DE102010038882A1 - Batteriesystem sowie Verfahren zur Ladung einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen - Google Patents

Batteriesystem sowie Verfahren zur Ladung einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen Download PDF

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Abstract

Es wird ein Batteriesystem (100) mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (10) beschrieben, bei welchem zumindest einer der Vielzahl von Batteriezellen (10) ein elektrisches Bauelement (12) parallel geschaltet ist, dessen Widerstand sich verringert, wenn eine an dem elektrischen Bauelement (12) und an der Batteriezelle (10) anliegende Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert (UBR) überschreitet. Ferner wird ein Verfahren zur Ladung einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (10) beschrieben, welches mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem (100) ausgeführt werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem sowie ein Verfahren zur Ladung einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen.
  • Stand der Technik
  • Mithilfe der Lithium-Ionen-Technologie ist es möglich, sehr leistungsstarke Batterien herzustellen, welche höhere Energiedichten aufweisen als solche, die mithilfe anderer Batterietechnologien hergestellt werden. Außerdem leiden Lithium-Ionen-Batterien nicht unter einem als Memory-Effekt bekannten Kapazitätsverlust. Einer der wenigen Nachteile der Lithium-Ionen-Batteriezellen ist hingegen die Anfälligkeit gegen Überspannung, welche bei Zellspannungswerten von typischerweise mehr als 4,2 V auftritt. Bei Überspannung lagert sich metallisches Lithium an der Anode ab, wodurch das Kathodenmaterial zum oxidierenden Element wird und seine Stabilität verliert. Die Batteriezelle heizt sich dadurch immer weiter auf und kann im Extremfall in Brand geraten (so genanntes thermisches Durchgehen). Gerade bei einem Batteriepack, welcher bei Anwendungen in einem elektrischen Fahrzeug aus etwa hundert in Reihe geschalteten Einzelzellen aufgebaut ist, müssen Überspannungen zwingend vermieden werden, da ein thermisches Durchgehen einer einzelnen Zelle eine Kaskadenreaktion innerhalb des gesamten Batteriepacks auslösen würde.
  • Um ein thermisches Durchgehen zu vermeiden, werden die Spannungen der in den Lithium-Ionen-Batteriepacks enthaltenen Einzelzellen über spezielle Kontrollschaltkreise überwacht. Dabei kann ein Kontrollschaltkreis bis zu zwölf Batteriezellen überwachen. Tritt im Zuge des Ladens des Batteriepacks eine Überspannung an einer der Batteriezellen auf, wird von dem die Kontrollschaltkreise umfassenden Batterie-Management-System augenblicklich eine Hochvoltschütze geöffnet und der Ladevorgang für das gesamte Batteriepack unterbrochen. Dieses Vorgehen gewährleistet zwar die Sicherheit des Batteriepacks, weist aber eine Anzahl von Nachteilen auf.
  • So ist die Bereitstellung einer Auswerteelektronik auf den Kontrollschaltkreisen mit relativ hohen Kosten verbunden. Außerdem wird der Ladevorgang für die Gesamtheit der Batteriezellen unterbrochen und nicht nur für diejenige Batteriezelle, welche eine überhöhte Spannung aufweist. Bereits kurze, unkritische Spannungsspitzen, welche beispielsweise durch An- oder Abschaltung eines Gleichstromstellers, eines Ladegeräts oder eines Elektromotors des elektrischen Fahrzeugs verursacht werden, ziehen eine Abschaltung der Batterie nach sich, was beispielsweise dazu führen kann, dass das elektrische Fahrzeug nicht weiterfahren kann. Weiterhin ist das bisherige Konzept nicht geeignet bei Verwendung von kostengünstigen, einphasigen Ladegeräten, da diese einen hohen sinusförmigen Stromrippel und somit auch einen entsprechenden Spannungsrippel erzeugen, welcher zu einer Abschaltung der Batterie führen kann, bevor diese vollständig aufgeladen ist. Schließlich kommt es bei Anwendung des herkömmlichen Verfahrens zu einer Einschränkung der nutzbaren Kapazität des Batteriepacks, da für die Dauer des Ladevorgangs die Zellspannung höher als die Ruhespannung ist, wobei letztere den relevanten Ladezustand definiert. Wird die Ladung aufgrund einer Überspannungsverletzung abgebrochen, ist die Batteriezelle zu diesem Zeitpunkt immer noch nicht entsprechend ihrer Gesamtkapazität aufgeladen.
