrical energy coordinated accordingly. The controller ensures that when braking in the area then
generatorisch angetriebenen elektrischen Maschine 7 anfallende Leistung soweit möglich in die Vorrichtung 8 zur Speicherung der elektrischen Energie as far as possible in the device 8 for storing the electrical energy generated generator-driven electric machine 7
eingespeichert wird, wobei eine vorgegebene obere Spannungsgrenze der Vorrichtung 8 im Allgemeinen nicht überschritten werden darf. Im Antriebsfall koordiniert die Steuereinrichtung im Umrichter 9 die Entnahme von elektrischer Energie aus der Vorrichtung 8, um in diesem umgekehrten Fall die elektrische Maschine 7 mittels dieser entnommenen Leistung anzutreiben. Neben dem hier beschriebenen Hybridfahrzeug 1 , welches beispielsweise ein Stadtbus sein kann, wäre ein vergleichbarer Aufbau selbstverständlich auch in einem reinen is stored, wherein a predetermined upper voltage limit of the device 8 may generally not be exceeded. In the drive case, the control device in the inverter 9 coordinates the removal of electrical energy from the device 8 in order to drive the electric machine 7 by means of this extracted power in this reverse case. In addition to the hybrid vehicle 1 described here, which may be for example a city bus, a comparable structure would of course also be in a pure
Elektrofahrzeug denkbar. Electric vehicle conceivable.
Die Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie kann dabei in vielfältiger Art und Weise aufgebaut sein. Prinzipiell sind verschiedene Arten der Vorrichtung 8zur Speicherung von elektrischer Energie denkbar. Typischerweise wird diese so aufgebaut sein, dass eine Vielzahl von Speicherzellen 10 The device 8 for storing electrical energy can be constructed in a variety of ways. In principle, various types of device 8 for storing electrical energy are conceivable. Typically, this will be constructed so that a plurality of memory cells 10
typischerweise in Reihe in der Vorrichtung 8 verschaltet sind. Diese are typically connected in series in the device 8. These
Speicherzellen 10, welche in Figur 2 zu erkennen sind, können dabei Memory cells 10, which can be seen in FIG. 2, can thereby
Akkumulatorzellen und/oder Superkondensatoren sein, oder auch eine beliebige Kombination hiervon. Für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel sollen die Speicherzellen 10 allesamt als Superkondensatoren ausgebildet sein, welche in einer einzigen Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie in dem mit dem Hybridantrieb ausgerüsteten Fahrzeug 1 eingesetzt werden sollen. Der Aufbau kann dabei bevorzugt in einem Nutzfahrzeug, beispielsweise einem Omnibus für den StadWNahverkehr, eingesetzt werden. Hierbei wird durch häufige Anfahr- und Bremsmanöver in Verbindung mit einer sehr hohen Accumulator cells and / or supercapacitors, or any combination thereof. For the embodiment shown here, the memory cells 10 should all be designed as supercapacitors, which are to be used in a single device 8 for storing electrical energy in the vehicle 1 equipped with the hybrid drive. The structure can preferably be used in a commercial vehicle, such as a bus for Stadtwnahverkehr. This is due to frequent starting and braking maneuvers in conjunction with a very high
Fahrzeugmasse eine besonders hohe Effizienz der Speicherung der elektrischen Energie durch die Superkondensatoren erreicht, da vergleichsweise hohe Ströme fließen. Da Superkondensatoren als Speicherzellen 10 einen sehr viel geringeren Innenwiderstand aufweisen als beispielsweise Akkumulatorzellen, sind diese für das hier näher beschriebene Ausführungsbeispiel zu bevorzugen.
