DE102011054790A1 - Batterie mit mehreren Akkumulator-Zellen und Verfahren zum Betreiben einer solchen - Google Patents

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Abstract

Ausgehend von einer Batterie (100) mit mehreren Akkumulator-Zellen, von denen N erste Akkumulator-Zellen (111 ... 114) miteinander in Reihe zu mindestens einem Zellen-Strang (110) verschaltet sind, wobei N zweite Akkumulator-Zellen (121 ... 124) mittels N + 2 Schaltelementen (131 ... 133', 134, 134') jeweils parallel schaltbar zu einzelnen der N ersten Akkumulator-Zellen (111 ... 114) angeordnet sind, wird zum Ladungsausgleich zwischen den Zellen vorgeschlagen, dass die Schaltelemente (131 ... 133', 134, 134') beschaffen sind, Zweiwegeschaltungen (A, B) zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen herzustellen, wobei jede zweite Akkumulator-Zelle (121) wechselweise entweder zu einer ersten Akkumulator-Zelle (111) innerhalb des Zellen-Strang (110) oder zu einer dazu benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle (112) parallel schaltbar ist. Vorzugsweise sind die Schaltelemente (131 ... 133', 134, 134') steuerbar und stellen in vorgebaren Zeitintervallen (TA, TB) fortlaufend die Zweiwegeschaltungen (A, B) zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen wechselweise so her, dass jede zweite Akkumulator-Zelle (121) in einem ersten Zeitintervall (TA) parallel zu der einen ersten Akkumulator-Zelle (111) geschaltet ist und in einem zweiten Zeitintervall (TB) parallel zu der benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle (112) geschaltet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren Akkumulator-Zellen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Batterie, die mehrere gleichartige Akkumulator-Zellen (wieder aufladbare Sekundär-Zellen) aufweisen, welche seriell zu ein oder mehreren Strängen miteinander verschaltet sind, um im Wesentlichen die gewünschte Betriebsspannung zu definieren. Dabei können auch mehrere Stränge wiederum parallel miteinander verschaltet sein, um die Kapazität und Leistung der Batterie zu erhöhen. Die Erfindung ist insbesondere auf den Aufbau einer leistungsstarken Batterie, wie z. B. einer mehrzelligen Lithium-Ionen-Batterie, gerichtet.
  • Batterien mit mehreren Akkumulator-Zellen, im Weiteren auch kurz Zellen genannt, sind hinlänglich bekannt. Seit einigen Jahren sind auch Batterien bekannt, die eine flexible Array-Struktur aufweisen, welche es ermöglicht, einzelne Zellen innerhalb des Arrays zu aktivieren oder zu deaktivieren. Beispielsweise ist aus der WO 03/041206 A1 eine als „digitale Batterie” bezeichnete Array-Struktur bekannt, bei der mehrere Zellen seriell und parallel miteinander über Schaltelemente verschaltet werden können. Beispielsweise hat das Array N = 9 × M = 6 Zellen, wobei jeweils N Zellen seriell zu einem Strang verschaltet werden können. Maximal können M = 6 Stränge gebildet und parallel verschaltet werden. Die Schaltelemente befinden sich zwischen den Zellen und sind in Form einer Matrix angeordnet. Dadurch können verschiedene Schaltwege aktiviert werden, die es erlauben, bei Ausfall einzelner Zellen, diese aus der aktiven Verschaltung herauszunehmen und somit die Betriebsbereitschaft aufrecht zu erhalten. Außerdem können kürzere oder Längere Schaltwege (Pfade) aktiviert werden, um verschiedene Betriebsspannungen und/oder Kapazitäten darzustellen. Diese können an busförmigen Anschlussleitungen abgeriffen werden.
  • Demnach ist eine Batterie mit mehreren Akkumulator-Zellen bekannt, von denen N erste Akkumulator-Zellen miteinander in Reihe zu einem Zellen-Strang (z. B. dem obersten Strang) verschaltet sind, wobei N zweite Akkumulator-Zellen (d. h. die Zellen eines anderen Strangs) mittels Schaltelementen jeweils parallel schaltbar zu einzelnen der N ersten Akkumulator-Zellen angeordnet sind.
  • Diese bekannte Batterie weist zwar eine flexible Struktur auf, die es erlaubt, verschiedene Spannungen und Kapazitäten darzustellen. Außerdem können defekte Zellen deaktiviert werden. Allerdings hat diese Art von Batterie, so wie jede einfache Batterie auch, das Problem, dass bereits vor dem Auftreten von Defekten in einzelnen Zellen, darauf geachtet werden muss, dass jede einzelne intakte Zelle beim Aufladen gegen Überspannung und beim Entladen gegen Unterspannung geschützt werden muss.