  • Neben der Überwachung der Zellspannung haben die Kontrollschaltkreise die Aufgabe, die Spannungen der Batteriezellen anzugleichen. Dies ist notwendig, um zu vermeiden, dass sich einige Batteriezellen bereits bei einem Ladezustand von 100% und somit nahe der Überspannungsabschaltungsgrenze befinden, während der Großteil der übrigen Batteriezellen noch Ladezustände von deutlich unter 100% aufweist. Ohne Phasen des Ladungsausgleichs zwischen den Ladungsphasen würde die nutzbare Kapazität des Batteriepacks daher sehr viel niedriger als die Summe der nutzbaren Kapazitäten der Einzelzellen liegen.
  • Bisher wird daher vor oder zwischen Ladephasen ein Ladungsausgleich (so genanntes Cell Balancing) der Zellen durchgeführt, bei dem jeweils die höchstgeladenen Batteriezellen über einen Widerstand auf den Kontrollschaltkreisen entladen werden, bis sich alle Batteriezellen dem Ladezustand der am niedrigsten geladenen Zelle angenähert haben. Obwohl diese bisher eingesetzte Strategie einen Ladungsausgleich der Zellen sicherstellt, ist auch diese mit einigen Nachteilen verbunden.
  • Neben den wiederum zu bemängelnden relativ hohen Kosten für die Auswerteelektronik auf den Kontrollschaltkreisen ist die inhomogene Temperaturverteilung im Batteriepack nachteilhaft, die darauf zurückzuführen ist, dass die entstehende Wärme zentral an die Kontrollschaltkreise abgeleitet wird. Außerdem nimmt der Ladungsausgleich eine relativ lange Zeitdauer in Anspruch, da er immer nur bei einer kleinen Anzahl von Batteriezellen des Batteriepacks gleichzeitig (typischerweise kann nur eine von zwölf Batteriezellen zu einem gegebenen Zeitpunkt über einen Widerstand an einem Kontrollschaltkreis entladen werden) und nur im Wechsel mit Ruhephasen für die Batteriezustandserkennung stattfinden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen zur Verfügung gestellt, bei welchem zumindest einer Batteriezelle ein elektrisches Bauelement parallel geschaltet ist. Der Widerstand des elektrischen Bauelements verringert sich, wenn eine an dem elektrischen Bauelement und an der Batteriezelle gemeinsam anliegende Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert überschreitet.
  • Bei dem Batteriesystem handelt es sich bevorzugt um ein Lithium-Ionen-Batteriesystem.
  • Das erfindungsgemäße Batteriesystem hat den Vorteil, dass keinerlei Intelligenz beziehungsweise Software erforderlich ist, um die an der Batteriezelle anliegende Spannung zu bewerten. Unter Verwendung kostengünstiger elektrischer Bauelemente mit den gewünschten Eigenschaften kann im erfindungsgemäßen Batteriesystem eine robuste Methode zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen bei gleichzeitiger Vermeidung von deren Überspannungen durchgeführt werden. Die nutzbare Kapazität der in Reihe geschalteten Batteriezellen ist gleich der Summe der einzelnen Zellkapazitäten. Außerdem ist ein im erfindungsgemäßen Batteriesystem durchgeführter Ladevorgang robust gegen Spannungsspitzen, so dass dieser auch unter Verwendung von einphasigen Ladegeräten problemlos durchgeführt werden kann. Da beim Ladevorgang Wärme über alle verwendeten elektrischen Bauelemente anfällt, ist die Temperaturverteilung im Batteriesystem gleichmäßiger als in den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen. Schließlich ist die Dauer des Ladevorgangs und des Ladungsausgleichs relativ kurz, da ein Ladungsausgleich für alle Batteriezellen, bei denen ein entsprechendes elektrisches Bauelement mit den gewünschten Eigenschaften parallel geschaltet ist, gleichzeitig stattfinden kann.
  • Bevorzugt ist, dass zu jeder der Vielzahl von Batteriezellen jeweils ein elektrisches Bauelement parallel geschaltet ist, dessen Widerstand sich verringert, wenn eine an dem elektrischen Bauelement und an der zu diesem parallel geschalteten Batteriezelle anliegende Spannung den vorbestimmten Spannungsschwellenwert überschreitet.
