DE102010051011A1 - Method for balancing voltage between individual cells of energy store for electric vehicle, involves discharging voltage of memory cell having preset voltage across switches, and storing energy after discharge in buffer memory - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zellspannungsausgleich nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen Energiespeicher, welcher so aufgebaut ist, dass er beispielsweise zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens mit dem Energiespeicher.The invention relates to a method for cell voltage compensation according to the closer defined in the preamble of
Energiespeicher zur Speicherung von elektrischer Energie sind aus dem Stand der Technik bekannt. Energiespeicher zur Einspeicherung von elektrischer Energie mit hoher Speicherkapazität und der Möglichkeit, die elektrische Energie über einen längeren Zeitraum hinweg zu speichern, sind im Allgemeinen Batterien. Solche Batterien setzen sich meist aus einer Vielzahl von typischerweise in Reihe verschalteten einzelnen Speicherzellen zusammen. Die einzelnen Speicherzellen der Batterien können dabei in unterschiedlichen Technologien ausgebildet sein. Um Batterien mit hoher Speicherkapazität zu erreichen, werden für die einzelnen Speicherzellen typischerweise Speicherzellen in Lithium-Ionen-Technologie oder in Nickel-Metallhydrid-Technologie verwendet.Energy storage for storing electrical energy are known from the prior art. Energy storage devices for storing high-capacity electrical energy and the ability to store electrical energy over an extended period of time are generally batteries. Such batteries are usually composed of a plurality of individual memory cells typically connected in series. The individual memory cells of the batteries can be designed in different technologies. In order to achieve batteries with high storage capacity, memory cells in lithium-ion technology or in nickel-metal hydride technology are typically used for the individual memory cells.
Derartige Speicherzellen, insbesondere Speicherzellen in Lithium-Ionen-Technologie, haben nun den Nachteil, dass diese innerhalb eines vergleichsweise kleinen vorgegebenen Spannungsbandes gehalten werden müssen, um eine möglichst hohe Lebensdauer und eine hohe Leistungsfähigkeit zu erreichen. Dabei ist es wichtig, dass alle Speicherzellen, welche in dem Energiespeicher typischerweise in Reihe geschaltet sind, innerhalb dieses vorgegebenen vergleichsweise engen Spannungsbandes, dessen Bandbreite beispielsweise 30 mV beträgt, liegen.Such memory cells, in particular memory cells in lithium-ion technology, now have the disadvantage that they must be kept within a comparatively small predetermined voltage band in order to achieve the highest possible life and high performance. It is important that all memory cells, which are typically connected in series in the energy store, within this predetermined comparatively narrow voltage band whose bandwidth is, for example, 30 mV, are.
Aus dem Stand der Technik sind daher Systeme zum Zellspannungsausgleich bekannt. Diese werden auch als Balancing-Systeme bezeichnet. Sie dienen dazu, in dem elektrischen Energiespeicher alle einzelnen Speicherzellen möglichst auf einem gleichen Spannungsniveau zu halten. Prinzipiell werden dabei zwei verschiedene Möglichkeiten eingesetzt, um die Spannungen der einzelnen Speicherzellen zu beeinflussen. Beide Möglichkeiten gehen dabei davon aus, dass, wie es aus dem allgemeinen Stand der Technik üblich ist, die einzelnen Spannungen der einzelnen Speicherzellen jeweils erfasst sind und als Messwerte, beispielsweise in einem Datenbussystem, vorliegen. Die erste Möglichkeit des Vorgehens zum Zellspannungsausgleich, wird häufig als dissipatives oder passives Equalizing oder Balancing bezeichnet. Sie besteht im Wesentlichen darin, dass über Widerstände, welche über Schalter mit den einzelnen Speicherzellen verbunden sind, eine Entladung der Speicherzellen mit hoher beziehungsweise über einem Grenzwert liegender Spannung erfolgt. Das Problem dabei ist, dass die beim Entladen frei werdende Energie in den elektrischen Widerständen in thermische Energie umgewandelt wird und verloren geht beziehungsweise weggekühlt werden muss. Die zweite Alternative sieht es im Gegensatz dazu vor, dass die Zellen mit der tiefsten Spannung beziehungsweise einer Spannung unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts entsprechend nachgeladen werden, bis diese innerhalb des vorgegebenen Spannungsbands liegen. Dieser Vorgang wird im Gegensatz zur oben beschriebenen Vorgehensweise auch als aktives Balancing bezeichnet. Er hat dabei den Nachteil, dass er nur während eines Ladevorgangs der Gesamtbatterie erfolgen kann, und dass dabei ein vergleichsweise hoher Aufwand bei der Verteilung der beim Laden anfallenden Energie notwendig ist.Therefore, systems for cell voltage compensation are known from the prior art. These are also called balancing systems. They serve to keep in the electrical energy storage all individual memory cells as possible at a same voltage level. In principle, two different options are used to influence the voltages of the individual memory cells. Both options are based on the assumption that, as is customary in the general state of the art, the individual voltages of the individual memory cells are respectively detected and present as measured values, for example in a data bus system. The first option of cell voltage compensation is often referred to as dissipative or passive equalization or balancing. It consists essentially in that via resistors, which are connected via switches with the individual memory cells, a discharge of the memory cells with high or above a threshold voltage lying. The problem with this is that the energy released during discharging is converted into thermal energy in the electrical resistors and is lost or has to be cooled down. The second alternative, in contrast, provides that the cells with the lowest voltage or a voltage below a predetermined limit value are recharged accordingly until they are within the specified voltage band. In contrast to the procedure described above, this process is also referred to as active balancing. He has the disadvantage that it can be done only during a charging process of the overall battery, and that while a relatively high cost in the distribution of energy accumulating during charging is necessary.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Zellspannungsausgleich anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet. Außerdem ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, einen Energiespeicher anzugeben, welcher für ein derartiges Verfahren geeignet ist.The object of the present invention is now to provide a method for cell voltage compensation, which avoids these disadvantages. Moreover, it is the object of the present invention to provide an energy store which is suitable for such a method.