  • Um dieses zu erreichen sind sogenannte Ladeausgleichs-Verfahren (Charge Balancing) bekannt, die dafür sorgen, dass die in Reihe geschalteten Zellen einen möglichst einheitlichen Ladungszustand aufweisen. Diese Verfahren sind besonders wichtig bei Hochleistungs-Batterien, wie z. B. bei Lithium-Ionen-Batterien, die zum Erreichen von höheren Modulspannungen eine Vielzahl von Zellen aufweisen, welche in Reihe zu ein oder mehreren Strängen geschaltet sind. Damit die Einzelzellen gegen Überspannung (Überladung) und Unterspannung geschützt werden können, kommen sogenannte Zellbalancing-Verfahren und -Vorrichtungen zum Einsatz, die einen Ladungsausgleich der einzelnen in Reihe geschalteten Zellen untereinander ermöglichen.
  • Folgende verschiedene Verfahren zum Ladungsausgleich sind bekannt:
    Bei dem sogenannten Shunting-Verfahren werden voll aufgeladene Zellen mit einem Bypass überbrückt, wodurch sich ein Entladestrom für die jeweils überbrückte Zelle ausbildet. Das Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis die Spannungen aller Zellen innerhalb des Strangs möglichst gut angenähert sind und somit die Ladung der Zellen ausgeglichen (balanciert) ist. Als Vorteile dieses Verfahrens sind seine preisgünstige Realisierbarkeit und die geringen EMV-Probleme durch die niedrige Schaltfrequenz zu nennen. Allerdings funktioniert dieses Verfahren nur zufriedenstellend bei Akkumulatoren mit einer Zellchemie, die eine steile Spannungs-Ladungskennlinie aufweisen (z. B. LiCoO2), da der Ladezustand anhand der Ruhespannung geschätzt wird. Das Verfahren funktioniert somit nur dann, wenn die Batterie in Ruhe ist und der SOC (State of Charge; Ladezustand) einen hohen Wert hat. Im laufenden Betrieb der Batterie ist das Shunting-Verfahren nicht anwendbar. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Ladungsausgleich verlustbehaftet ist, da die überschüssige Ladung durch einen Widerstand (Shunt) in Wärmeemergie umgewandelt wird.
  • Bei dem sogenannten Capacitive-Load-Pump-Verfahren wird über Kondensatoren ein Anteil der Ladung von Zellen mit höherem Ladezustand (Höherer Spannung) abgenommen und über Umschalter auf die Nachbarzellen übertragen. Das Verfahren ist vergleichsweise günstig und einfach zu realisieren. Es setzt allerdings voraus, dass die Ladungsunterschiede zwischen den Zellen nur gering sind, da über die Kondensatoren nur relativ kleine Energiemengen transportiert werden können. Zudem muss die Schaltfrequenz hoch gewählt werden, um eine gewisse Effektivität zu erreichen. Ein Ausgleich größerer Zell-Asymmetrien ist mit diesem Verfahren kaum möglich.
  • Die induktiven Verfahren mit Spulen oder Übertragern funktionieren in verschiedenen Betriebszuständen der Batterie. Dieser Lösungsweg ist aber aufgrund der induktiven Bauelemente recht teurer, aufwändiger und größer als bei dem Shunt- oder dem Charge-Pump-Verfahren. Zudem steigt die EMV-Problematik aufgrund des getakteten Schaltungsprinzips.
  • Diese bekannten Verfahren haben den Nachtteil, dass Zusatzbauteile, wie z. B. Kapazitäten, Spulen oder Übertrager, verwendet werden müssen, wodurch sich insbesondere beim Einsatz im Bereich von Hochleistungs-Batterien, ein großer Material- und Kostenaufwand ergeben kann.
  • Die Ladungsausgleichs-Verfahren werden im besonderen Maße auf Batterien für industrielle Traktionsanwendungen (wie Elektro-Mobilität) und stationäre Energiespeicher angewendet, da für diese Batterien sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Sicherheit bestehen. Oftmals laufen Industrieanwendungen im unterbrechungsfreien Dauerbetrieb. Ein definierter Ruhezustand, während dem die Zellen ausbalanciert werden können, ist somit nicht vorhanden. Außerdem tritt bei bestimmten Anwendungen der Fall auf, dass der Ladeschluss oder der Entladezustand nicht erreicht wird. Dies macht die Ladezustandsbestimmung über bilanzierende Verfahren schwierig bis unmöglich, da keine zyklische Rekalibrierung auf den Volllade oder Leerzustand erfolgen kann.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Batterie der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass die zuvor genannten Nachteile in vorteilhafter Weise überwunden werden. Insbesondere sollen eine Batterie und ein Verfahren zum Betreiben der Batterie vorgeschlagen werden, die einen effektiven und kostengünstigen Ladungsausgleich innerhalb der Zellen-Struktur ermöglichen.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.
