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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Entladevorgangs einer Batterie mit mehreren seriell miteinander verschalteten Batteriezellen, wobei zumindest zwei der Batteriezellen voneinander abweichende Energieinhalte aufweisen, wodurch die Batterie in einem inhomogenen energetischen Zustand ist, mit den Schritten eines Messens eines Wertes eines energetischen Parameters bei jeder der Batteriezellen und eines Ausgleichens des inhomogenen energetischen Zustands der Batterie basierend auf mindestens einem der gemessenen Werte des energetischen Parameters zum Einstellen eines homogeneren energetischen Zustands der Batterie.
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In vorbekannten Batterien mit einer Vielzahl an Batteriezellen geht es meist darum, nicht allein nur eine große Batteriekapazität und damit z. B. bei elektrifizierten Kraftfahrzeugen eine große Reichweite bereitzustellen, sondern eine vorhandene Batterie so zu nutzen, dass möglichst die volle Batteriekapazität ausgeschöpft werden kann. Hierzu ist bei Entlade- oder Ladevorgängen meist eine Steuerung vorgesehen, mittels welcher vermieden werden kann, dass einzelne Batteriezellen stärker beansprucht werden als andere und dadurch die Leistungsfähigkeit der gesamten Batterie geschwächt wird.
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Batteriezellen haben üblicherweise unterschiedliche Maximalkapazitäten, selbst wenn sie vom selben Typ sind, was z. B. durch voneinander abweichende Aktivierungsvorgänge zum Aktivieren der jeweiligen Batteriezelle verursacht sein kann. Zu den kennzeichnenden Größen einer aus seriell verschalteten Batteriezellen aufgebauten Batterie zählt neben der Kapazität der Batterie auch der relative Ladestand einzelner Batteriezellen, auch state of charge (SOC) genannt. Der Ladestand einer einzelnen Batteriezelle ist eine relative Größe bezogen auf die Kapazität der jeweiligen Zelle. Die Leistungsfähigkeit einer Batterie ist bei seriell verschalteten Batteriezellen auch von dem Ladestand der schwächsten Batteriezelle abhängig. Der Ladestand einer Batteriezelle sagt aus, wie sehr die Batteriezelle in Bezug auf ihre Maximalkapazität geladen oder entladen ist, gibt also einen relativen Wert für die tatsächlich verfügbare Energie in Bezug auf die von einer speziellen Batteriezelle maximal bereitstellbare Energie an.
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Um die gesamte oder zumindest einen hohen Anteil der Kapazität einer Batterie zu nutzen, sollten die einzelnen Batteriezellen möglichst eine vergleichbare Kapazität aufweisen und mit demselben Ladestand vorliegen. Dies ist meist über die Lebensdauer der Batterie nicht realisierbar, z. B. aufgrund von unterschiedlichen Alterungsgeschwindigkeiten.
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Um einer schnelleren Degradation der Kapazität vorzubeugen, insbesondere der Kapazität von denjenigen Batteriezellen einer Batterie, welche bereits eine geringere Kapazität aufweisen, können die Ladestände durch geeignete Ausgleichsvorgänge, so genanntes balancing, während der Entladung oder auch während Ruhe- oder Ladephasen auf einem vergleichbaren Niveau gehalten werden. Ein Ausgleichen des Ladestands der Batteriezelle mit niedriger Zellkapazität durch balancing-Ausgleichsvorgänge erfolgt dann basierend auf den relativen Ladestands-Werten. Ein balancing kann z. B. auf Dissipation von Energie einer Batteriezelle mit höherem Ladestand beruhen (was auch als passives balancing bezeichnet werden kann), oder auf einem Umverteilen von Energie einer Batteriezelle mit höherem Ladestand auf eine Batteriezelle mit niedrigerem Ladestand (was auch als aktives balancing bezeichnet werden kann).