Die oben genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Ein zur Lösung der Aufgabe geeigneter Energiespeicher ergibt sich aus den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5.The above object is achieved by a method having the features in the characterizing part of
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, dass einzelne Speicherzellen mit einer Spannung über einem vorgegebenen oberen Spannungswert über die Schalter in an sich bekannter Art und Weise entladen werden. Die beim Entladen anfallende Energie wird jedoch nicht an elektrischen Widerständen thermisch umgesetzt, sondern wird in einem Zwischenspeicher gespeichert. Danach kann durch eine geeignete Betätigung der Schalter das Entladen beendet werden und die in dem Zwischenspeicher vorliegende Energie kann zum Laden von anderen einzelnen Speicherzellen verwendet werden, deren Spannung unterhalb eines unteren Spannungswerts liegt.The inventive method now provides that individual memory cells are discharged with a voltage above a predetermined upper voltage value via the switches in a conventional manner. However, the energy generated during discharging is not thermally converted to electrical resistors, but is stored in a buffer. Thereafter, by appropriate operation of the switches, the discharge may be terminated and the energy present in the buffer may be used to charge other individual memory cells whose voltage is below a lower voltage value.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also einen Zellspannungsausgleich vor, bei dem einzelne Speicherzellen mit zu hoher Spannung gezielt entladen und andere Speicherzellen mit zu niedriger Spannung gezielt geladen werden. Die aus den Speicherzellen mit zu hoher Spannung entnommene Energie wird dabei zwischengespeichert und kann zum Laden der einzelnen Speicherzellen mit zu niedriger Spannung verwendet werden. Das Verfahren zum Zellspannungsausgleich funktioniert daher sehr energieeffizient, da lediglich die im Zwischenspeicher anfallenden Leistungsverluste verlorengehen, während ein Großteil der aus den Speicherzellen mit zu hoher Spannung entladenen Energie wieder zum Laden von anderen Speicherzellen mit zu niedriger Spannung eingesetzt werden kann. Dieser Zellspannungsausgleich ist immer möglich, auch wenn der Energiespeicher als Ganzes im Ruhezustand befindlich ist oder gerade geladen oder entladen wird. Anders als bei dem aktiven Zellspannungsausgleich gemäß dem Stand der Technik ist die Funktionalität nicht auf die Zeitpunkte beschränkt, in denen der Energiespeicher aktiv geladen wird.Thus, the method according to the invention provides for a cell voltage equalization in which individual memory cells are deliberately discharged with too high a voltage and other cells with too low a voltage are deliberately charged. The energy removed from the memory cells with too high a voltage is buffered and can be used to charge the individual memory cells with too low a voltage. The method of cell voltage compensation therefore works very energy efficient, since only the power losses incurred in the buffer are lost while a large part of the energy discharged from the memory cells with too high a voltage can be used again for charging other memory cells with too low a voltage. This cell voltage compensation is always possible, even if the energy storage device as a whole is in the idle state or is just being charged or discharged. Unlike the prior art active cell voltage compensation, functionality is not limited to those times when the energy store is actively charged.