  • Demnach werden in der Batterie Schaltelemente verwendet, die beschaffen sind, Zweiwegeschaltungen zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen herzustellen, wobei jede zweite Akkumulator-Zelle wechselweise entweder zu einer ersten Akkumulator-Zelle innerhalb des Zellen-Strang oder zu einer dazu benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle parallel schaltbar ist.
  • Vorgeschlagen wird auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie, bei der N erste Akkumulator-Zellen miteinander in Reihe zu mindestens einem (ersten) Zellen-Strang (Strang 110) verschaltet werden, und wobei N zweite Akkumulator-Zellen mittels Schaltelementen jeweils parallel schaltbar zu einzelnen der N ersten Akkumulator-Zellen angeordnet werden und einen zweiten Strang (Strang 120) bilden, indem mittels der Schaltelemente Zweiwegeschaltungen zwischen den ersten Zellen des Stranges 110 und den zweiten Zellen des Stranger 120 hergestellt werden, wobei jede zweite Akkumulator-Zelle wechselweise entweder zu einer ersten Akkumulator-Zelle oder zu einer innerhalb des Zellen-Stranges (Strang 110) benachbarten ersten Akkumulator-Zelle parallel geschaltet wird.
  • Durch die Erfindung wird ein Ladungsausgleich (Balancing) erreicht, der ausschließlich mit Hilfe der Akkumulator-Zellen selbst durchgeführt werden kann, in dem die Zellen des einen Stranges (Strang 120) mit den Zellen des anderen Stranges (Strang 110) flexibel verschaltbar sind. Dabei ist jede Zelle des Stranges 120 wechselweise einer bestimmten Zelle des Stranges 110 und einer benachbarten Zelle des Stranges 110 zugeordnet und kann wechselweise zu der einen oder der anderen Zelle parallel geschaltet werden, so dass die wechselnde Parallelschaltung einen Ausgleich von Ladungszuständen zwischen den Zellen des Stranges 110 bewirkt und auch den Strang 120 ausgleicht. Es ergibt sich also eine gegenseitiges Balancing, ohne dass zusätzliche Speicherelemente, wie z. B. Kondensatoren oder Spulen, benötigt werden. Die Zellen des Stranges 120 bilden eine vollwertige galvanische Reihe, die parallel zum Strang 110 angeordnet ist und somit voll zur Gesamtkapazität der Batterie beiträgt.
  • Die erfindungsgemäße Batterie ist besonders gut für industrielle Traktionsanwendungen und stationäre Energiespeicher geeignet sein. Dabei soll auch im Dauerbetrieb der Batterie ein Ausbalancieren der Zellen erreicht werden können, wobei gegebenenfalls auch eine Ladezustandsbestimmung über bilanzierende Verfahren angewendet wird.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Demnach ist es vorteilhaft, wenn die Schaltelemente steuerbar sind bzw. angesteuert werden und wenn in vorgebaren Zeitintervallen fortlaufend die Zweiwegeschaltungen zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen wechselweise so hergestellt werden, dass jede zweite Akkumulator-Zelle in einem ersten Zeitintervall parallel zu der einen ersten Akkumulator-Zelle geschaltet ist und in einem zweiten Zeitintervall parallel zu der benachbarten ersten Akkumulator-Zelle geschaltet ist. Dadurch ergibt sich ein ständiges Hin- und Herschalten was die Zuordnung der Zellen des Stranges 120 zu den Zellen des Stranges 110 betrifft.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die mittels der Schaltelemente geschalteten zweiten Akkumulator-Zellen miteinander in Reihe zu einem zweiten Zellen-Strang geschaltet, der parallel zu dem ersten Zellen-Strang geschaltet ist. Der zweite Zellen-Strang (Strang 120) ist als Strang mit vollwertiger Energiespeicher-Funktion ausgebildet.
  • Von Vorteil ist es auch, wenn zumindest eine Zelle der zweiten Akkumulator-Zellen mit mehreren Schaltelementen verbunden ist, welche beschaffen sind, diese zweite Akkumulator-Zelle zumindest für ein vorgebbares drittes Zeitintervall von Verschaltungen mit den ersten und/oder zweiten Akkumulator-Zellen zu trennen und mit einer Messeinrichtung zu verbinden. Dadurch kann diese Zelle zeitweilig für Messzwecke benutzt werden. Insbesondere können Ladungszustand und Kapazität genau ermittelt werden, um das Batterie-Management zu optimieren.