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Die Patentanmeldung
US 2011/0025258 A1 zeigt ein System zum optimierten Laden und Entladen einer parallel verschalteten Batterie, wobei aufgrund des parallelen Aufbaus der Batterie eine zeitliche Komponente beim Laden, Entladen oder Ruhen berücksichtigt werden kann, insbesondere durch eine Vorrichtung mit einem Filter und einem Steuerprogramm basierend auf einer Schätzung des voraussichtlichen Energiebedarfs, und das Steuerprogramm ist dazu ausgebildet, die Batterie durch Auswahl spezifischer Batteriezellen in Bezug auf den Energiebedarf und basierend auf dem Ladestand einzelner Batteriezellen zu konfigurieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern eines Entladevorgangs einer Batterie mit mehreren seriell verschalteten Batteriezellen bereitzustellen, bei welchem die von der Batterie bereitgestellte Energie möglichst gut genutzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
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Bei einem Verfahren zum Steuern eines Entladevorgangs einer Batterie bestehend aus mehreren seriell verschalteten Batteriezellen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass als energetischer Parameter ein absoluter Energieinhalt herangezogen wird und das Ausgleichen durch Teilentladen zumindest einer der Batteriezellen auf einen definierten, bevorzugt für alle Batteriezellen einheitlichen, absoluten Energieinhalt erfolgt.
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Abweichende Energieinhalte einzelner Batteriezellen können durch unterschiedliche Zellkapazitäten oder unterschiedliche relative Ladestände, z. B. durch Selbstentladung verursacht, begründet sein. Unterschiedliche Zellkapazitäten können sich zwar auch direkt in einem abweichenden relativen Ladestand widerspiegeln, jedoch kann auch bei unterschiedlichen Zellkapazitäten zufällig derselbe relative Ladestand vorliegen. Ein elektrischer Parameter einer Batteriezelle, anhand welchem bei vorbekannten Verfahren ein Ausgleichen bevorzugt erfolgt, wie zuvor bereits beschrieben, ist der relative Ladestand (state of charge, SOC), eine relative Größe in Bezug auf die Ladekapazität einer jeweiligen Zelle.
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Im Rahmen der Erfindung hat sich im Gegensatz dazu Folgendes gezeigt: da der Ladestand in Bezug zur Kapazität einer jeweiligen Batteriezelle steht, kann nicht vermieden werden, dass während der Entladung der Ladungs- und damit der Energieinhalt der Batteriezellen nach wie vor unterschiedlich ist. Es kann lediglich erzielt werden, dass schwächere Batteriezellen mit geringerer Kapazität nicht deshalb schneller degradieren, weil sie fortwährend auf einem niedrigeren Ladestand betrieben werden. Nichtsdestotrotz wird die Kapazität einiger Batteriezellen in den meisten Fällen nicht voll genutzt. Einzelne Batteriezellen sind bereits vollständig entladen, während andere Batteriezellen durchaus noch einen Ladestand im zweistelligen Prozentbereich aufweisen können. Im Gegensatz dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, ein Ausgleichen basierend auf absoluten Energieinhalten, also z. B. den tatsächlichen Ladungsinhalten einzelner Batteriezellen, durchzuführen. Durch das Ausgleichen basierend auf einem absoluten Energieinhalt kann die gesamte Kapazität der Batterie besser genutzt werden, da alle Batteriezellen auf demselben absoluten Energieinhalt gebracht werden können und bei einem bestimmten in allen Batteriezellen vorliegenden absoluten Energieinhalt der Entladungsvorgang gestoppt und die Batterie wieder geladen werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Ausgleichen des inhomogenen elektrischen Zustands bereits zu Beginn der Verwendung einer frisch geladenen Batterie erfolgen, das Ausgleichen kann aber auch zwischendurch während der Verwendung der Batterie oder in regelmäßigen Abständen über die Betriebsdauer gesehen erfolgen. Ebenso kann ein gemeinsames Entladen aller Batteriezellen ausgehend von dem inhomogenen elektrischen Zustand erfolgen, so wie im Stand der Technik durchgeführt, es kann aber auch nach einem Ausgleichen erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt der Entladevorgang der Batterie in zwei aufeinanderfolgenden Phasen, nämlich einer ersten Phase mit einem Angleichen der absoluten Energieinhalte der Batteriezellen aneinander, und einer zweiten Phase mit einem gemeinsamen Entladen der Batteriezellen ausgehend von dem einheitlichen absoluten Energieinhalt. Hierdurch kann ein einheitlicher Energieinhalt schnell eingestellt werden. Das Angleichen vor einem gemeinsamen Entladen aller Batteriezellen liefert auch den Vorteil, dass die Batterie über einen besonders großen zeitlichen Anteil in einem weitgehend homogenen energetischen Zustand verwendet wird, wodurch vermieden werden kann, dass schwächere Batteriezellen weiter geschwächt werden. Mit anderen Worten wird auch eine Abnahme der Batteriekapazität weniger stark durch unterschiedlich schnelle Alterung der einzelnen Zellen bestimmt. Während des gemeinsamen Entladens behält die Batterie eine einheitliche Ladungsverteilung in den Zellen bei. Auch entfällt durch die ladungsbasierte Betriebsweise die Notwendigkeit, alle Zellen vor dem Verbau in der Batterie nach Kapazitätsklassen zu selektieren.
