CHRIST, Thomas (3308 Paramount Lu, Anburn Hills, Hills, US)
SCHARNER, Sebastian (Waldstrasse 18, Geltendorf, 82269, DE)
FRÖSCHL, Joachim (Zur Weihersenke 39, Herrsching, 82211, DE)
CHRIST, Thomas (3308 Paramount Lu, Anburn Hills, Hills, US)
SCHARNER, Sebastian (Waldstrasse 18, Geltendorf, 82269, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zur Lebensdauerverlängerung eines wiederaufladbaren Energiespeichers zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, wie insbesondere ein Doppelschichtkondensator, ein Li-Ion-Speicher, ein Li-Ion-Kondensator oder ein NiMH-Speicher, der mehrere Speicherzellen aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Messen der Temperatur jeder der Speicherzellen,
- überschreitet die Temperatur einer Speicherzelle einen Referenzwert für die Temperatur der Speicherzelle, wird die Speicherzelle teilweise entladen und dadurch deren Spannung reduziert.
2. Verfahren zur Lebensdauerverlängerung eines wiederaufladbaren Energiespeichers, insbesondere nach Anspruch 1 , wie insbesondere ein Doppelschichtkondensator, ein Lilon-Speicher, ein Li-Ion-Kondensator oder ein NiMH-Speicher, der mehrere Speicherzellen aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Messen der Kapazität jeder der Speicherzellen,
- unterschreitet die Kapazität einer Speicherzelle einen Referenzwert für die Kapazität der Speicherzelle, wird die Speicherzelle teilweise entladen und dadurch deren Spannung reduziert.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere diejenige Speicherzelle der Speicherzellen teilweise entladen wird, deren Temperatur am höchsten von allen Speicherzellen ist.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere diejenige Speicherzelle der Speicherzellen teilweise entladen wird, deren Kapazität am geringsten von allen Speicherzellen ist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen, die minimal und/oder die maximal an derjenigen Speicherzelle auftreten können, deren Temperatur zu hoch und/oder deren Kapazität zu niedrig ist, vorgegeben werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene minimale Spannung und/oder die vorgegebene maximale Spannung der betreffenden Speicherzelle von den Spannungen abweichen, die einer anderen Speicherzelle, die weder eine zu hohe Temperatur noch eine zu geringe Kapazität hat, vorgegeben werden.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder der Speicherzellen eine Entladungs-Einrichtung vorgesehen ist, insbesondere für eine Entladung gegen Masse, die die aktuelle elektrische Spannung sowie die minimale und die maximale Spannung während des Betriebs der Speicherzelle bestimmt.
8. System zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ausführt. |
Verfahren zur Lebensdauerverlängerung eines wiederaufladbaren Energiespeichers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lebensdauerverlängerung eines wiederaufladbaren Energiespeichers, wie insbesondere ein Doppelschichtkondensator, ein Li-Ion-Speicher, ein Li-Ion-Kondensator oder ein NiMH-Speicher, der mehrere Speicherzellen aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wiederaufladbare Energiespeicher, wie insbesondere Doppelschichtkondensatoren, Li-Ion-Speicher, Li-Ion-Kondensatoren und NiMH-Speicher, weisen in der Regel mehrere in Reihe geschaltete Speicherzellen auf. Aufgrund von Herstellungsschwankungen streuen deren physikalische Eigenschaften, was u.a. Auswirkungen auf deren Lebensdauer hat. So variieren an sich gleiche Speicherzellen beispielsweise im Hinblick auf ihre Speicherkapazität und ihren Innenwiderstand. Dies führt zu unterschiedlichen Erwärmungen bei gleicher Belastung. Es ist bekannt, dass die Lebensdauer einer Speicherzelle mit zunehmender Zellenspannung und zunehmender Temperatur jeweils abnimmt.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe von Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer eines wiederaufladbaren Energiespeichers.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen sowie durch deren Kombination gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein wesentlicher erster Aspekt der Erfindung besteht in dem Messen der Temperatur jeder der Speicherzellen. Falls die Temperatur einer Speicherzelle eine Referenztemperatur überschreitet, wird die Spannung der Speicherzelle durch eine gezielte geringfügige Entladung dieser Speicherzelle reduziert. Durch die gezielte Reduzierung der Spannung der Speicherzelle wird die durchschnittliche Lebensdauer der betreffenden Speicherzelle erhöht und der Reduzierung der durchschnittlichen Lebensdauer der Speicherzelle infolge von deren höherer
Temperatur begegnet. Vorzugsweise wird die Spannung der betreffenden Speicherzelle gerade soweit reduziert, dass die damit einhergehende Verlängerung der Lebensdauer die Reduzierung der Lebensdauer infolge erhöhter Temperatur weitgehend kompensiert.