  • Bei dem Verfahren zum Betreiben der Batterie werden vorzugsweise die Schaltelemente insbesondere durch eine Prozessor-gesteuerte Einheit angesteuert, wobei in vorgebaren Zeitintervallen, insbesondere gleichlangen Zeitintervallen, fortlaufend die Zweiwegeschaltungen zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen wechselweise so hergestellt werden, dass jede zweite Akkumulator-Zelle (im Strang 120) in einem ersten Zeitintervall parallel zu der einen ersten Akkumulator-Zelle (im Strang 110) geschaltet wird und in einem zweiten Zeitintervall parallel zu der benachbarten ersten Akkumulator-Zelle (im Strang 110) geschaltet wird. Dabei werden die zweiten Akkumulator-Zellen miteinander in Reihe zu einem zweiten Zellen-Strang (Strang 120) geschaltet, der parallel zu dem ersten Zellen-Strang (Strang 110) geschaltet wird.
  • Nachfolgend wird die Erfindung näher im Detail anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen wird, die folgende schematische Darstellungen wiedergeben:
  • 1 zeigt den schematischen Aufbau bzw. die Struktur einer erfindungsgemäßen Batterie;
  • 2a zeigt die Batterie nach 1 in einem ersten Schaltzustand;
  • 2b zeigt die Batterie nach 1 in einem zweiten Schaltzustand;
  • 2c zeigt zu 2a/b schematisch ein Zeitdiagramm mit den wechselnden Schaltzuständen;
  • 3 zeigt die Batterie nach 1 im Zustand während eines Messintervalls; und
  • 4 zeigt zur 3 schematisch ein Zeitdiagramm mit den wechselnden Schaltzuständen.
  • Die 1 zeigt die Struktur einer erfindungsgemäßen Batterie 100 mit einem ersten Strang 110 (festgelegte Reihenschaltung), der aus mehreren in Reihe geschalteten ersten Akkumulator-Zellen 111, 112, 113 und 114 besteht. Beispielhaft sind hier nur N = 4 Zellen hintereinander geschaltet und bilden ein erste galvanische Reihe mit der N-fachen Zellen-Spannung. Schaltet man beispielsweise mindestens N = 100 Lithium-Ionen-Zellen in Reihe können von mehr als 300 Volt erreicht werden, so wie dies bei Batterien für Elektrofahrzeuge erforderlich ist. Es können auch mehrere solcher Reihen (Stränge) parallel geschaltet werden. Die Zellspannungen innerhalb eines solchen Stranges können durchaus voneinander (z. B. um mehrere 100 Millivolt) abweichen und es kann sich ein Ladungs-Ungleichgewicht ergeben.
  • Zum Ladungsausleich (Balancing) werden nun (N = 4) Zellen 121, 122, 123 und 124 verwendet, die mittels (N + 2) Schaltelementen 131, 132, 133, 133' sowie 134 und 134' zugeschaltet werden und einen weiteren Strang 120 ausbilden, der im Prinzip dieselbe galvanische Reihe wie der Strang 110 darstellt und somit auch zur Gesamtkapazität der Batterie beiträgt. Der Ladungsausgleich erfolgt mit Hilfe dieser zweiten Zellen 121 bis 124; besondere Ausgleichsmittel und zusätzliche Bauteile, wie z. B. Kondensatoren, Spulen etc. sind nicht erforderlich. Der Ladungsausgleich erfolgt im Wesentlichen durch eine wechselweise sich ändernde Verschaltung der zweiten Zellen (Strang 120) mit den ersten Zellen (Strang 110) gemäß dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren. Dabei ist zu beachten, dass im Strang 120 zunächst N – 1 Zellen in Reihe geschaltet sind (hier die Zellen 121 bis 123) und dass die weitere Zelle 124 über die ihr zugeordneten Schaltelemente 134 bzw. 134' an das eine Ende (oben vor die Zelle 121) oder an das untere Ende (hinter die Zelle 123) geschaltet werden kann. Durch die weiteren Schaltelemente 131 bis 133 und eines der besagten Schaltelemente 134 oder 134' können dann alle Zellen 121 bis 124 des Stranges 120 parallel zu den Zellen des Stranges 110 geschaltet werden.