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Mit dem Angleichen der absoluten Energieninhalte auf einen einheitlichen Wert kann in vielen Fällen indirekt auch ein Ausgleichen von relativen Ladeständen erfolgen, denn ein Ladestand ändert sich notwendigerweise beim Entladen oder Laden, jedoch wird hierbei nicht ein bestimmter relativer Ladestand als Soll-Wert vorgegeben, sondern das erfindungsgemäße Angleichen erfolgt im Hinblick auf einen einheitlichen absoluten Energie- oder Ladungsinhalt. Dies wird auch durch die Wortwahl zum Ausdruck gebracht: erfindungsgemäß ist ein Angleichen vorgesehen, also das Erreichen eines einheitlichen (Ladungs-)Wertes, wohingegen vorbekannte Verfahren um ein Ausgleichen bemüht sind, also einer Kompensation von energetischen Inhomogenitäten über einen jeweiligen relativen Ladestand, ohne aber irgendein einheitliches Niveau eines absoluten Wertes zu erreichen. Bei identischem absolutem Energieinhalt bleiben die Ladestände bei unterschiedlichen Zellkapazitäten erwartungsgemäß unterschiedlich. Die vorliegende Erfindung beruht daher auch auf der Erkenntnis, dass es vorteilhafter ist, eine Entladung ausgehend von einem einheitlichen absoluten Energieinhalt zu Ende zu führen als zu versuchen, durch balancing-Ausgleichsvorgänge die relativen Ladestände aufeinander anzugleichen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Entladevorgang zudem ohne Unterbrechung fortgesetzt werden, d. h., eine Last kann kontinuierlich anliegen. Die Zellkapazitäten können zudem durchaus stark voneinander abweichen, ohne dass dies besonders nachteilig wäre, denn im Gegensatz zu vorbekannten balancing-Ausgleichsvorgängen ist bei stark voneinander abweichende Zellkapazitäten ein häufigeres balancing nicht erforderlich, sondern es kann ein Überbrücken erfolgen, und zwar so lange, bis ein einheitlicher absoluter Energieinhalt vorliegt, und dabei kann eine Last schon anliegen, d. h., die Batterie kann verwendet werden. Diese ladungsbasierte Betriebsweise der Batterie erfordert keine langwierigen mehrstündigen balancing-Vorgänge mit stark eingeschränkter Nutzbarkeit der Batterie. Der Verfahrensschritt des Angleichens kann auch als angleichende Teilentladung beschrieben werden, da dabei die Energieinhalte aller Batteriezellen mit abweichendem, insbesondere höherem Energieinhalt auf einen einheitlichen absoluten Wert gebracht werden können. Das Angleichen der absoluten Energieinhalte der Batteriezellen aufeinander kann z. B. durch unterschiedlich schnelle Energieentnahme aus den Batteriezellen erfolgen, entsprechend einem teilweisen bypassing.
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Bevorzugt erfolgt die zweite Phase fortlaufend bei identischem Energieinhalt in allen Batteriezellen und unabhängig von dem jeweiligen relativen Ladestand der Batteriezellen. Ein gemeinsames Entladen aller Batteriezellen ausgehend von dem einheitlichen absoluten Energieinhalt kann dabei auch wahlweise einem vollständigen Entladen aller Batteriezellen entsprechen, je nachdem ob das Ausgleichen wiederholt erfolgen soll oder nicht. Das Ausgleichen kann vor oder nach dem teilweisen Entladen bzw. Teilentladen erfolgen. Mit anderen Worten kann nach einem Laden einer Batterie oder einer längeren Standzeit unmittelbar mit dem Ausgleichen begonnen werden, auch unter Last, so dass ein Ausgleichen und ein Teilentladen auch parallel durchgeführt werden können. Bei einer Variante des Verfahrens kann das teilweise Entladen auch ein Teilschritt des Ausgleichens sein, denn ein Ausgleichen kann erfindungsgemäß auch sofort zu Beginn eines Entladevorgangs der Batterie erfolgen. In diesem Fall entspricht das teilweise Entladen dem angleichenden Entladen und bezieht sich auch auf einen Teil der Batteriezellen, und nicht nur auf eine teilweise Energieentnahme bei allen Batteriezellen.