  • Der Widerstand des elektrischen Bauelements kann oberhalb des vorbestimmten Spannungsschwellenwerts exponentiell mit steigender anliegender Spannung abnehmen.
  • Das elektrische Bauelement kann eine Zener-Diode sein. Allerdings sind auch andere Realisierungen möglich, beispielsweise unter Verwendung einer Suppressordiode, auch als TVS(Transient Voltage Suppressor)-Diode bekannt, oder eines Metalloxid-Varistors. Diese Bauteile weisen bezüglich ihrer Kennlinien ähnliche Eigenschaften auf wie die Zener-Diode. Auch Kombinationen aus den genannten Bauteilen und Transistoren sind möglich.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ladung einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen, bei welchem die Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen während eines Ladevorgangs mit einem Ladestrom versorgt wird und bei welchem ein durch eine der Vielzahl von Batteriezellen fließender Strom unterdrückt wird, wenn eine an der Batteriezelle anliegende Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert überschreitet. Es ist vorgesehen, dass sich bei Überschreiten des Spannungsschwellenwerts der Widerstand eines zu der Batteriezelle parallel geschalteten elektrischen Bauelements verringert, so dass ein Teil des Ladestroms durch das elektrische Bauelement fließt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass eine Ladung der Batteriezellen im Vergleich zum Stand der Technik vereinfacht wird. Insbesondere kann die Vielzahl von Batteriezellen mit einem konstanten Ladestrom in einer so genannten CC(constant current)-Ladephase vollständig aufgeladen werden, ohne dass Überspannungen in den Batteriezellen auftreten können, während zugleich ein Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen stattfindet.
  • Der Ladevorgang verläuft hierbei wie folgt: Zunächst werden Batteriezellen mit leicht unterschiedlichen Ladezuständen geladen, bis diejenigen Batteriezellen mit dem höchstem Ladezustand den Spannungsschwellenwert (beispielsweise die Durchbruchspannung einer Zener-Diode) erreicht haben. In diesen Batteriezellen verringert sich sodann rasch der Widerstand des elektrischen Bauelements, welches einen immer größer werdenden Anteil des Ladestroms an den Batteriezellen mit hohem Ladezustand vorbeileitet, wodurch diese weniger geladen werden als solche mit niedrigerem Ladezustand. Die Parallelschaltung des elektrischen Bauelements hat somit die Wirkung einer Überbrückungsschaltung.
  • Bei weiterer Ladung kommt der Ladestrom in den Batteriezellen mit fast 100% Ladezustand zum Erliegen, da der Ladestrom fast vollständig durch die durch das elektrische Bauelement hergestellte Überbrückungsschaltung geleitet wird, während die übrigen Batteriezellen weiter geladen werden, bis deren Überbrückungsschaltungen eine weitere Ladung unterbinden.
  • Bei Abschluss des Ladevorgangs sind alle Batteriezellen vollständig aufgeladen, ohne dass ein weiterer Ladungsausgleich zwischen ihnen erforderlich ist.
  • Während des gesamten Ladevorgangs können keine Überspannungen in einer Batteriezelle auftreten, da der Widerstand der Überbrückungsschaltung mit zunehmender Spannung exponentiell kleiner wird und somit den gesamten Ladestrom umleitet.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Batteriesystem gemäß einer ersten Ausführungsform, und
  • 2 eine Kennlinie einer Zener-Diode, welche in dem Batteriesystem gemäß einer ersten Ausführungsform angeordnet ist.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt ein Batteriesystem 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Batteriesystem 100 umfasst eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen 10, welche jeweils einen Innenwiderstand 14 aufweisen. Zu jeder Batteriezelle 10 ist jeweils eine Zener-Diode 12 parallel geschaltet, wobei die Zener-Diode 12 bezüglich einer in 1 dargestellten Polarität der Batteriezellen 10 in Sperrrichtung geschaltet ist.
  • Die zu einer bestimmten Batteriezelle 10 parallel geschaltete Zener-Diode 12 übernimmt die Funktion einer Überbrückungsschaltung, welche aktiviert wird, sobald die Zellspannung der Batteriezelle 10 während eines Ladevorgangs einen gewissen Spannungsschwellenwert überschreitet. Ist dieser Spannungsschwellenwert überschritten, fällt der Widerstand der Zener-Diode 12 exponentiell mit weiter steigender Spannung ab. In Abhängigkeit vom Verhältnis des Widerstands der Zener-Diode 12 zum Innenwiderstand 14 der Batteriezelle 10 fließt mit zunehmender Spannung ein immer größerer Anteil eines Ladestroms über die Zener-Diode 12 und wird dadurch an der Batteriezelle 10 vorbeigeführt.