  • Das Prinzip der wechselweisen Verschaltung und das danach arbeitende Verfahren zum Betreiben der Batterie werden nun eingehender beschrieben, wobei auch auf die 2a und 2b sowie 2c Bezug genommen wird. Anhand der 3 und 4 wird nachfolgend auch beschrieben, wie mit der erfindungsgemäßen Batterie-Struktur eine Bestimmung des Ladezustandes der Batterie durchgeführt werden kann. Die Erfindung ermöglicht also sowohl ein Balancing im laufenden Betrieb als auch eine genaue Bestimmung des Ladezustands.
  • Nach dem hier vorgestellten und in 1 veranschaulichten Schaltungsprinzip ist die Batterie 100 aus mehreren Einzel-Zellen 111–114 und 121–124 in Reihen-Parallelschaltung aufgebaut. Die Batterie ist in einen Strang 110 mit den ersten Zellen 111–114 (festgelegte Reihenfolge) und einen Strang 120 mit den zusätzlichen (zweiten) Zellen 121–124 (wechselnde Verschaltung) unterteilt. Der Strang 120 ist mit dem Strang 110 durch Schaltelemente 131–133 sowie 134 und 134', wie in 1 dargestellt, verbunden. Es können auch mehrere Stränge parallelgeschaltet werden, um die Kapazität der Batterie 100 zu erhöhen. Als Schaltelemente können jede Art von Schaltern verwendet werden, vorzugsweise Halbleiter-Schaltelemente, wie z. B. MOSFETs oder mechanische Schalter, wie z. B. Relais. Jedes Schaltelement bzw. jede Zweiergruppe von Schaltelementen kann nach Art eines Zweiwege-Schalters zwischen den beiden Schaltzuständen A und B hin- und herschalten. Dies wird in der 1 symbolisch durch die Einzel-Schalter A und B veranschaulicht.
  • Durch ein phasenversetztes Schalten der Schalterelemente (z. B. 131) in den Zustand A oder B wird der Strang 110 in einer ersten Phase (siehe Zeitintervall TA in 2c) mit den Zellen des Stranges 120 in einer ersten Lage (siehe Schalterstellungen A in 2a) verschaltet, so dass die Zelle 121 parallel zur Zelle 111 geschaltet ist und die Zelle 122 parallel zur Zelle 112 usw.. Demnach befindet sich der Strang 120 in Parallelschaltung so zum Strang 110, dass die Reihenfolge der Zellen in beiden Strängen dieselbe ist und mit 111 bzw. 121 beginnt. Dabei gleichen sich die Ladungszustände zwischen den jeweils parallel geschalteten Zellen (z. B. 111 und 121) aneinander an. Der Strang 120 entspricht also dem Ersatzschaltbild 120' nach 2a.
  • Dann wird in einer zweiten Phase (siehe Zeitintervall TB in 2c) die Lage der Zellen des Stranges 120 in eine zweite Lage versetzt (siehe Schalterstellungen B in 2b), so dass nun die Zelle 121 parallel zur Zelle 112 geschaltet ist und die Zelle 122 parallel zur Zelle 113 usw. Zu beachten ist, dass die Zelle 124 nun parallel zur Zelle 111 geschaltet ist. Somit befindet sich der Strang 120 jetzt in einer zum Strang 110 versetzten Parallelschaltung, nämlich in einer um eine Position nach unten versetzten Lage. Die Reihenfolge der Zellen im Strang 110 beginnt mit der Zelle 111; die Reihenfolge im Strang 120 beginnt jedoch mit der Zelle 124 und geht dann weiter mit 121, 123 und 123 (siehe 2b). Somit wurde der Strang 120 um eine Position nach unten verschoben. Der Strang 120 entspricht also dem Ersatzschaltbild 120'' nach 2b. Es gleichen sich nun die Ladungszustände zwischen den jetzt parallel zueinander geschalteten Zellen an, also z. B. der Ladungszustand der Zelle 111 zu dem der Zelle 124. Dadurch findet ein Ladungstransfer zu den jeweils benachbarten Zellen des Stranges 110 statt. Gleiches gilt für den Strang 120. Der Ladungstransfer führt letztendlich zum vollständigen Ausgleich aller Zellenladungen.
  • Folglich kann der Ladungsausgleich nach dem Ladungspumpen-Prinzip durchgeführt werden, ohne zusätzliche Energie-Speicherelemente (Kondensatoren, Spulen) einsetzen zu müssen. Denn der Ladungsausgleich erfolgt mit den Batterie-Zellen selbst. Demnach bleibt bei Anwendung der Erfindung eine Batterie mit 100 Ah im Prinzip eine 100 Ah-Batterie; allerdings mit dem wesentlichen Unterschied, dass der erfindungsgemäße Batterie-Aufbau gegenüber einem konventionellen Aufbau, intern in 2 Stränge unterteilt wurde und dass keine zusätzlichen Ladungs- bzw. Energiespeicher (Kondensatoren, Spulen) für den verlustfreuen Ladungsausgleich benötigt werden.