Ein wesentlicher zweiter Aspekt der Erfindung besteht in dem Messen der Kapazität jeder der Speicherzellen. Falls die Kapazität einer Speicherzelle einen Referenzwert für die Kapazität unterschreitet, wird die Spannung der Speicherzelle durch eine gezielte geringfügige Entladung dieser Speicherzelle reduziert. Durch die gezielte Reduzierung der Spannung der Speicherzelle wird die durchschnittliche Lebensdauer der betreffenden Speicherzelle erhöht und der Reduzierung der durchschnittlichen Lebensdauer der Speicherzelle infolge von deren geringerer Kapazität begegnet. Vorzugsweise wird die Spannung der betreffenden Speicherzelle gerade soweit reduziert, dass die damit einhergehende Verlängerung der Lebensdauer die Reduzierung der Lebensdauer infolge zu geringer Kapazität weitgehend kompensiert.
Es versteht sich, dass mehrere Speicherzellen zu einem Speichermodul zusammengeschaltet sein können, wobei dann mehrere Speichermodule den wiederaufladbaren Energiespeicher bilden. Ggf. kann es zweckmäßig sein, die erfindungsgemäßen Maßnahmen jeweils an den Speichermodulen und nicht an jeder Speicherzelle vorzunehmen.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen, für sich oder in Kombination, lässt sich die Lebensdauer des wiederaufladbaren Energiespeichers deutlich erhöhen. Die Lebensdauer von in Serie geschalteten Speicherzellen ist durch diejenige Speicherzelle bestimmt, deren Lebensdauer am kürzesten ist. Die Lebensdauer des Energiespeichers lässt sich damit am wirkungsvollsten dadurch verlängern, indem die an sich verkürzte Lebensdauer dieser Speicherzelle im Falle einer zu hohen Betriebstemperatur und/oder im Falle einer zu geringen Kapazität durch die Reduzierung der Betriebsspannung der Speicherzelle erhöht wird.
