DE102009045519A1 - Battery system and method for balancing the battery cells of a battery system - Google Patents
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Abstract
Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst mindestens ein erstes Batterieelement und ein zweites Batterieelement, wobei der positive Pol des ersten Batterieelements mit dem negativen Pol des zweiten Batterieelements leitend verbunden ist, sowie Entlademittel zum partiellen Entladen der ersten und zweiten Batterieelemente. Das Batteriesystem umfasst ferner einen Spannungsteiler, der dazu ausgelegt ist, ausgehend von dem elektrischen Potenzial des negativen Pols des ersten Batterieelements und dem elektrischen Potenzial des positiven Pols des zweiten Batterieelements ein erstes elektrisches Potenzial zu erzeugen, das dem Soll-Wert des elektrischen Potenzials an dem positiven Pol des ersten Batterieelements und dem negativen Pol des zweiten Batterieelements entspricht, sowie Vergleichsmittel zum Vergleichen des ersten elektrischen Potenzials mit einem zweiten elektrischen Potenzial, das an dem positiven Pol des ersten Batterieelements und dem negativen Pol des zweiten Batterieelements anliegt. Die Entlademittel sind dazu ausgelegt, das erste Batterieelement zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in positiver Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht, und das zweite Batterieelement zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in negativer Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht. In dem erfindungsgemäßen Batteriesystem erfolgt das Balancieren der Batterieelemente unmittelbar aufgrund der Eigenschaften der passiven Komponenten, ...The battery system according to the invention comprises at least a first battery element and a second battery element, the positive pole of the first battery element being conductively connected to the negative pole of the second battery element, and discharge means for partially discharging the first and second battery elements. The battery system further comprises a voltage divider which is designed to generate a first electrical potential based on the electrical potential of the negative pole of the first battery element and the electrical potential of the positive pole of the second battery element, which corresponds to the setpoint value of the electrical potential at the corresponds to the positive pole of the first battery element and the negative pole of the second battery element, and comparison means for comparing the first electrical potential with a second electrical potential which is applied to the positive pole of the first battery element and the negative pole of the second battery element. The discharge means are designed to discharge the first battery element when the second electrical potential deviates from the first electrical potential in a positive direction, and to discharge the second battery element when the second electrical potential deviates from the first electrical potential in a negative direction. In the battery system according to the invention, the battery elements are balanced directly on the basis of the properties of the passive components, ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Balancieren der Batteriezellen eines Batteriesystems gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10.The invention relates to a battery system and a method for balancing the battery cells of a battery system according to the preambles of
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann (z. B. ein Ausfall der Traktionsbatterie bei einem Elektrofahrzeug) oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann (bei Windkraftanlagen werden z. B. Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen).It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications (eg in wind turbines) and in vehicles (eg in hybrid and electric vehicles), new battery systems will increasingly be used, to which very high reliability requirements will apply be put. The background to these high requirements is that failure of the battery can lead to a failure of the entire system (eg failure of the traction battery in an electric vehicle) or even to a safety-related problem (for example, wind turbines use batteries in order to protect the system from impermissible operating conditions in a strong wind by a rotor blade adjustment).
Ein Problem beim Einsatz vieler einzelner in Reihe geschalteter Batteriezellen besteht darin, dass die Batteriezellen nicht perfekt gleich sind, was zu ungleichen Zellspannungen führen kann, insbesondere über längere Zeitspannen von der Größenordnung der Lebensdauer der Batterie. Da insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien das Überladen oder das Tiefentladen einzelner Zellen zu einer irreversiblen Schädigung der Batterie führt, muss in regelmäßigen Zeitabständen ein sogenanntes Zell-Balancing durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Zellen durch externe Beschaltungsmaßnahmen so ge- oder entladen, dass sie wieder gleiche Zellspannung besitzen.A problem with the use of many individual series-connected battery cells is that the battery cells are not perfectly equal, which can lead to unequal cell voltages, especially over extended periods of the life of the battery. Since overcharging or total discharge of individual cells leads to irreversible damage to the battery, in particular in the case of lithium-ion batteries, so-called cell balancing must be carried out at regular intervals. For this purpose, the individual cells are charged or discharged by external wiring measures so that they again have the same cell voltage.