Wie bereits erwähnt, sind in der Figur 2 die Speicherzellen 10 zu erkennen. Dabei sind lediglich drei der in Reihe geschalteten Speicherzellen 10 dargestellt. Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel und einer entsprechenden elektrischen Antriebsleistung von ca. 100 bis 200 kW, beispielsweise 12O kW, wären dies in einem realistischen Aufbau ca. 150 bis 250 Speicherzellen 10. Wenn diese als Superkondensatoren mit einer derzeitigen oberen Spannungsgrenze von ca. 2,7 V je Superkondensator und einer Kapazität von 3000 Farad ausgebildet sind, wäre eine realistische Anwendung für den Hybridantrieb eines Stadtomnibusses gegeben. Vehicle mass achieved a particularly high efficiency of storage of electrical energy through the supercapacitors, since comparatively high currents flow. Since supercapacitors as memory cells 10 have a much lower internal resistance than, for example, accumulator cells, they are to be preferred for the exemplary embodiment described in more detail here. As already mentioned, the memory cells 10 can be seen in FIG. Only three of the series-connected memory cells 10 are shown. In the above embodiment and a corresponding electrical drive power of about 100 to 200 kW, for example, 12O kW, this would be in a realistic design about 150 to 250 memory cells 10. If these as supercapacitors with a current upper voltage limit of about 2, 7 V per supercapacitor and a capacity of 3000 Farad are formed, would be a realistic application for the hybrid drive of a city bus is given.
Problematisch beim Einsatz von derartigen Speicherzellen 10 in der Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie ist es nun, dass, wie eingangs erwähnt, insbesondere aufgrund von Fertigungstoleranzen, einzelne Speicherzellen 10 in ihrem Spannungsniveau von einem mittleren Spannungsniveau der Vorrichtung 8 und gegenüber der Spannung von anderen Speicherzellen 10 abweichen können. Daher kann es nun dazu kommen, dass trotz der für die Vorrichtung 8 als Ganzes vorgegebenen Ladespannung im Bereich eben dieser in der Spannung nach oben gegenüber den anderen Speicherzellen 10 abweichenden Speicherzellen 10 die für den jeweiligen Typ der Speicherzellen 10 vorgegebene Grenzspannung überschritten wird. Besonders nachteilig ist es dabei, wenn einzelne der The problem with the use of such memory cells 10 in the device 8 for storing electrical energy, it is now that, as mentioned above, in particular due to manufacturing tolerances, individual memory cells 10 in their voltage level of a mean voltage level of the device 8 and against the voltage of others Memory cells 10 may differ. Therefore, in spite of the charging voltage predetermined as a whole for the device 8, in the region of precisely this voltage cell 10, which deviates upward in voltage versus the other memory cells 10, the limit voltage predetermined for the respective type of memory cells 10 is exceeded. It is particularly disadvantageous if individual of the
Speicherzellen 10 eine maximal vorgegebene Spannung, im oben genannten Beispiel die 2,7 V je einzelnem Superkondensator, vergleichsweise häufig überschreiten. Jedes Überschreiten dieser Grenzspannung verringert die zu erzielende Lebensdauer der einzelnen Speicherzelle 10 deutlich. Eine reduzierte Lebensdauer der einzelnen Speicherzellen 10 führt nach einer gewissen Memory cells 10 exceed a maximum predetermined voltage, in the above example, the 2.7 V per single supercapacitor, comparatively often. Each exceeding of this limit voltage significantly reduces the lifetime of the individual memory cell 10 to be achieved. A reduced lifetime of the individual memory cells 10 leads after a certain
Betriebszeit zu einem Ausfall der entsprechenden Speicherzelle 10, was dann, zumindest mittelfristig, zu einem Ausfall der gesamten Vorrichtung 8 zur Operating time to a failure of the corresponding memory cell 10, which then, at least in the medium term, to a failure of the entire device 8 for
Speicherung von elektrischer Energie führen wird. Daher gilt es zur Erzielung einer hohen Lebensdauer, insbesondere bei den sehr dynamischen Lade- und Entladezyklen, wie sie bei einem Stadtomnibus auftreten, nach Möglichkeit zu
verhindern, dass die einzelnen Speicherzellen 10 diese obere Grenzspannung häufig oder zumindest häufig hintereinander überschreiten. Storage of electrical energy will result. Therefore, it is necessary to achieve a long service life, especially in the very dynamic charging and discharging cycles, as they occur in a city bus, if possible prevent the individual memory cells 10 from exceeding this upper limit voltage frequently or at least frequently in succession.