  • Betrachtet man das Struktur-Schema der Batterie in 1, so befindet sich in der Reihenschaltung des Stranges 120 zunächst eine Zelle weniger (N – 1 Zellen auf der rechten Seite 121–123) als im Strang 110 (N = 4 Zellen 111–114). Die N – 1 Zellen des Stranges 120 sind entweder parallel zum Anfang oder zum Ende des Stranges 110 geschaltet (siehe Schalterstellung A oder B). Das bedeutet, dass ohne zusätzliche Maßnahmen die untersten bzw. obersten Zellen des Stranges 110 stärker strombelastet werden als die übrigen. Um diese Asymmetrie auszugleichen, wird im Strang 120 eine weitere Zelle 124 hinzu geschaltet als parallele oberste Zelle (siehe 2b) bzw. als unterste Zelle (siehe 2a).
  • Mit anderen Worten: Durch Lagenversatz der Reihenschaltung der N – 1 Zellen 121–123 besteht am oberen oder am unteren Ende ein Platz für das Hinzuschalten der N-ten Zelle 124. Somit entsteht dann immer ein vollwertiger Strang 120 bzw. 120' oder 120'' (siehe 2a und 2b), der parallel zum Strang 110 geschaltet ist.
  • Alle Batterie-Zellen sind somit gleich belastet. Die gezeigte Batteriestruktur (siehe 1 sowie 2a bzw. 2b) bestehend aus einer Kombination von mindestens einem Strang 110 mit einem weiteren Strang 120 bzw. 120' oder 120'' (incl. der Hilfszelle 124) ist quasi mit einer symmetrischen Reihen-Parallelschaltung (N Zellen in Serie jeweils zu einem Strang; P Stränge parallel) identisch.
  • Das Verfahren des wechselnden Zuschaltens der Zellen 121–124 weist u. a. den besonderen Vorteil auf, dass ein Ladungsausgleich bei jedem Betriebszustand der Batterie (Laden, Entladen, Ruhe und Vollast) durchführbar ist. Die Überschussenergie einzelner Zellen wird – ohne Zwischenspeicherung – auf andere Zellen umverteilt und nicht in Wärme umgesetzt. Das hier vorgeschlagene Balancing-Verfahren ist quasi verlustfrei. Ein Überladen einzelner Zellen ist bei dem Verfahren prinzipiell nicht möglich. Die Batterie und ihre Schaltungsanordnung hat im Strang 110 keine Schaltelemente (MOSFETs, Relais) in Reihe, wodurch ein minimaler Innenwiderstand erreicht wird.
  • Die Schaltelemente 131–134/134' und ggf. die Steuerung (nicht dargestellt) werden hier auch als „Balancer” bezeichnet und können in die Batterie ganz oder teilweise integriert werden oder können auch separat ausgeführt werden. Der Balancer kann bei entsprechender mechanischer Auslegung im laufenden Betrieb gewechselt bzw. in Stand gesetzt werden. Die Balancer-Schaltung enthält keine induktiven Bauelemente zur Energieübertragung, sondern nutzt die Batterie-Zellen selbst dafür (Doppelnutzen). Die Schaltung weist sehr gute EMV-Eigenschaften da prinzipbedingt eine niedrige Schaltfrequenz z. B. im Hertz-Bereich angewendet werden kann und so steile Stromspitzen vermieden werden.
  • Das hier beschriebene Balancing-Verfahren entlastet prinzipbedingt schwächere Zellen. Der Gesamtenergiegehalt der Reihen-Parallelschaltung der Zellen wird durch das Schaltungsprinzip komplett ausgenutzt. Im Stand der Technik bestimmt die Kapazität der schwächsten Zelle die Gesamtkapazität der Batterie. Das ist bei der vorliegenden Erfindung nicht der Fall. Hieraus ergeben sich weitere Vorteile:
    • – Die Einzelzellen der Batterie brauchen vor dem Zusammenbau nicht zwingend klassifiziert und sortiert zu werden, um die maximale Pack-Kapazität zu erreichen.