Stand der Technik ist dabei das sogenannte Widerstandsbalancing, bei dem ein Widerstand oder eine Widerstandskombination über Schalter einzelne Zellen so lange belastet, bis alle Zellen das gleiche Spannungsniveau erreicht haben.
Das Balancieren von Batteriezellen nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass die Zellspannungen gemessen und die Entladung der Zellen gemäß den gemessenen Zellspannungen von einer Steuereinrichtung gesteuert werden muss.The balancing of battery cells according to the prior art has the disadvantage that the cell voltages must be measured and the discharge of the cells according to the measured cell voltages must be controlled by a control device.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil zu überwinden und ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Balancieren der Batteriezellen eines Batteriesystems anzugeben, durch die das Balancieren der Batteriezellen direkt und autonom ohne Einsatz einer Zellspannungsmessung oder Steuereinrichtung erfolgt. Mit der erfindungsgemäßen Batteriesystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein passives Balancieren von Batteriezellen mit nur wenigen preiswerten Komponenten direkt und mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden, ohne dass dabei die Zellspannungen zunächst eingelesen und in einer Software ausgewertet werden müssen.It is an object of the present invention to overcome this disadvantage and to provide a battery system and a method for balancing the battery cells of a battery system by which the balancing of the battery cells takes place directly and autonomously without the use of a cell voltage measurement or control device. With the battery system according to the invention and the method according to the invention, a passive balancing of battery cells with only a few inexpensive components can be carried out directly and with high accuracy, without the cell voltages first having to be read in and evaluated in a software.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels eines Batteriesystems mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen und eines Verfahren mit den im Anspruch 10 genannten Merkmalen gelöst.According to the invention this object is achieved by means of a battery system with the features mentioned in
Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst mindestens ein erstes Batterieelement und ein zweites Batterieelement, wobei der positive Pol des ersten Batterieelements mit dem negativen Pol des zweiten Batterieelements leitend verbunden ist, sowie Entlademittel zum partiellen Entladen der ersten und zweiten Batterieelemente. Das Batteriesystem umfasst ferner einen Spannungsteiler, der dazu ausgelegt ist, ausgehend von dem elektrischen Potenzial des negativen Pols des ersten Batterieelements und dem elektrischen Potenzial des positiven Pols des zweiten Batterieelements ein erstes elektrisches Potenzial zu erzeugen, das dem Soll-Wert des elektrischen Potenzials an dem positiven Pol des ersten Batterieelements und dem negativen Pol des zweiten Batterieelements entspricht, sowie Vergleichsmittel zum Vergleichen des ersten elektrischen Potenzials mit einem zweiten elektrischen Potenzial, das an dem positiven Pol des ersten Batterieelements und dem negativen Pol des zweiten Batterieelements anliegt. Die Entlademittel sind dazu ausgelegt, das erste Batterieelement zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in positiver Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht, und das zweite Batterieelement zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in negativer Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht. Dadurch wird erreicht, dass das Balancieren der Batterieelemente unmittelbar aufgrund der Eigenschaften der passiven Komponenten erfolgt und keine aktive Messung oder Steuerung erforderlich ist.The battery system according to the invention comprises at least a first battery element and a second battery element, wherein the positive pole of the first battery element is conductively connected to the negative pole of the second battery element, and discharging means for partially discharging the first and second battery elements. The battery system further includes a voltage divider configured to apply a first electrical current based on the negative pole electrical potential of the first battery element and the positive pole electrical potential of the second battery element To generate potential corresponding to the target value of the electric potential at the positive pole of the first battery element and the negative pole of the second battery element, and comparing means for comparing the first electrical potential with a second electric potential, which at the positive pole of the first battery element and the negative pole of the second battery element is applied. The discharge means are configured to discharge the first battery element when the second electric potential deviates in the positive direction from the first electric potential, and to discharge the second battery element when the second electric potential deviates in a negative direction from the first electric potential. It is thereby achieved that the balancing of the battery elements takes place directly due to the properties of the passive components and no active measurement or control is required.