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Bevorzugt wird der einheitliche absolute Energieinhalt basierend auf einem zu Beginn des Ausgleichsvorgangs vorliegenden absoluten Energieinhalt der schwächsten Batteriezelle festgesetzt. Hierfür kann ein Komparator vorgesehen sein, welcher die Energieinhalte der einzelnen Batteriezellen miteinander vergleicht und wahlweise auch eine Entscheidung trifft, ob ein Ausgleichsvorgang bei einer bestimmten Differenz im Energieinhalt bereits zweckdienlich ist.
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Der Übergang von der ersten in die zweite Phase kann kontinuierlich erfolgen, indem zusätzlich auch diejenigen Batteriezellen entladen werden, die in der ersten Phase überbrückt wurden. Durch die angleichende Teilentladung und den kontinuierlichen Übergang zu der zweiten Phase (alle Zellen werden entladen) ist keine Unterbrechung erforderlich, vielmehr ist lediglich zu Beginn bei Inbetriebnahme der Batterie ein Angleichen ratsam, um die Batterie von Anfang an in einen möglichst homogenen energetischen Zustand zu bringen. Nach dem Angleichen kann ein Entladen aller Zellen auf ein einheitliches Niveau erfolgen, wobei die Zellen allesamt gleich schnell entladen werden. Sollten eine oder mehrere der Zellen wider Erwarten schneller entladen werden als andere, so kann die Phase des Angleichens bzw. Teilentladens wieder eingeleitet werden. Die erste Phase kann auch z. B. nach einer längeren Ruhephase der Batterie eingeleitet werden, wenn sich herausstellt, dass die Zellen eine unterschiedlich schnelle Selbstentladung ausweisen. Wahlweise kann im Fall ausreichend einheitlicher Energieinhalte auch direkt mit der zweiten Phase begonnen werden. Die beiden Phasen können sich bei einer Variante des Verfahrens zeitlich auch überlappen, also die zweite Phase kann bereits eingeleitet werden, insbesondere für einen Teil der Batteriezellen, wenn die erste Phase noch nicht vollständig beendet wurde. Dies ist z. B. dann zweckdienlich, wenn bis auf eine oder wenige Zellen alle anderen Zellen bereits einen einheitlichen Energieinhalt aufweisen, die eine oder wenigen Zellen jedoch noch einen deutlich höheren Energieinhalt aufweisen als die anderen Zellen, und die Batterie schnellstmöglich verwendet werden soll. In diesem Fall ist lediglich darauf zu achten, dass vor Erreichen des vollständig entladenen Zustands der schwächsten Zelle die angleichende Entladung vervollständigt wird, insbesondere um bei einem nachfolgenden Laden der Batterie gleiche Ausgangsbedingungen zu schaffen und einen möglichst bereits recht homogenen energetischen Zustand nach dem Laden einstellen zu können.
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Als ein vollständiges Entladen ist dabei ein Entladen aller Batteriezellen in einen vollständig entladenen Zustand aufzufassen, wobei als vollständig entladener Zustand auch ein Zustand mit einem absoluten Rest-Energieinhalt ungleich Null definiert werden kann, um die Lebensdauer der Batterie hoch zu halten, also um die Batterie nachhaltig einzusetzen.
