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DE102015215784A1 - Energiespeichermodul und elektrischer Energiespeicher - Google Patents

Energiespeichermodul und elektrischer Energiespeicher Download PDF

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DE102015215784A1
DE102015215784A1 DE102015215784.9A DE102015215784A DE102015215784A1 DE 102015215784 A1 DE102015215784 A1 DE 102015215784A1 DE 102015215784 A DE102015215784 A DE 102015215784A DE 102015215784 A1 DE102015215784 A1 DE 102015215784A1
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Dieter Kloos
Roman Stübler
Sascha Boy
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VARTA Microbattery GmbH
Original Assignee
VARTA Microbattery GmbH
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul (1), aufweisend: eine Energiespeichermodulzelle (2) zum Speichern von Energie und eine Energiespeichermodulsteuereinheit (3), die dazu ausgebildet ist, Betriebsparameter der Energiespeichermodulzelle (2) zu ermitteln und in Abhängigkeit von den ermittelten Betriebsparametern den Betrieb des Energiespeichermoduls (1) zu steuern.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul und einen elektrischer Energiespeicher.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energiespeichermodul und einen elektrischen Energiespeicher zur Verfügung zu stellen, die eine möglichst flexible und zuverlässige Realisierung von elektrischen Energiespeichern ermöglichen.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Energiespeichermodul nach Anspruch 1 und einen elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 6.
  • Das Energiespeichermodul weist eine Energiespeichermodulzelle zum Speichern von, insbesondere elektrischer, Energie auf.
  • Das Energiespeichermodul weist weiter eine Energiespeichermodulsteuereinheit auf, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers, zugehöriger Software und Peripheriebeschaltung. Die Energiespeichermodulsteuereinheit ist dazu ausgebildet, Betriebsparameter der Energiespeichermodulzelle eigenständig zu ermitteln und in Abhängigkeit von den ermittelten Betriebsparametern den Betrieb des Energiespeichermoduls eigenständig, und insbesondere unabhängig von einer zentralen Steuereinheit, zu steuern.
  • Jedes einzelne Energiespeichermodul ist autark und nicht abhängig von nach- oder vorgeschalteten Energiespeichermodulen. Auch ist die Arbeitsweise eines jeweiligen Energiespeichermoduls nicht von einer zentralen Steuerung abhängig. Jeder Zellebene (beispielsweise xP, 1S) bzw. Energiespeichermodulzelle wird genau eine Energiespeichermodulsteuereinheit zugeordnet und bildet mit dieser das Energiespeichermodul.
  • Die Energiespeichermodulzelle und die Energiespeichermodulsteuereinheit können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
  • Ein jeweiliges Energiespeichermodul bzw. dessen Energiespeichermodulsteuereinheit kann die vollständige und eigenständige Überwachung der zugeordneten Zellebene bzw. Energiespeichermodulzelle bezüglich Überspannung, Unterspannung und ggf. auch noch Temperatur übernehmen.
  • Die Kommunikation zu einer zentralen Überwachungseinheit kann über nur eine oder zwei Leitungen erfolgen. Es können Messdaten zur Überwachung und ggf. auch ein Statussignal übertragen werden, das der redundanten Überwachung von sicherheitsrelevanten Zuständen dient.
  • Die erfindungsgemäßen Energiespeichermodule mit Eigenintelligenz auf Modulbasis sind beliebig, insbesondere seriell, verschaltbar, ohne dass für eine spezifische Verschaltung eine spezifische Elektronik entwickelt werden muss. Die Energiespeichermodule bilden einen modularen Baukasten, der praktisch beliebig skaliert „zusammensteckbar“ ist, um flexibel und schnell praktisch beliebige elektrische Energiespeicher bzw. Batteriemodule zu implementieren.
  • Ein weiterer Vorteil ist die Verringerung des Verkabelungsaufwandes aufgrund der dezentralen Auswertung der vor Ort (direkt an der Zelle) gewonnenen Daten.