Die Entlademittel und die Vergleichsmittel sind vorzugsweise durch einen gegengekoppelten Operationsverstärker gebildet. Dadurch werden die Funktionen des Entladens und Vergleichens besonders vorteilhaft durch eine einzige Komponente realisiert.The discharge means and the comparison means are preferably formed by a negative feedback operational amplifier. As a result, the functions of unloading and comparing are realized particularly advantageously by a single component.
Der Spannungsteiler umfasst vorzugsweise einen ersten Widerstand und einen zweiten Widerstand, wobei der elektrische Widerstand des ersten Widerstands und der elektrische Widerstand des zweiten Widerstands im gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die Soll-Spannung des ersten Batterieelements und die Soll-Spannung des zweiten Batterieelements.The voltage divider preferably comprises a first resistor and a second resistor, wherein the electrical resistance of the first resistor and the electrical resistance of the second resistor are in the same ratio as the desired voltage of the first battery element and the target voltage of the second battery element.
Vorzugsweise ist ein erster Anschluss des ersten Widerstands mit dem negativen Pol des ersten Batterieelements leitend verbunden, ein zweiter Anschluss des ersten Widerstands mit einem ersten Anschluss des zweiten Widerstands leitend verbunden und ein zweiter Anschluss des zweiten Widerstands mit dem positiven Pol des zweiten Batterieelements leitend verbunden.Preferably, a first terminal of the first resistor is conductively connected to the negative pole of the first battery element, a second terminal of the first resistor is conductively connected to a first terminal of the second resistor, and a second terminal of the second resistor is conductively connected to the positive pole of the second battery element.
Vorzugsweise sind der zweite Anschluss des ersten Widerstands und der erste Anschluss des zweiten Widerstands mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers leitend verbunden, der zweite Anschluss des zweiten Widerstands und der positive Pol des zweiten Batterieelements mit dem positiven Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers leitend verbunden, der erste Anschluss des ersten Widerstands und der negative Pol des ersten Batterieelements mit dem negativen Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers leitend verbunden und der positive Pol des ersten Batterieelements und der negative Pol des zweiten Batterieelements mit dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers leitend verbunden.Preferably, the second terminal of the first resistor and the first terminal of the second resistor are conductively connected to the non-inverting input of the operational amplifier, the second terminal of the second resistor and the positive pole of the second battery element to the positive supply voltage input of the operational amplifier, the first terminal of the first resistor and the negative pole of the first battery element conductively connected to the negative supply voltage input of the operational amplifier and the positive pole of the first battery element and the negative pole of the second battery element to the inverting input and the output of the operational amplifier conductively connected.
Die Soll-Spannung des ersten Batterieelements und die Soll-Spannung des zweiten Batterieelements können gleich sein. Dadurch kann ein besonders einfaches Batteriesystem mit mehreren baugleichen Komponenten bereitgestellt werden.The desired voltage of the first battery element and the desired voltage of the second battery element may be the same. As a result, a particularly simple battery system with several identical components can be provided.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Batteriesystem mit einer Vielzahl in Reihe geschalteter Batterieelemente bereit, wobei jedes Paar miteinander leitend verbundener Batterieelemente wie oben beschrieben balanciert ist. Dadurch wird erreicht, dass mit einer besonders einfachen und regelmäßigen Anordnung von Komponenten sämtliche Batterieelemente miteinander balanciert werden.In a preferred embodiment, the invention provides a battery system having a plurality of series connected battery elements, each pair of battery elements conductively connected to each other being balanced as described above. This ensures that all battery elements are balanced with a particularly simple and regular arrangement of components.