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Bevorzugt wird die zweite Phase aktiv gesteuert, und zwar durch eine Steuereinheit derart, dass der absolute Energieinhalt aller Batteriezellen zu jedem Zeitpunkt des Entladens vergleichbare Werte annimmt. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, in Verbindung mit einem oder mehreren Sensoren den Energieinhalt aller Batteriezellen kontinuierlich zu überwachen und dabei vorzugeben, ob eine Abweichung zwischen einzelnen Batteriezellen bereits zu einem Ausgleichsvorgang führen soll oder aber noch weiter entladen werden soll, um zunächst zu prüfen, ob eine Abweichung größer wird und einen Ausgleichsvorgang erst einzuleiten, falls eine Abweichung größer als ein vordefinierter prozentualer Unterschied wird.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Angleichen durch Überbrücken mindestens einer der Batteriezellen mit einem absoluten Energieinhalt niedriger als dem Energieinhalt der anderen Batteriezellen, wobei das Angleichen ein angleichendes Teilentladen der anderen Batteriezellen auf einen einheitlichen Energieinhalt entsprechend dem niedrigeren Energieinhalt der mindestens einen Batteriezelle umfasst. Mit anderen Worten kann das Überbrücken in Abhängigkeit des Wertes des absoluten Energieinhalts der jeweiligen Batteriezelle erfolgen, wobei jede Batteriezelle, die einen absoluten Energieinhalt gleich dem Energieinhalt oder zumindest im Bereich des Energieinhalts der schwächsten Batteriezelle aufweist, überbrückt werden kann, bis die Batteriezellen mit größerem Energieinhalt auf den Energieinhalt der schwächsten Batteriezelle entladen wurden. Durch ein Überbrücken schwächerer Zellen kann ein Verfahren bereitgestellt werden, bei welchem Zellen mit großer Kapazität während der ersten Phase länger aktiv sind als Zellen mit kleinerer Kapazität. Die Zellen mit großer Kapazität werden also stärker beansprucht und degradieren daher eher als die Zellen mit kleiner Kapazität, so dass hierdurch auch gleichzeitig ein Ausgleich von Zellkapazitäten erzielt werden kann. Über die gesamte Betriebsdauer der Batterie wird ein Ausgleichen also in einem immer weniger starken Umfang erforderlich, da das Verfahren bereits implizit mit sich bringt, dass die Zellen sich energetisch aneinander annähern. Mit anderen Worten kann die erste Phase mit fortschreitender Betriebsdauer der Batterie immer kürzer werden, wohingegen bei vorbekannten Verfahren eher die Gefahr besteht, dass sich die einzelnen Zellen energetisch voneinander weg bewegen.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Überbrücken durch ein volles oder durch ein teilweises Bypassing. Als ein volles Bypassing ist dabei bevorzugt ein Überbrücken zu verstehen, bei welchem eine jeweilige Batteriezelle vollkommen entkoppelt von einem Verbraucher ist, so dass sich ihr absoluter Energieinhalt, insbesondere Ladungsinhalt, nicht aufgrund eines Verbrauchers ändern, allenfalls aufgrund einer Selbstentladung. Bei einem vollen Bypassing wird die Batteriezelle somit auf die effektivste Weise geschont, und ein Angleichen erfolgt besonders effizient. Als ein teilweises Bypassing ist dabei bevorzugt ein Überbrücken zu verstehen, bei welchem eine überbrückte Batteriezelle noch Energie liefert, also weiterhin in Betrieb ist und mit einem Verbraucher gekoppelt ist, nur im Vergleich zu einer nicht überbrückten Batteriezelle weniger Energie bereitstellt, insbesondere weniger Energie pro Zeiteinheit. Mit anderen Worten ist der Ladungsumsatz einer teilweise gebypassten Batteriezelle geringer als jener von nicht überbrückten Batteriezellen. Hierdurch kann ein Angleichen selbst dann erfolgen, wenn viele Batteriezellen einen vergleichsweise niedrigen Energieinhalt, insbesondere Ladungsinhalt aufweisen, sie aber nicht alle gänzlich entkoppelt werden können, um die Batterie weiterhin möglichst in nicht allzu sehr eingeschränkter Form nutzen zu können und einen Verbraucher beziehungsweise ein Last nicht entkoppeln zu müssen. Durch die Möglichkeit, zwischen einem vollen und teilweisen Bypassing zu wählen, kann eine große Flexibilität beim Batteriemanagement sichergestellt werden, und mehrere Batteriezellen mit ganz unterschiedlichen Energieinhalten können zumindest annähernd gleich schnell auf einen gleichen definierten Energieinhalt gebracht werden, insbesondere indem Batteriezellen mit einem niedrigeren Energieinhalt als dem Energieinhalt der stärksten Batteriezellen teilweise gebypasst werden und die stärksten Batteriezellen überhaupt nicht gebypasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der absolute Energieinhalt einer jeweiligen Batteriezelle über eine Strommessung an der jeweiligen Batteriezelle bestimmt und der zu erzielende einheitliche absolute Energieinhalt wird durch den absoluten Energieinhalt der Batteriezelle mit dem niedrigsten Strommesswert definiert. Dabei kann der Strommesswert ein Integral einer Vielzahl an Strommesswerten über der Zeit sein. Eine Strommessung ist auf vergleichsweise einfache Art und Weise möglich und liefert eine belastbare Datengrundlage für eine Steuerung des Entladevorgangs.