  • Die Energiespeichermodulzelle kann eine einzelne elektrochemische Zelle oder mehrere parallel geschaltete elektrochemische Zellen aufweisen bzw. sein, wie beispielsweise solche, die auf Blei oder auf Lithium-Nickel basieren. Auch sind Energiespeichermodulzellen denkbar, die auf Kondensatortechnologien basieren.
  • Die Energiespeichermodulsteuereinheit kann dazu ausgebildet sein, Betriebsparameter in Form einer Temperatur der Energiespeichermodulzelle, und/oder einer Spannung der Energiespeichermodulzelle, und/oder eine Anzahl von Ladezyklen der Energiespeichermodulzelle, und/oder einen Ladezustand der Energiespeichermodulzelle zu ermitteln.
  • Die Energiespeichermodulsteuereinheit kann dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit von den ermittelten Betriebsparametern unter anderem eine Ladesteuerung, und/oder eine Ladeendabschaltung, ein Lade-Balancing, und/oder einen Überhitzungsschutz durchzuführen.
  • Das Energiespeichermodul kann eine, insbesondere galvanisch trennende, Datenübertragungsschnittstelle aufweisen, mittels der die ermittelten Betriebsparameter zu einer zentralen Überwachungseinheit übertragbar sind.
  • Der elektrische Energiespeicher weist eine Anzahl, beispielsweise zwischen 2 und 200, von Energiespeichermodulen auf.
  • Die Energiespeichermodule können in Reihe geschaltet sein.
  • Der elektrische Energiespeicher kann eine zentrale Überwachungseinheit aufweisen, wobei die zentrale Überwachungseinheit eine Datenübertragungsschnittstelle zur Kopplung mit den jeweiligen Datenübertragungsschnittstellen der Energiespeichermodule aufweist.
  • Der elektrische Energiespeicher kann einen Zentralschalter aufweisen, der von der zentralen Überwachungseinheit angesteuert ist und der in Reihe mit der Anzahl von Energiespeichermodulen zwischen ein Betriebspotential und ein Bezugspotential eingeschleift ist. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Sicherheitsabschaltung erfolgen, wenn die Betriebsdaten mindestens eines Energiespeichermoduls einen kritischen Zustand anzeigen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:
  • 1 einen elektrischen Energiespeicher mit einer Anzahl von elektrische Energiespeichermodulen gemäß der Erfindung.
  • 1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 6 mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichermodulen 1.
  • Ein jeweiliges Energiespeichermodul 1 weist eine Energiespeichermodulzelle 2 in Form einer einzelnen wieder aufladbaren elektrochemischen Zelle oder mehreren parallel geschalteten wieder aufladbaren elektrochemischen Zellen auf.
  • Ein jeweiliges Energiespeichermodul 1 weist weiter eine Energiespeichermodulsteuereinheit 3 auf, die Betriebsparameter der Energiespeichermodulzelle 2 beispielsweise in Form einer Temperatur und einer Spannung an der Energiespeichermodulzelle 2 ermittelt. In Abhängigkeit von den ermittelten Betriebsparametern steuert die Energiespeichermodulsteuereinheit 3 den Betrieb des jeweiligen Energiespeichermoduls 1 autonom.
  • Beispielsweise kann die Energiespeichermodulsteuereinheit 3 in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung an der Energiespeichermodulzelle 2 autonom ein Balancing durchführen. Hierzu kann eine nicht dargestellte Reihenschaltung aus einem Schalter und einem Widerstand der Energiespeichermodulzelle 2 parallel geschaltet sein, wobei der Schalter durch die Energiespeichermodulsteuereinheit 3 geschlossen wird, sobald die gemessene Spannung einen oberen Schwellenwert überschreitet. Der Schalter kann in Folge von der Energiespeichermodulsteuereinheit 3 wieder geöffnet werden, sobald die gemessene Spannung einen unteren Schwellenwert unterschreitet.