Wie in Figur 2 dargestellt, weist jede einzelne der Speicherzellen 10 dazu einen parallel zu der jeweiligen Speicherzelle 10 geschalteten elektrischen, ohmschen Widerstand 11 auf. Dieser ist in Reihe mit einem Schalter 12 parallel zu jeder der Speicherzellen 10, in diesem Fall parallel zu jedem der Superkondensatoren 10 geschaltet. Der Schalter 12 ist als Schwellwertschalter ausgebildet und wird über eine entsprechende Schalteinheit 13 gesteuert, welche im Wesentlichen zwei Funktionalitäten beinhaltet. So umfasst die Schalteinheit 13 eine As shown in FIG. 2, each individual one of the memory cells 10 has an electrical, ohmic resistor 11 connected in parallel with the respective memory cell 10. This is connected in series with a switch 12 in parallel with each of the memory cells 10, in this case in parallel with each of the supercapacitors 10. The switch 12 is designed as a threshold value switch and is controlled by a corresponding switching unit 13, which essentially contains two functionalities. Thus, the switching unit 13 comprises a
Spannungsüberwachung U des Superkondensators 10. Sobald dieser eine obere Grenzspannung übersteigt, wird der Schalter 12 geschlossen, sodass über den Widerstand 11 ein Strom aus dem Superkondensator 10 fließen kann. Damit wird die in ihm befindliche Ladung und somit auch die Spannung entsprechend verringert, sodass ein erneutes Überschreiten des Grenzspan nungswerts beim selben Superkondensator 10 wie zuvor, vermieden wird. Voltage monitoring U of the supercapacitor 10. As soon as it exceeds an upper limit voltage, the switch 12 is closed so that a current can flow from the supercapacitor 10 via the resistor 11. Thus, the charge in it and thus also the voltage is reduced accordingly, so that a renewed exceeding of the Grenzspan voltage value in the same supercapacitor 10 as before, is avoided.
Um nun zu verhindern, dass, sobald die Spannung unter den In order to prevent now, as soon as the voltage under the
Grenzspannungswert abfällt, der Schalter 12 wieder geöffnet wird und somit eine sehr hohe Spannung in dem jeweiligen Superkondensator 10 verbleibt, ist außerdem eine Zeitschalteinheit T vorgesehen. Bei einer reinen Schaltung über die Spannungserfassung U der Schalteinheit 13 würde der Schalter 12 nach dem Unterschreiten der Grenzspannung wieder geöffnet. Der Superkondensator 10 wäre dann weiterhin auf einem sehr hohen Spannungsniveau. Kommt es nun zu einem erneuten Laden der Vorrichtung 8, würde genau dieser Superkondensator 10 sofort wieder über die Spannungsgrenze hinaus geladen werden, was dann zu einem erneuten Schließen des Schalters 12 führt. Durch die Integration der Zeitschaltfunktion T, welche den Schalter 12, nachdem dieser einmal über die Spannungserfassung U geschlossen wurde, für eine vorgegebene Zeit Limit voltage value drops, the switch 12 is opened again and thus a very high voltage in the respective supercapacitor 10 remains, a time switching unit T is also provided. In a pure circuit via the voltage detection U of the switching unit 13, the switch 12 would be opened again after falling below the limit voltage. The supercapacitor 10 would then continue to be at a very high voltage level. If the device 8 is charged again, precisely this supercapacitor 10 would immediately be charged again beyond the voltage limit, which then leads to a renewed closing of the switch 12. By the integration of the timer function T, which the switch 12, once it has been closed via the voltage detection U, for a predetermined time
geschlossen hält, wird mehr Ladung aus dem Superkondensator 10 abgebaut, als ohne die Zeitschalteinheit T. Dadurch wird die Spannung in dem holds closed, more charge from the supercapacitor 10 is degraded, as without the timer unit T. Thus, the voltage in the
Superkondensator 4 so weit verringert, dass diese nach einem Entladen,
beispielsweise durch ein Anfahren des Fahrzeugs 1 und einem danach Supercapacitor 4 reduced so that this after a discharge, for example, by a start of the vehicle 1 and a thereafter
erfolgenden erneuten Laden der Vorrichtung 8 bei einem Abbremsen nicht wieder über die obere Grenzspannung gelangt. Allenfalls werden jetzt andere re-loading the device 8 does not return to above the upper limit voltage during braking. At best, others are now
Superkondensatoren 10 in einem entsprechend hohen Spannungsbereich liegen und die soeben beschriebene Prozedur ihrerseits erfahren. Insgesamt kommt es damit durch die Integration der Zeitschaltfunktion T über die Betriebszeit hinweg zu einer raschen Vergleichmäßigung der Spannungen der einzelnen Supercapacitors 10 are in a correspondingly high voltage range and learn the procedure just described in turn. Overall, it comes with the integration of the time switching function T over the operating time away to a rapid equalization of the voltages of the individual
Superkondensatoren 10 der Vorrichtung 8. Supercapacitors 10 of the device 8.