  • 2 zeigt eine Kennlinie einer der in 1 dargestellten Zener-Dioden 12. Die Zener-Diode 12 weist in einem Arbeitsbereich 16 der Zellspannung einen sehr hohen Widerstand auf, so dass dort nur ein vernachlässigbar kleiner Leckstrom (typischerweise kleiner als 1 μA) über die Zener-Diode 12 fließt. In dem Arbeitsbereich 16, welcher unterhalb einer Durchbruchspannung UBR der Zener-Diode 12 liegt, ist somit der Widerstand der Zener-Diode 12 so hoch, dass praktisch der gesamte Ladestrom über die Batteriezelle 10 geleitet wird und diese auflädt.
  • Die Durchbruchspannung UBR der Zener-Diode 12 ist so gewählt, dass sie etwa einer Überspannungsgrenze der Batteriezelle 14 entspricht. Bei der Durchbruchspannung UBR der Zener-Diode 12 fließt ein Strom I1. Bei weiterer Erhöhung der Spannung (in 2 in Richtung der negativen U[V]-Achse) fällt der Widerstand der Zener-Diode 12 mit weiter zunehmender Spannung exponentiell ab. Je niedriger der Widerstand der Zener-Diode 12 ist, desto mehr Strom wird über diese geleitet und umso weniger Strom steht zur Verfügung, um die dazugehörige Batteriezelle 10 weiterzuladen.
  • Der Strom, der durch die Zener-Diode 12 fließt, steigt bei Überschreitung der Durchbruchspannung UBR abrupt an, so dass bei einer Spannung U2 praktisch der gesamte Ladestrom I2 über den durch die Zener-Diode 12 gebildeten Überbrückungsschaltkreis an der Batteriezelle 10 vorbeigeführt wird, wodurch die Batteriezelle 10 vor einer Überspannung geschützt wird.
  • Bei einem Entladevorgang ist der Widerstand der Zener-Diode 12 im Vergleich zum Innenwiderstand 14 der Batteriezelle 10 so hoch, dass ein Entladestrom vollständig über die Batteriezelle 10 fließt.

Claims (8)

  1. Batteriesystem (100) mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (10), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Vielzahl von Batteriezellen (10) ein elektrisches Bauelement (12) parallel geschaltet ist, dessen Widerstand sich verringert, wenn eine an dem elektrischen Bauelement (12) und an der Batteriezelle (10) anliegende Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert (UBR) überschreitet.
  2. Batteriesystem (100) nach Anspruch 1, wobei zu jeder der Vielzahl von Batteriezellen (10) jeweils ein elektrisches Bauelement (12) parallel geschaltet ist, dessen Widerstand sich verringert, wenn eine an dem elektrischen Bauelement (12) und an der zu diesem parallel geschalteten Batteriezelle (10) anliegende Spannung den vorbestimmten Spannungsschwellenwert (UBR) überschreitet.
  3. Batteriesystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Widerstand des elektrischen Bauelements (12) oberhalb des vorbestimmten Spannungsschwellenwerts (UBR) exponentiell mit steigender anliegender Spannung abnimmt.
  4. Batteriesystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elektrische Bauelement eine Zener-Diode (12) ist.
  5. Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das elektrische Bauelement eine Suppressordiode ist.
  6. Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das elektrische Bauelement ein Metalloxid-Varistor ist.
  7. Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem (100) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  8. Verfahren zur Ladung einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (10), wobei die Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen während eines Ladevorgangs mit einem Ladestrom versorgt wird und wobei ein durch eine der Vielzahl von Batteriezellen (10) fließender Strom unterdrückt wird, wenn eine an der Batteriezelle (10) anliegende Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert (UBR) überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei Überschreiten des Spannungsschwellenwerts (UBR) der Widerstand eines zu der Batteriezelle (10) parallel geschalteten elektrischen Bauelements (12) verringert, so dass ein Teil des Ladestroms durch das elektrische Bauelement (12) fließt.
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