DE102012214097A1 - Formierungsvorrichtung und Verfahren zur Formierung von Batteriezellen einer Batterie - Google Patents

Formierungsvorrichtung und Verfahren zur Formierung von Batteriezellen einer Batterie Download PDF

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Abstract

Es wird eine Formierungsvorrichtung (10) bereitgestellt, die dazu ausgebildet ist, zur Formierung mindestens einer Batteriezelle (21) einer Batterie mindestens einen vorgegebenen Ladevorgang und mindestens einen vorgegebenen Entladevorgang zur Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle (21) durchzuführen und während des Lade- und Entladevorganges blockförmige Formierungsströme in die Batteriezelle (21) einzuprägen. Dabei ist die Formierungsvorrichtung (10) weiter dazu ausgebildet, die blockförmigen Ströme während des Lade- und Entladevorganges jeweils mittels mindestens eines in der Formierungsvorrichtung geeignet angeordneten und im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiters (30, 40), insbesondere eines MOSFET-Transistors, zu leiten und in die Batteriezelle (21) einzuprägen. Auch ist die Formierungsvorrichtung (10) weiter dazu ausgebildet, die während des Entladevorgangs der Batteriezelle (21) entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle (21) mit elektrischer Energie zurückzuspeisen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formierungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie mindestens einen vorgegebenen Ladevorgang und mindestens einen vorgegebenen Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle durchzuführen und während des Lade- und Entladevorganges blockförmige Formierungsströme in die Batteriezelle einzuprägen. Auch betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Batterie und der erfindungsgemäßen Formierungsvorrichtung zur Formierung mindestens einer Batteriezelle der Batterie.
  • Stand der Technik
  • Bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist der sogenannte Formierungsprozess besonders wichtig. Während eines Formierungsprozesses wird zum einen jede einzelne Batteriezelle aktiviert und zum anderen soll über einen Voralterungsprozess eine definierte Ausbildung und Stabilisierung der Festelektrolytschicht (Solid Elektrolyte Interface SEI) erzielt werden. Diese Korrosionsschicht, die sich bei Lithium-Ionen-Batterien auf der Anode ausbildet, bestimmt das Alterungsverhalten der Batteriezellen maßgeblich. Der Formierungs- und Voralterungsvorgang dauert bei heutigen Fertigungen von Zellen mit großen Zellenergien, beispielsweise von 60 Ah-Zellen, circa 10 bis 14 Tage. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei der Formierung von Batteriezellen Formierungsvorrichtungen einzusetzen, die als Leistungsendstufen bezeichnet werden und deren Prinzipschaltbild in der 1 dargestellt wird.
  • In der 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Formierungsvorrichtung (Leistungsendstufe oder Formierendstufe) 10 dargestellt, die mit einer Serienschaltung 20 mehrerer zu formierender Batteriezellen 21 einer Batterie (nicht komplett dargestellt) verbunden ist. Dabei kann auch eine einzelne zu formierende Batteriezelle 21 vorhanden sein. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde nur eine einzige Batteriezelle mit dem Bezugszeichen 21 versehen. Die zwei Anschlüsse (nicht gekennzeichnet) der Batteriezellenserienschaltung 20 sind jeweils mit einem Anschluss (nicht gekennzeichnet) des unteren Leistungshalbleiters 30 verbunden. Parallel zu dem Leistungshalbleiter 30 ist eine Diode 31, deren Sperrrichtung in die Durchlassrichtung des Leistungshalbleiters 30 verläuft, geschaltet. Der Leistungshalbleiter 30 ist an einem Anschluss ferner mit einem weiteren, oberen Leistungshalbleiter 40, dessen Durchlassrichtung in die Durchlassrichtung des Leistungshalbleiters 30 verläuft, verbunden. Der Leistungshalbleiter 30 ist an seinem anderen Anschluss, der nicht mit dem oberen Leistungshalbleiterschalter 40 verbunden ist, mit einem Ausgang 53 eines Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden. Parallel zu dem Leistungshalbleiter 40 ist eine Diode 41 geschaltet, deren Sperrrichtung in die Durchlassrichtung des Leistungshalbleiters 40 verläuft. Der obere Leistungshalbleiter 40 ist an seinem anderen Anschluss, der nicht mit dem unteren Leistungshalbleiterschalter 30 verbunden ist, mit einem weiteren Ausgang 54 des Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden. Der Gleichspannungszwischenkreis 50 umfasst einen Zwischenkreiskondensator 60, der an einem Anschluss mit einem Eingang 51 und dem Ausgang 53 des Gleichspannungszwischenkreises 50 und an dem anderen Anschluss mit einem weiteren Eingang 52 und dem weiteren Ausgang 54 des Gleichspannungszwischenkreises 53 verbunden ist.
  • Mittels eines Versorgungsnetzes kann elektrische Energie in den Gleichspannungszwischenkreis 20 eingespeist werden, die dann für die Formierung der Batteriezellen 21 der Batteriezellenserienschaltung 20 bereitgestellt wird.