Die Zeitschalteinheit T kann dabei insbesondere so ausgebildet sein, dass eine feste Zeit von beispielsweise einigen Minuten vorgegeben ist. Zusammen mit der Größe der jeweiligen einzelnen Speicherzelle 10 und dem Wert des elektrischen Widerstands 11 ergibt sich so eine entsprechende Entladung. Dabei sind The time switching unit T can be designed in particular so that a fixed time of, for example, a few minutes is given. Together with the size of the respective individual memory cell 10 and the value of the electrical resistance 11, this results in a corresponding discharge. There are
Entladungen in der Größenordnung von 3 - 5 % der Nennladung des Discharges of the order of 3 - 5% of the nominal charge of the
entsprechenden Superkondensators 10 sinnvoll. Beim erneuten Laden wird dann erreicht, dass dieser Superkondensator 10 nicht wieder die vorgegebene appropriate supercapacitor 10 makes sense. When reloading is then achieved that this supercapacitor 10 is not the default again
Grenzspannung überschreitet. Dadurch, dass zumindest verhindert wird, dass einer der Superkondensatoren 10 in sehr schnellem Wechsel nacheinander die Grenzspannung mehrfach überschreitet, wird bereits eine deutliche Zunahme der Lebensdauer der Superkondensatoren 10 und damit der Vorrichtung 8 erzielt. Greift man das oben genannte Zahlenbeispiel nochmals auf, so würde sich bei einem Ableitstrom von 1 A die Spannung des entsprechenden Superkondensators in fünf Minuten um ca. 0,1 V gesenkt haben. Bei einem Ableitstrom von 250 mA dementsprechend in ca. 20 Minuten. Je nach Größe der Speicherzelle 10 und dem möglichen Ableitstrom, welcher über den Widerstand 11 geleitet werden kann, ergibt sich so eine Zeitspanne von ca. 5 bis 20 Minuten, über denen über die Zeitschalteinheit T der Schalter 12 geschlossen gehalten wird. Bei anderen Größenordnungen der Widerstände, der Ströme und der eingesetzten Exceeds limit voltage. As a result of at least preventing one of the supercapacitors 10 from repeatedly exceeding the limiting voltage several times in a very rapid change, a significant increase in the life of the supercapacitors 10 and thus of the device 8 is already achieved. If the above-mentioned numerical example is repeated, the voltage of the corresponding supercapacitor would have decreased by about 0.1 V in five minutes at a leakage current of 1 A. In a leakage current of 250 mA accordingly in about 20 minutes. Depending on the size of the memory cell 10 and the possible leakage current, which can be passed through the resistor 11, this results in a period of about 5 to 20 minutes, over which the switch 12 is kept closed via the time switching unit T. At other magnitudes of the resistors, the currents and the used
Speicherzellen 10 kann dieser Wert selbstverständlich analog angepasst sein. Memory cells 10, this value can of course be adapted analogously.
Die so aufgebaute Vorrichtung 8 zur Speicherung von elektrischer Energie kann also auch bei hochdynamischen Lade- und Entladezyklen eingesetzt werden,
ohne dass die Lebensdauer der Speicherzellen 10 durch unnötig hohe Spannungen im Bereich der Speicherelemente 10 entsprechend verringert wird. The thus constructed device 8 for storing electrical energy can therefore also be used in highly dynamic charging and discharging cycles, without the service life of the memory cells 10 being correspondingly reduced by unnecessarily high voltages in the region of the memory elements 10.