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Überbrücken durch ein volles Bypassing, indem die jeweilige Batteriezelle elektrisch von den seriell verschalteten Batteriezellen entkoppelt wird, der absolute Energieinhalt in dieser Batteriezelle kontinuierlich gemessen wird, und die Batteriezelle wieder seriell mit den anderen Batteriezellen verschaltet wird, sobald der absolute Energieinhalt der nicht überbrückten Batteriezellen dem absoluten Energieinhalt der überbrückten Batteriezelle entspricht oder zumindest annähernd in dessen Bereich liegt. Hierzu kann ein Sensor in Verbindung mit einem Komparator vorgesehen sein, welche dazu ausgebildet sind, den absoluten Energieinhalt mindestens zweiter Batteriezellen kontinuierlich zu bestimmen und zu vergleichen. Das volle Überbrücken einzelner Batteriezellen ermöglicht ein schnelles und möglicherweise zunächst erst einmal grobes Angleichen der absoluten Energieinhalte.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Angleichen vor einem ersten gemeinsamen Entladen der Batteriezellen eingeleitet, indem jeweils die absoluten Energieinhalte der Batteriezellen bestimmt und verglichen werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, das die Batterie möglichst einen großen Zeitanteil ihrer Betriebsdauer in einem energetisch homogenen Zustand betrieben wird.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Energieinhalte der Batteriezellen jeweils durch eine Bestimmung des Integrals des bei einem vor dem Teilentladen erfolgten Laden in die Batteriezelle geflossenen Stroms ermittelt. Eine Überwachung eines Ladevorgangs kann dazu führen, den zum Erreichen eines homogenen energetischen Zustands beim Entladen erforderlichen (Zeit-)Aufwand zu reduzieren.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Ausgleichen unter Last durchgeführt. Dies liefert den Vorteil, dass die Batterie einsatzbereit bleibt und ihre Verwendung nicht eingeschränkt ist. Hierdurch können nicht zuletzt auch Kosten eingespart werden, denn z. B. eine Überdimensionierung der Batterie ist nicht erforderlich.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungsfiguren. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung von fünf Zuständen bei einem Entladevorgang gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung von fünf Zuständen bei einem Entladevorgang gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte bei einem Endladevorgang gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der 1 ist in einem ersten Zustand Z1 eine Batterie 1 mit fünf Batteriezellen 1a gezeigt, welche jeweils einen unterschiedlichen relativen Ladestand (SOC) aufweisen. Die nutzbare Kapazität der Batterie 1 entspricht dem Ladestand derjenigen Batteriezelle 1a, welche den absolut niedrigsten Energieinhalt aufweist, in dem gezeigten Beispiel die zweite Zelle von rechts, welche einen Energieinhalt L1 aufweist, über welchen die nutzbare Kapazität der Batterie 1 bestimmt wird. Bei einer Entladung 10 senkt sich der Energieinhalt jeder der Batteriezellen 1a gleichermaßen (wie durch den Zustand Z2 verdeutlicht), so dass mit abnehmendem Energieinhalt ein balancing 20 erforderlich oder zumindest zweckdienlich ist im Hinblick auf eine größere nutzbare Kapazität. Das balancing 20 führt dazu, dass die absoluten Energieinhalte der einzelnen Batteriezellen 1a sich einander angleichen, was durch Zustand Z3 verdeutlicht ist. Eine Entladung kann hierbei nicht simultan erfolgen, da ein Ausgleichen/balancing üblicherweise voraussetzt, dass keine Last anliegt, also kein Be- oder Entladen erfolgt. Wird das Entladen 10 fortgesetzt (Zustände Z4, Z5), so kann die Batterie 1 genutzt werden, bis der Ladestand oder der Energieinhalt L1 der schwächsten Batteriezelle unter einen Minimalwert fällt. Die noch in Batteriezellen mit höherer Kapazität gespeicherte Energie kann nicht genutzt werden (Zustand Z5). In allen Ladungszuständen der Batterie (Z1 bis Z5) liegen in den einzelnen Batteriezellen voneinander abweichende Energieinhalte vor, und die Batterie befindet sich in einem vergleichweise inhomogenen energetischen Zustand.