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Zwischenspeicher dabei beispielsweise ein kapazitiver oder ein induktiver Zwischenspeicher verwendet werden.According to a particularly favorable and advantageous development of the method according to the invention, a capacitive or an inductive intermediate store can be used as the buffer store.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher sieht es nun vor, dass, wie aus dem Stand der Technik üblich, jeder einzelnen Speicherzelle Schalter zugeordnet sind. Zusätzlich dazu weist der Energiespeicher einen Zwischenspeicher auf. Jeder der Pole jeder einzelnen Speicherzelle ist dabei mit zwei Schaltern verbunden, wobei der erste Schalter jeweils mit einer ersten Klemme des elektrischen Zwischenspeichers und der zweite Schalter jeweils mit einer zweiten Klemme des elektrischen Zwischenspeichers verbunden ist. Dadurch kann über ein gezieltes Ansteuern der Schalter jede einzelne Speicherzelle in der einen oder der anderen Polung mit dem elektrischen Zwischenspeicher verbunden werden. Je nach Anschlusspolung der einzelnen Speicherzelle an dem elektrischen Zwischenspeicher und dessen Ansteuerung wird die Speicherzelle dann entladen und die Energie wird in dem Zwischenspeicher zwischengespeichert oder die Speicherzelle wird in der anderen Polung mit Energie aus dem elektrischen Zwischenspeicher geladen. Eine geeignete Ansteuerung der Schalter ermöglicht so also ein Entladen und Laden von einzelnen Speicherzellen, beispielsweise anhand ihrer Spannung, wie oben beschrieben, um so ohne beziehungsweise mit minimalem Verlust an Energie einen Zellspannungsausgleich zu realisieren.The energy store according to the invention now provides that, as usual in the prior art, each individual memory cell is associated with switches. In addition, the energy store has a cache. Each of the poles of each memory cell is connected to two switches, wherein the first switch is connected to a respective first terminal of the electrical buffer and the second switch is in each case connected to a second terminal of the electrical buffer. As a result, each individual memory cell in one or the other polarity can be connected to the electrical buffer via targeted activation of the switches. Depending on the terminal polarity of the individual memory cell to the electrical buffer and its control, the memory cell is then discharged and the energy is stored in the buffer or the memory cell is charged in the other polarity with energy from the electrical buffer. A suitable activation of the switches thus makes it possible to discharge and charge individual memory cells, for example by means of their voltage, as described above, so as to realize cell voltage compensation without or with minimal loss of energy.
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung können die Speicherzellen des Energiespeichers dabei in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet sein. Insbesondere bei Energiespeichern in Lithium-Ionen-Technologie, welche eine sehr hohe Energiedichte ermöglichen, spielt der Zellspannungsausgleich zwischen den einzelnen Speicherzellen eine entsprechend hohe Rolle, da das exakte Einhalten eines möglichst geringen Spannungsbandes für jede einzelne der Speicherzellen des Energiespeichers einen sehr positiven Einfluss auf Performance und Lebensdauer der Speicherzellen in Lithium-Ionen-Technologie hat.According to a particularly favorable and advantageous development, the memory cells of the energy store can be embodied in lithium-ion technology. Especially with energy storage in lithium-ion technology, which allow a very high energy density, the cell voltage compensation between the individual memory cells plays a correspondingly high role, since the exact adherence of the lowest possible voltage band for each of the memory cells of the energy storage a very positive impact on performance and lifetime of memory cells in lithium-ion technology has.
Eine besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde, sieht es nun vor, dass dieses Verfahren mit einem gemäß der Erfindung gestalteten Energiespeicher eingesetzt wird. Dieser Aufbau ist besonders effizient, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.A particularly preferred use of the method, as described above, it now provides that this method is used with a designed according to the invention energy storage. This structure is particularly efficient for carrying out the method according to the invention.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder des erfindungsgemäßen Energiespeichers ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.Further advantageous embodiments of the method according to the invention and / or of the energy store according to the invention will become apparent from the remaining dependent subclaims and will be apparent from the embodiment, which will be explained in more detail with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
In an sich bekannter und daher hier nicht dargestellter Art und Weise werden dabei die Spannungen von jeder einzelnen Speicherzelle
Die Steuerungselektronik
In der Darstellung der
In der anderen Nutzung, also wenn zwischengespeicherte Energie aus dem Zwischenspeicher
In der
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012020544A1 (en) | 2012-10-19 | 2014-04-24 | Wolfram Walter | Device for charging two serially connected battery cells of energy storage i.e. battery, has charging devices connected with battery cells of energy storage and connected with power supply independent of state of charge of cells |
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2010
- 2010-11-10 DE DE102010051011A patent/DE102010051011A1/en not_active Withdrawn
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DE102012020544A1 (en) | 2012-10-19 | 2014-04-24 | Wolfram Walter | Device for charging two serially connected battery cells of energy storage i.e. battery, has charging devices connected with battery cells of energy storage and connected with power supply independent of state of charge of cells |
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