Dabei kann der Aufbau der Schalteinheit 13, des elektrischen Widerstands 11 , des Schalters 12 und der Zeitschalteinheit T als integrierte Elektronikeinheit 14 so realisiert werden, dass dieser für jede einzelne der Speicherzellen 10 eigenständig aufgebaut wird. Hierfür reicht im Allgemeinen eine kleine integrierte Schaltung aus, welche die Spannung U in der Speicherzelle 10 entsprechend überwacht und den Schalter 12, welcher beispielsweise als elektronischer Schalter 12 in das Bauteil integriert ausgeführt ist, entsprechend betätigt. Der Widerstand 11 kann dann auf diese Mini-Platine in an sich bekannter Art und Weise aufgesetzt werden. Da die Zeitschalteinheit T typischerweise immer eine vorgegebene Zeit lang den Schalter 12 geschlossen hält, nachdem dieser aufgrund der Spannung U aktiviert wurde, kann auch diese Zeit fest in der Zeitschalteinheit T beziehungsweise der integrierten Elektronikeinheit 14 mit integriert sein. Dies kann beispielsweise durch die Programmierung einer fest vorgegebenen Zeit in einer integrierten Schaltung ausgeführt sein. Es wäre auch denkbar, dies schaltungstechnisch dadurch zu lösen, dass in der Elektronikeinheit 14 über ein geeignetes Bauelement, In this case, the structure of the switching unit 13, the electrical resistance 11, the switch 12 and the time switching unit T can be realized as an integrated electronic unit 14 so that it is constructed independently for each of the memory cells 10. For this purpose, a small integrated circuit is generally sufficient, which monitors the voltage U in the memory cell 10 accordingly and actuates the switch 12, which is integrated, for example, as an electronic switch 12 into the component. The resistor 11 can then be placed on this mini-board in a conventional manner. Since the time switching unit T typically keeps the switch 12 closed for a predetermined time after it has been activated due to the voltage U, this time can also be permanently integrated in the time switching unit T or the integrated electronic unit 14. This can be done for example by programming a fixed time in an integrated circuit. It would also be conceivable to solve this by circuitry in that in the electronics unit 14 via a suitable component,
insbesondere einen Kondensator, an einem Ausgang der Schalteinheit 13 diese Zeit fest vorgegeben wird. Der Aufbau kann somit sehr einfach realisiert werden, da keinerlei Ansteuerung der Elektronikeinheit 14 von außerhalb der Vorrichtung 8 notwendig ist. Die Vorrichtung 8 wird vielmehr selbsttätig für einen In particular, a capacitor at an output of the switching unit 13 this time is fixed. The structure can thus be realized very easily, since no activation of the electronic unit 14 from outside the device 8 is necessary. The device 8 is rather automatically for a
Zellspannungsausgleich, welcher auch hochdynamische Lade- und Entladezyklen ermöglicht, sorgen. Dieser Aufbau mit dezentralen Elektronikeinheiten 14 ist dabei sehr einfach und kann vollkommen autark realisiert werden. Eine Ansteuerung der Vorrichtung 8 ist dann lediglich als Ganzes notwendig, beispielsweise beim Cell voltage compensation, which also allows highly dynamic charging and discharging ensure. This structure with decentralized electronic units 14 is very simple and can be realized completely self-sufficient. An activation of the device 8 is then only necessary as a whole, for example during
Entladen und insbesondere beim Laden innerhalb eines vorgegebenen Discharging and especially when loading within a given
Spannungsfensters. Voltage window.
In einer sehr günstigen Variante kann es jedoch vorgesehen sein, dass die In a very favorable variant, however, it may be provided that the
Spannung von einigen der Speicherzellen 10, insbesondere von mehreren jeweils zu Blöcken verschalteten Speicherzellen 10, erfasst wird. Dieser Spannungswert
aus dem Inneren der Vorrichtung 8 kann dann beispielsweise der Steuereinrichtung in dem Umrichter 9 zur Verfügung gestellt werden. Dort werden die Spannungen untereinander verglichen. Stellt man fest, dass eine sehr starke Abweichung der Spannungswerte der einzelnen Speicherzellen beziehungsweise -zellblöcke auftritt, so muss man davon ausgehen, dass einige der Speicherzellen 10 beziehungsweise der Blöcke an Speicherzellen 10 in naher Zukunft über die Grenzspannung kommt. Man kann dies nun aktiv auslösen, indem beim nächsten Ladezyklus über die Steuereinrichtung in dem Umrichter 9 die Vorrichtung 8 mit einer Spannung geladen wird, welche an der oberen Grenze oder geringfügig oberhalb der typischerweise zum Laden vorgegebenen oberen Spannung liegt. Damit kann bewusst ein minimales Überschreiten der Grenzspannung bei den sehr stark nach oben abweichenden Speicherzellen 10 ausgelöst werden. Voltage of some of the memory cells 10, in particular of a plurality of each connected to blocks memory cells 10, is detected. This voltage value from the interior of the device 8 then, for example, the control device in the inverter 9 can be made available. There the tensions between each other are compared. If one notes that a very large deviation of the voltage values of the individual memory cells or cell blocks occurs, it must be assumed that some of the memory cells 10 or the blocks of memory cells 10 will come across the limiting voltage in the near future. This can now be actively triggered by charging the device 8 at the next charging cycle via the control device in the converter 9 with a voltage which is at the upper limit or slightly above the upper voltage typically specified for charging. In this way, it is possible to consciously initiate a minimum exceeding of the threshold voltage in the memory cells 10 which deviate very much upwards.