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In der 2 ist gezeigt, dass durch eine Überbrückung 30 (Zustand Z1) und angleichende Entladung 40 (Zustand Z2) vor einer ersten Entladung 10 (Zustand Z3) auch bei zu Beginn unterschiedlichen Energieinhalten und unterschiedlichen Kapazitäten die Batteriezellen 1a durch Teilentladen auf ein einheitliches Ladungsniveau L gebracht werden können, von dem ausgehend sie dann gemeinsam entladen werden können (Zustände Z3, Z4). Somit ist dem gemeinsamen Entladen eine erste Phase P1 vorgeschaltet, in welcher eine teilweise Entladung von einzelnen Batteriezellen erfolgt (Teilentladung), derweil andere schwächer geladene Batteriezellen von einer Last bzw. einem Verbraucher teilweise oder ganz entkoppelt sind, bis die stärker geladenen Batteriezellen deren Energieinhalt erreicht haben.
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In der 3 ist gezeigt, dass zu Beginn eines Entladevorgangs zunächst die Verfahrensschritte 30, 40 durchgeführt werden, nämlich ein Überbrücken 30 und ein angleichendes Entladen 40 (Teilentladen), welche eine erste Phase P1 definieren, um erst daraufhin die üblicherweise vorgesehene Entladung 10 aller Batteriezellen 1a vorzunehmen, durch welche eine zweite Phase P2 eingeleitet wird.
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Der Vorgang des Überbrückens 30 und angleichenden Entladens 40 kann durch eine Steuereinrichtung 2 initiiert werden, welche in Verbindung mit einem Sensor 3 zum Erfassen eines absoluten elektrischen Parameters, bevorzugt des absoluten Energieinhalts, steht. Der absolute elektrische Parameter kann z. B. über eine Strommessung in Bezug auf jede einzelne Batteriezelle ermittelt werden. Ein Komparator 4 kann separat oder innerhalb der Steuereinrichtung 2 vorgesehen sein, um absolute Energieinhalte mehrerer Zellen 1a miteinander zu vergleichen und vorzugeben, ob ein Überbrücken beziehungsweise angleichendes Entladen (Teilentladen) erfolgen soll.
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Nach einer nicht vollständigen Entladung 10 kann eine Ruhephase Δt vorgesehen sein, um im Anschluss daran oder sofort nach der nicht vollständigen Entladung 10 eine weitere Entladung 10 vorzunehmen. Grundsätzlich endet die erste Phase P1 nach der angleichenden Entladung 40, jedoch kann sie auch mit der zweiten Phase P2 überlappen, z. B. dann, wenn kein volles Überbrücken von einzelnen Batteriezellen 1a vorgesehen ist, sondern nur ein teilweises Überbrücken, bei welchem auch Batteriezellen mit geringerem Energieinhalt belastet werden. Das auf dem Überbrücken 30 und dem angleichenden Entladen 40 beruhende Verfahren liefert damit eine hohe Flexibilität, wodurch besser nutzbare Batterien bereitgestellt werden können, da nicht wie beim auf den relativen Ladeständen der Zellen basierenden balancing eine Unterbrechung der Entladung erfolgen muss.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 1a
- Batteriezelle
- 2
- Steuereinrichtung
- 3
- Sensor zur Bestimmung eines elektrischen Parameters, insbesondere einer Stromstärke oder eines Stromintegrals
- 4
- Komparator zum Bestimmen der schwächsten Batteriezelle einer Batterie und damit des Wertes des Parameters, über welchen ein Ausgleichsvorgang steuerbar ist
- 10
- Verfahrensschritt der gemeinsamen Entladung
- 20
- Verfahrensschritt des balancing
- 30
- Verfahrensschritt einer Überbrückung
- 40
- Verfahrensschritt einer angleichenden Entladung
- P1
- Phase 1
- P2
- Phase 2
- L
- Energieniveau mit einheitlichem Energieinhalt
- L1
- Energieinhalt der schwächsten Batteriezelle einer Batterie
- Z
- Zustand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0025258 A1 [0006]