Von besonderem Vorteil ist, dass auch der Alterung der Speicherzellen durch die Erfindung begegnet wird. Infolge Alterung im jahrelangen Betrieb kann der
Innenwiderstand einzelner Speicherzellen signifikant ansteigen und/oder deren Kapazität deutlich absinken, wodurch die Betriebstemperatur ansteigt. Ohne Gegenmaßnahmen beschleunigt sich die Alterung dieser Speicherzellen sogar und es kommt zum Totalausfall des wiederaufladbaren Energiespeichers, falls die betreffende Speicherzelle, die Teil einer Serienschaltung ist, ausfällt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass insbesondere diejenige Speicherzelle der Speicherzellen teilweise entladen wird, deren Temperatur am höchsten von allen Speicherzellen ist. Ergänzend oder alternativ ist vorgesehen, dass insbesondere diejenige Speicherzelle der Speicherzellen teilweise entladen wird, deren Kapazität am geringsten von allen Speicherzellen ist. Hierdurch wird ein selektiver Eingriff beim Hauptverursacher oder bei den Hauptverursachern einer Lebensdauerverkürzung ermöglicht.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spannungen, die minimal und/oder die maximal an derjenigen Speicherzelle auftreten können, deren Temperatur zu hoch und/oder deren Kapazität zu niedrig ist, vorgegeben werden. Hierdurch kann einer zusätzlichen Gefährdung der betroffenen Speicherzelle infolge einer für die Speicherzelle zu hohen Spannung oder einer zu niedrigen Spannung mit dem Risiko eines Umpolens der Speicherzelle wirksam begegnet werden.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die vorgegebene minimale Spannung und/oder die vorgegebene maximale Spannung der betreffenden Speicherzelle von den Spannungen abweichen, die einer anderen Speicherzelle, die weder eine zu hohe Temperatur noch eine zu geringe Kapazität hat, vorgegeben werden. Hierdurch kann die untere bzw. minimale und/oder die obere maximale vorgegebene Spannung der Leistungsfähigkeit der betreffenden Speicherzelle angepasst und die Lebensdauer zusätzlich verlängert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an jeder der Speicherzellen eine Entladungs-Einrichtung vorgesehen, insbesondere für eine Entladung gegen Masse, die die aktuelle elektrische Spannung sowie die minimale und die maximale Spannung während des Betriebs der Speicherzelle bestimmt.
Um das Maß der Einflussnahme auf die Spannung einer betroffenen Speicherzelle zu illustrieren, sei beim folgenden ersten Beispiel angenommen, dass eine Speicherzelle eines Doppelschichtkondensators, wie insbesondere ein Supercap, eine Temperatur hat, die 10° C über der Referenztemperatur liegt. Dieser negativen Auswirkung auf die Lebensdauer der Speicherzelle kann begegnet werden, indem die Spannung dieser Speicherzelle um ca. 0,1 Volt durch die Entladungs- Einrichtung reduziert wird. Zur Reduzierung der Spannung führt die Entladungs- Einrichtung elektrische Ladung von der Speicherzelle, insbesondere gegen Masse, ab.
Um das Maß der Einflussnahme auf die Spannung einer betroffenen Speicherzelle zu illustrieren, sei beim folgenden zweiten Beispiel angenommen, dass eine Speicherzelle eines Doppelschichtkondensators, wie insbesondere ein Supercap, eine Kapazität hat, die 50 Farad unter der Referenzkapazität von 600 Farad liegt. Dieser negativen Auswirkung auf die Lebensdauer der Speicherzelle kann begegnet werden, indem die Spannung dieser Speicherzelle um ca. 0,04 Volt durch die Entladungs-Einrichtung reduziert wird. Zur Reduzierung der Spannung führt die Entladungs-Einrichtung elektrische Ladung von der Speicherzelle, insbesondere gegen Masse, ab.
Damit der wiederaufladbare Energiespeicher insgesamt wieder die gleiche Spannung wie vor der Entladung der betroffenen Speicherzelle aufweist, ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass dem Energiespeicher insgesamt elektrische Ladung zugeführt wird, so dass dessen Spannung wieder auf den Wert vor der Entladung steigt. Handelt es sich beispielsweise um sechs in Reihe geschaltete Speicherzellen, die den Energiespeicher bilden, erhöht sich die Spannung jeder Speicherzelle dann um 1/6 der Spannung, um die die Spannung der betroffenen Speicherzelle reduziert worden ist. Da die Spannungsdifferenz auf alle Speicherzellen gleich verteilt wird, führt dies zu einer Gleichverteilung der Alterung auf die Speicherzellen. Dies verhindert letztendlich, dass die schwächste Zelle noch weiter und schneller geschwächt wird.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird im Falle eines Ausfalls der Temperatur- und/oder Kapazitätsmessung jeweils ein entsprechender Notlaufwert als Referenzwert vorgegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Realisierung eines Systems zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs oder von einer seiner Komponenten.