    • – Die Gesamtlebensdauer der Batterie steigt aufgrund der Entlastung schwächerer Zellen
  • Zusätzlich zu der Balancing-Funktion, kann die Erfindung auch aufgrund der Schaltungstopologie ohne weiteren Schaltungsaufwand dazu eingesetzt werden, den genauen Ladezustand der Batterie im laufenden Betrieb zu ermitteln werden. Dies erlaubt eine Rekalibrierung der Strombilanz-Messung und wird im Folgenden anhand der 3 und 4 im Detail beschrieben:
    Die 3 zeigt die Batterie nach 1 in einem Zustand, bei dem die Zelle 124 von dem Strang 120 abgetrennt und separat an eine Messeinrichtung M angeschlossen ist. Dieser Zustand wird im laufendem Betrieb der Batterie während eines Messintervalls TO (siehe 4) eingenommen, wobei die Schalterstellungen A' und B' während des Messintervalls TO nicht mit den Schalterstellungen A und B korrespondieren. Die Zelle 124 dient dabei als Referenzzelle für eine Messung zur Bestimmung von Batterie-Zustandsgrößen.
  • Denn der zuverlässige Betrieb von Batteriesystemen setzt eine genaue Kenntnis des Zustandes des eingesetzten Batterie-Systems voraus. Sowohl der aktuelle Ladezustand (noch entnehmbare Ladungsmenge) als auch der Alterungszustand (Kapatitätsverlust bzw. Innenwiderstandsveränderung) geben Auskunft über die Betriebsbereitschaft und die Einsatzfähigkeit eines Batterie-Systems.
  • Während die Messung der Batterie-Zustandsgrößen im Labor unter definierten Bedingungen wenig Problemen darstellt, stößt die Bestimmung bei laufendem Betrieb dagegen auf erhebliche Schwierigkeiten. Eine Unterbrechung des Betriebs zur Messung z. B. der Kapazität ist bei den meisten Anwendungen nicht zulässig bzw. möglich.
  • Im Stand der Technik wird der Ladezustand im laufendem Betrieb entweder durch Ladebilanzierung ermittelt, wobei in gewissen Zeitabständen eine Rekalibierung erfolgen muss, damit der Wert nicht wegläuft, oder es wird mit Hilfe eines Batteriemodells anhand der Klemmenspannung die Ruhespannung geschätzt und über die Ruhespannungskennlinie auf den Ladezustand geschlossen. Beide Verfahren erlauben jedoch keine exakte Bestimmung des Ladezustandes und können zu erheblichen Unsicherheiten und stark schwankenden Ergebnissen führen. Bei LiFePO-Zellen z. B. ist die Ladezustandsschätzung aufgrund der Flachen U-Q-Kennlinie im mittleren Bereich äußerst ungenau.
  • Das hier nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Mess-Verfahren zeigt diese Mängel nicht. Die Ausgleichszelle 124 (siehe 3), die im Normalbetrieb zum Ladungsausgleich zwischen oberster und unterster Zelle einer Reihenschaltung dient (vergl. 1 sowie 2a/b), wird nun auch zur Bestimmung der Zellenkenngrößen genutzt. Durch Öffnen von mindestens 3 der 4 Schalter der Zelle 124 (siehe 3) wird diese von der Batterie für eine bestimmte Zeitdauer abgekoppelt (siehe in 4 die dargestellten Schalterzustände A' und B' im Zeitintervall T0 während der Abkopplung der Zelle 124).
  • Die Kenngrößen können somit ohne zusätzliche Hilfsmittel z. B. durch einfache Ruhespannungs-Messung zur SOC-Bestimmung (State of Charge; Ladezustand) ermittelt werden. Dies kann auch mit Hilfsmitteln (Stromsenke zur Entladung, Quelle zur Ladung für SOC-, Kapazitäts- und Innenwiderstands-Bestimmung) durchgeführt werden. Während der Messung an der Zelle 124 kann die Gesamtbatterie weiterhin betrieben werden.
  • Die durch zeitweise (Intervall T0) Abkopplung der Zelle 124 entstandene Asymmetrie wird durch das stetig laufende Balancing mit den übrigen Zellen 121–123 bereits ausgeglichen. Nach erfolgter Messung wird die Zelle 124 wieder in den Balancing-Prozess eingekoppelt. Mit dem Messergebnis des SOC der Zelle 124 kann dann der SOC der Gesamtbatterie unter Berücksichtigung der Ladungsbilanz zuverlässig rekalibriert werden. Damit wird eine Methode zur präzisen Bestimmung des Ladezustandes und des Alterungszustandes eines Batteriemoduls während des Betriebs bereit gestellt.
  • Die Erfindung ist auf alle Arten von Batterie-Zellen und Modulen anwendbar, insbesondere auf solche, die in Hochleistungs-Batterien zum Einsatz kommen.