Mindestens eines der Batterieelemente kann eine Lithium-Ionen-Batteriezelle sein.At least one of the battery elements may be a lithium-ion battery cell.
Mindestens eines der Batterieelemente kann seinerseits ein erfindungsgemäßes Batteriesystem sein. Durch diesen rekursiven Aufbau wird erreicht, dass mit einer besonders einfachen und strukturierten Anordnung von Komponenten sämtliche Batterieelemente miteinander balanciert werden.At least one of the battery elements may in turn be a battery system according to the invention. This recursive construction ensures that all battery elements are balanced with one another with a particularly simple and structured arrangement of components.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Balancieren der Batterieelemente eines Batteriesystems bereit, wobei das Batteriesystem mindestens ein erstes Batterieelement und ein zweites Batterieelement umfasst, wobei der positive Pol des ersten Batterieelements mit dem negativen Pol des zweiten Batterieelements leitend verbunden ist und wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: Erzeugen eines ersten elektrischen Potenzials, das dem Soll-Wert des elektrischen Potenzials an dem positiven Pol des ersten Batterieelements und dem negativen Pol des zweiten Batterieelements entspricht, ausgehend von dem elektrischen Potenzial des negativen Pols des ersten Batterieelements und dem elektrischen Potenzial des positiven Pols des zweiten Batterieelements, Vergleichen des ersten elektrischen Potenzials mit einem zweiten elektrischen Potenzial, das an dem positiven Pol des ersten Batterieelements und dem negativen Pol des zweiten Batterieelements anliegt, Entladen des ersten Batterieelements, wenn das zweite elektrische Potenzial in positiver Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht, und Entladen des zweiten Batterieelements, wenn das zweite elektrische Potenzial in negativer Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht.The invention further provides a method for balancing the battery elements of a battery system, wherein the battery system comprises at least a first battery element and a second battery element, wherein the positive pole of the first battery element is conductively connected to the negative pole of the second battery element and wherein the method comprises the following method steps comprising: generating a first electrical potential that corresponds to the desired value of the electrical potential at the positive pole of the first battery element and the negative pole of the second battery element, based on the electric potential of the negative pole of the first battery element and the electric potential of the positive pole of the second battery element, comparing the first electrical potential with a second electrical potential applied to the positive pole of the first battery element and the negative pole of the second battery element, discharging the first battery eelements, when the second electrical potential deviates in the positive direction from the first electrical potential, and discharging of the second battery element when the second electrical potential deviates in a negative direction from the first electrical potential.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the drawings with reference to embodiments. Show it:
Das Batteriesystem umfasst ferner einen Operationsverstärker
Ist nun beispielsweise die Batteriezelle Z1 tiefer entladen als die Batteriezelle Z2, so ist das Potential am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
Der Entladevorgang setzt sich so lange fort, bis das Verhältnis zwischen der Spannung über die Batteriezelle Z1 und der Spannung über der Batteriezelle Z2 seinen Soll-Wert erreicht hat. Insbesondere setzt sich der Entladevorgang in dem Fall, dass die Widerstände Rc1 und Rc2 gleiche Widerstandswerte aufweisen, so lange fort, bis die Spannung über der Batteriezelle Z1 gleich der Spannung über der Batteriezelle Z2 ist. Danach fließen nur noch der Ruheversorgungsstrom des Operationsverstärkers
Das in
Die beiden Gruppen von je zwei Batteriezellen werden dann wiederum nach demselben Prinzip miteinander balanciert. Die Widerstände Rd5 und Rd6 bilden zwischen dem negativen Pol der Batteriezelle Z1 und dem positiven Pol der Batteriezelle Z4 einen Spannungsteiler, an dessen innerem Knoten
Ist nun beispielsweise die aus den Batteriezellen Z1 und Z2 bestehende Gruppe tiefer entladen als die aus den Batteriezellen Z3 und Z4 bestehende Gruppe, so ist das Potential am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
Das in
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WO2011042243A1 (en) | 2011-04-14 |
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