Aufgrund der integrierten Elektronikeinheit 14 mit der Zeitschalteinheit T kann dann durch dieses geringfügige Überschreiten der Grenzspannung eine Due to the integrated electronic unit 14 with the time switching unit T can then by this slight exceeding of the threshold voltage a
Nivellierung der Spannungen innerhalb der Vorrichtung 8 zwischen den einzelnen Speicherzellen 10 von außerhalb der Vorrichtung 8 ausgelöst werden, ohne dass hierfür eine gezielte Ansteuerung von Einzelzellen oder Blöcken von Einzelzellen innerhalb der Vorrichtung 8 notwendig wäre. Leveling of the voltages within the device 8 between the individual memory cells 10 are triggered from outside the device 8, without the need for a targeted control of single cells or blocks of single cells within the device 8 would be necessary.
Dies gilt für Akkumulatorzellen, insbesondere Akkumulatorzellen in Lithium-Ionen- Technologie entsprechend. This applies accordingly to accumulator cells, in particular accumulator cells in lithium-ion technology.
Das bisher anhand der Superkondensatoren 10 in der Vorrichtung 8 The hitherto based on the supercapacitors 10 in the device. 8
vergleichsweise allgemein beschriebene Ausführungsbeispiel soll nun Comparatively generally described embodiment will now be
nachfolgend anhand eines Zahlenbeispiels nochmals konkretisiert werden, wobei darauf hingewiesen werden soll, dass die Werte sehr konkret für das hier dargestellte Zahlenbeispiel gelten und bei verschiedenen Kapazitäten oder zukünftigen Entwicklungen hinsichtlich der Maximalspannungen von It should be pointed out that the values apply very concretely for the numerical example presented here and for different capacities or future developments with regard to the maximum stresses of
Superkondensatoren analog angepasst werden müssen.
Supercapacitors must be adjusted analogously.
Claims
1. Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie mit 1. Device for storing electrical energy with
1.1 mehreren Speicherzellen; 1.1 multiple memory cells;
1.2 je einem elektrischen Widerstand parallel zu jeder der Speicherzellen; 1.2 each one electrical resistance parallel to each of the memory cells;
1.3 je einem Schalter in Reihe zu dem elektrischen Widerstand und parallel zu der Speicherzelle; uηd 1.3 each a switch in series with the electrical resistance and parallel to the memory cell; uηd
1.4 wenigstens einer Schalteinheit, welche jeden der Schalter schließt, sobald die parallel zu diesem Schalter befindliche Speicherzelle eine vorgegebene Spannung überschreitet; 1.4 at least one switching unit which closes each of the switches as soon as the memory cell located parallel to this switch exceeds a predetermined voltage;
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
1.5 wenigstens eine Zeitschalteinheit (T) vorgesehen ist, welche jeden 1.5 at least one time switching unit (T) is provided, which each
geschlossenen Schalter (12) nach dem Schließen für eine vorgegebene Zeit geschlossen hält. closed switch (12) keeps closed after closing for a predetermined time.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the
Speicherzellen (10) zumindest teilweise als Superkondensatoren ausgebildet sind. Memory cells (10) are at least partially formed as supercapacitors.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (10) zumindest teilweise als Akkumulatorzellen, 3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the memory cells (10) at least partially as accumulator cells,
insbesondere in Lithium-Ionen-Technologie, ausgebildet sind. especially in lithium-ion technology, are formed.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (13), der elektrische Widerstand (11), der Schalter (12) und die Zeitschalteinheit (T) für jede Speicherzelle (10) als eigenständige im Bereich der Speicherzelle (10) angeordnete Elektronikeinheit (14) ausgebildet sind. 4. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the switching unit (13), the electrical resistance (11), the switch (12) and the time switching unit (T) for each memory cell (10) as independent in the field of Memory cell (10) arranged electronic unit (14) are formed.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die 5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the
vorgegebene Zeit im Bereich der Elektronikeinheit (14) über ein geeignetes Bauelement, insbesondere einen Kondensator, fest vorgegeben ist.