  • Ein jeweiliges Energiespeichermodul 1 weist eine Datenübertragungsschnittstelle 4 auf, mittels der die Betriebsparameter zu einer zentralen Überwachungseinheit 5 über deren Schnittstelle 7 übertragbar sind.
  • Die zentrale Überwachungseinheit 5 steuert einen Zentralschalter 8 an, der in Reihe mit den Energiespeichermodulen 1 zwischen ein Betriebspotential V und ein Bezugspotential GND eingeschleift ist. Der Zentralschalter 8 wird geöffnet, sobald die empfangenen Betriebsdaten einen Fehlerzustand anzeigen.
  • Jede Energiespeichermodulsteuereinheit 3 übernimmt die für die zugehörige Energiespeichermodulzelle 2 erforderlichen Mess-, Schutz-, und Überwachungsaufgaben. Die zentrale Überwachungseinheit 5 wertet die in den Energiespeichermodulen 1 angefallenen Betriebsdaten aus und kann für Schutz und/oder Lebensdauer erforderliche Maßnahmen einleiten.
  • Die mittels einer jeweiligen Energiespeichermodulsteuereinheit 3 durchgeführten Funktionen, wie Ladungsausgleich, Messungen und Schutz, können analog und/oder digital und auch redundant ausgeführt werden. Überwacht werden exemplarisch Spannung, Strom und Temperatur.

Claims (9)

  1. Energiespeichermodul (1), aufweisend: – eine Energiespeichermodulzelle (2) zum Speichern von Energie und – eine Energiespeichermodulsteuereinheit (3), die dazu ausgebildet ist, Betriebsparameter der Energiespeichermodulzelle (2) zu ermitteln und in Abhängigkeit von den ermittelten Betriebsparametern den Betrieb des Energiespeichermoduls (1) zu steuern.
  2. Energiespeichermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Energiespeichermodulzelle (2) eine einzelne elektrochemische Zelle oder mehrere parallel geschaltete elektrochemische Zellen aufweist.
  3. Energiespeichermodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Energiespeichermodulsteuereinheit (3) dazu ausgebildet ist, die Betriebsparameter in Form einer Temperatur der Energiespeichermodulzelle (2), und/oder einer Spannung der Energiespeichermodulzelle (2), und/oder eines in das Energiespeichermodul (1) fließenden Stroms, und/oder einer Anzahl von Ladezyklen der Energiespeichermodulzelle (2), und/oder eines Ladezustands der Energiespeichermodulzelle (2) zu ermitteln.
  4. Energiespeichermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Energiespeichermodulsteuereinheit (3) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den ermittelten Betriebsparametern eine Ladesteuerung, und/oder eine Ladeendabschaltung, ein Lade-Balancing, und/oder einen Überhitzungsschutz durchzuführen.
  5. Energiespeichermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Energiespeichermodul (1) eine Datenübertragungsschnittstelle (4) aufweist, mittels der die Betriebsparameter zu einer zentralen Überwachungseinheit (5) übertragbar sind.
  6. Elektrischer Energiespeicher (6), aufweisend: – eine Anzahl von Energiespeichermodulen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Elektrischer Energiespeicher (6) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die Energiespeichermodule (1) in Reihe geschaltet sind.
  8. Elektrischer Energiespeicher (6) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass – der elektrische Energiespeicher (6) eine zentrale Überwachungseinheit (5) aufweist, wobei die zentrale Überwachungseinheit (5) eine Datenübertragungsschnittstelle (7) zur Kopplung mit den jeweiligen Datenübertragungsschnittstellen (4) der Energiespeichermodule (1) aufweist.
  9. Elektrischer Energiespeicher (6) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – der elektrische Energiespeicher (6) einen Zentralschalter (8) aufweist, der von der zentralen Überwachungseinheit (5) angesteuert ist und der in Reihe mit der Anzahl von Energiespeichermodulen (1) zwischen ein Betriebspotential (V) und ein Bezugspotential (GND) eingeschleift ist.
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