  • Die Erfindung ist daher besonders für den Aufbau und Betrieb von Hochleistungs-Batterien geeignet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 03/041206 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Batterie (100) mit mehreren Akkumulator-Zellen, von denen N erste Akkumulator-Zellen (111 ... 114) miteinander in Reihe zu mindestens einem Zellen-Strang (110) verschaltet sind, wobei N zweite Akkumulator-Zellen (121 ... 124) mittels Schaltelementen (131 ... 133, 134, 134') jeweils parallel schaltbar zu einzelnen der N ersten Akkumulator-Zellen (111 ... 114) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') beschaffen sind, Zweiwegeschaltungen (A, B) zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen herzustellen, wobei jede zweite Akkumulator-Zelle (121) wechselweise entweder zu einer ersten Akkumulator-Zelle (111) innerhalb des Zellen-Strangs (110) oder zu einer dazu benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle (112) parallel schaltbar ist.
  2. Batterie (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') steuerbar sind und in vorgebaren Zeitintervallen (TA, TB) fortlaufend die Zweiwegeschaltungen (A, B) zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen wechselweise so herzustellen, dass jede zweite Akkumulator-Zelle (121) in einem ersten Zeitintervall (TA) parallel zu der einen ersten Akkumulator-Zelle (111) geschaltet ist und in einem zweiten Zeitintervall (TB) parallel zu der benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle (112) geschaltet ist.
  3. Batterie (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') geschalteten zweiten Akkumulator-Zellen (121 ... 124) miteinander in Reihe zu einem zweiten Zellen-Strang (120, 120') geschaltet sind, der parallel zu dem ersten Zellen-Strang (110) geschaltet ist.
  4. Batterie (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine (124) der zweiten Akkumulator-Zellen (121 ... 124) mit mehreren Schaltelementen (134, 134') verbunden ist, die beschaffen sind, diese zweite Akkumulator-Zelle (124) zumindest für ein vorgebbares drittes Zeitintervall (T0) von Verschaltungen mit den ersten und/oder zweiten Akkumulator-Zellen zu trennen und mit einer Messeinrichtung (M) zu verbinden.
  5. Verfahren zum Betreiben einer Batterie (100) mit mehreren Akkumulator-Zellen, von denen N erste Akkumulator-Zellen (111 ... 114) miteinander in Reihe zu mindestens einem Zellen-Strang (110) verschaltet werden, wobei N zweite Akkumulator-Zellen (121 ... 124) mittels Schaltelementen (131 ... 133, 134, 134') jeweils parallel schaltbar zu einzelnen der N ersten Akkumulator-Zellen (111 ... 114) angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') Zweiwegeschaltungen (A, B) zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen hergestellt werden, wobei jede zweite Akkumulator-Zelle (121) wechselweise entweder zu einer ersten Akkumulator-Zelle (111) innerhalb des Zellen-Strang (110) oder zu einer dazu benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle (112) parallel geschaltet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') gesteuert werden, insbesondere durch eine Prozessor-gesteuerte Einheit, wobei in vorgebaren ersten und zweiten Zeitintervallen (TA, TB) fortlaufend die Zweiwegeschaltungen (A, B) zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen wechselweise so hergestellt werden, dass jede zweite Akkumulator-Zelle (121) in einem ersten Zeitintervall (TA) parallel zu der einen ersten Akkumulator-Zelle (111) geschaltet wird und in einem zweiten Zeitintervall (TB) parallel zu der benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle (112) geschaltet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') geschalteten zweiten Akkumulator-Zellen (121 ... 124) miteinander in Reihe zu einem zweiten Zellen-Strang (120, 120') geschaltet werden, der parallel zu dem ersten Zellen-Strang (110) geschaltet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine (124) der zweiten Akkumulator-Zellen (121 ... 124) mit mehreren Schaltelementen (134, 134') verbunden wird, die beschaffen sind, diese zweite Akkumulator-Zelle (124) zumindest für ein vorgebbares drittes Zeitintervall (T0) von Verschaltungen mit den ersten und/oder zweiten Akkumulator-Zellen zu trennen und mit einer Messeinrichtung (M) zu verbinden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebaren ersten und zweiten Zeitintervalle (TA, TB) gleichlang sind, insbesondere zwischen 0,1 Sekunden und 120 Sekunden lang sind.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgebare dritte Zeitintervall (T0) langer als die ersten und zweiten Zeitintervalle (TA, TB) ist, insbesondere bis 5 Stunden lang ist.
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