predetermined time in the region of the electronic unit (14) via a suitable component, in particular a capacitor, is fixed.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit in Abhängigkeit der Spannung der jeweiligen Speicherzelle (10) veränderbar ist. 6. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the predetermined time in dependence of the voltage of the respective memory cell (10) is variable.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Speicherzellen (10) vom selben Typ ausgebildet und in Reihe zueinander verschaltet sind. 7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that all memory cells (10) of the same type are formed and interconnected in series.
8. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 8. A method of operating a device according to one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
8.1 die in die Vorrichtung (8) geladene und aus der Vorrichtung (8) 8.1 loaded in the device (8) and out of the device (8)
entnommene Energie durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird; wobei extracted energy is controlled by a control device; in which
8.2 die Steuereinrichtung, insbesondere beim Laden, die Vorrichtung (8) 8.2 the control device, in particular when loading, the device (8)
innerhalb vorgegebener Spannungsgrenzen lädt oder entlädt; wobei loads or discharges within specified voltage limits; in which
8.3 die Spannung zumindest einiger Speicherzellen (10) erfasst wird, woraus eine maximale Abweichung der erfassten Spannungswerte untereinander ermittelt wird; wonach 8.3 the voltage of at least some memory cells (10) is detected, from which a maximum deviation of the detected voltage values with one another is determined; which
8.4 im nächsten Ladezyklus die vorgegebene obere Spannungsgrenze beim Laden angesteuert oder geringfügig überschritten wird, wenn die maximale Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. 8.4 in the next charging cycle, the predetermined upper voltage limit is activated during charging or slightly exceeded when the maximum deviation exceeds a predetermined limit value.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die nach einem solchen Ladezyklus, in dem die vorgegebene obere 9. The method according to claim 8, characterized in that for the after such a charging cycle, in which the predetermined upper
Spannungsgrenze beim Laden angesteuert oder geringfügig überschritten wurde, für die nachfolgenden Ladezyklen während der durch die Voltage limit was activated during charging or slightly exceeded, for the subsequent charging cycles during by the
Zeitschalteinheit (T) vorgegebenen Zeit die obere Spannungsgrenze nicht mehr angesteuert wird. Time switching unit (T) predetermined time, the upper voltage limit is no longer activated.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die 10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the
Spannung aller Speicherzellen (10) erfasst wird, indem die Speicherzellen
(10) zu wenigstens zwei Blöcken zusammengefasst werden, deren Voltage of all memory cells (10) is detected by the memory cells (10) are combined to form at least two blocks whose
Blockspannungen erfasst und dann als Spannungswerte verwendet werden. Block voltages detected and then used as voltage values.
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (8) zur Speicherung von elektrischer Energie als 11. The method according to claim 8, 9 or 10, characterized in that the device (8) for storing electrical energy as
Traktionsenergiespeicher in einem zumindest teilweise elektrisch Traction energy storage in an at least partially electric
angetriebenen Fahrzeug eingesetzt wird. driven vehicle is used.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass als Steuereinrichtung ein Umrichter (9) oder eine in einen Umrichter (9) integrierte Steuerung eingesetzt wird. 12. The method according to any one of claims 8 to 11, characterized in that as controller a converter (9) or in a converter (9) integrated control is used.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden durch Rekuperation von Bremsenergie über eine dann als Generator genutzte elektrische Antriebsmaschine (7) erfolgt. 13. The apparatus of claim 11 or 12, characterized in that the loading by recuperation of braking energy via a then used as a generator electric drive machine (7).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Fahrzeug (1 ) ein Nutzfahrzeug, insbesondere ein Omnibus im Stadt-/Nahverkehr, genutzt wird.
14. The method according to any one of claims 8 to 13, characterized in that as a vehicle (1) a commercial vehicle, in particular a bus in city / local traffic, is used.
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