  • Die Leistungsendstufe beziehungsweise Formierendstufe 10 basiert auf dem Einsatz der zwei jeweils im linearen Betrieb arbeitenden Leistungshalbleiter 30, 40. Der in der 1 dargestellte obere Leistungshalbleiter (oberer Schalter) 40 wird für Ladeströme aktiviert. Der in der 1 dargestellte untere Leistungshalbleiter (unterer Schalter) 30 wird für Entladeströme aktiviert. Da die Leistungshalbleiter 30, 40 im aktiven Bereich arbeiten, entsteht eine erhebliche Verlustwärme, die mit aufwändigen Maßnahmen zur Kühlung der Leistungselektronik abgeführt werden muss. Bei Entladevorgängen der mindestens einen Batteriezelle 21 kann die elektrische Energie nicht in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden und wird bei dem in der 1 dargestellten Konzept für die Formierendstufe 10 komplett in Verlustwärme umgewandelt. Ein wesentlicher Vorteil der heute eingesetzten Formierendstufen ist der sehr glatte Verlauf der Lade- und Entladeströme. Bei der Formierung der Batteriezellen 21 kann mit der in der 1 dargestellten Formierendstufe 10 entweder eine einzelne Batteriezelle 21 oder bei entsprechender Auslegung der maximalen Ausgangsspannung der Formierendstufe können auch mehrere Batteriezellen 21 in Serienschaltung gleichzeitig formiert werden.
  • Weiterhin sind aus dem Dokument DE 10 2009 035 466 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formieren von Einzelzellen einer Batterie, insbesondere von Lithium-Ionen-Batterien, bekannt. Das Verfahren umfasst zumindest einen vorgegebenen Ladevorgang und einen vorgegebenen Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in den Einzelzellen. Dabei sind die Einzelzellen in einem Zellverbund seriell und/oder parallel verbunden und werden gemeinsam formiert. Ferner kann der Ladevorgang mittels eines Batteriemanagementsystems überwacht und/oder geregelt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Formierungsvorrichtung bereitgestellt, die dazu ausgebildet ist, zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie mindestens einen vorgegebenen Ladevorgang und mindestens einen vorgegebenen Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle durchzuführen und während des Lade- und Entladevorganges blockförmige Formierungsströme in die Batteriezelle einzuprägen. Die Formierungsvorrichtung ist weiter dazu ausgebildet, die blockförmigen Ströme während des Lade- und Entladevorganges jeweils mittels mindestens eines in der Formierungsvorrichtung geeignet angeordneten und im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiters, insbesondere eines MOSFET-Transistors, zu leiten und in die Batteriezelle einzuprägen. Auch ist die Formierungsvorrichtung dazu ausgebildet, die während des Entladevorgangs der Batteriezelle entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle mit elektrischer Energie zurückzuspeisen.
  • Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie bereitgestellt, bei dem mittels einer Formierungsvorrichtung mindestens ein vorgegebener Ladevorgang und mindestens ein vorgegebener Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle durchgeführt werden. Dabei werden während des Lade- und Entladevorganges blockförmige Formierungsströme in die Batteriezelle eingeprägt. Ferner werden die blockförmigen Formierungsströme während des Lade- und Entladevorganges jeweils mittels mindestens eines in der Formierungsvorrichtung geeignet angeordneten und im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiters, insbesondere eines MOSFET-Transistors, geleitet und in die Batteriezelle eingeprägt. Auch wird die während des Entladevorgangs der Batteriezelle entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle mit elektrischer Energie zurückgespeist.
  • Einfach ausgedrückt, es wird erfindungsgemäß insbesondere eine Formierungsvorrichtung beziehungsweise eine Formierendstufe bereitgestellt, die bevorzugt bei der Formierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen eingesetzt wird. Dabei arbeiten die von der Formierungsvorrichtung umfassten Leistungshalbleiter (Leistungsschalter) im Schaltbetrieb. Dadurch wird die in der Formierungsvorrichtung entstehende Verlustleitung, die von hohen Lade- und Entladeströmen hervorgerufen wird, erheblich reduziert.
  • Ferner kann die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung ohne nennenswerten Zusatzaufwand rückspeisefähig ausgelegt werden. Dadurch kann die Energie, die bei den Entladevorgängen während der Formierung und Voralterung der zu formierenden Batteriezellen entnommen wird, in das Versorgungsnetz zur Versorgung der Formierungsvorrichtung mit elektrischer Energie zurückgespeist werden.
  • Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die Formierungsvorrichtung in einer sehr einfachen Weise rückspeisefähig ausgelegt, indem in der Formierungsvorrichtung ein mit der Batteriezelle mittels der Leistungshalbleiter jeweils verbindbarer Gleichspannungszwischenkreis und eine Einspeiseeinrichtung (Einspeiseschaltung) zur Einspeisung von elektrischer Energie in den Gleichspannungszwischenkreis vorgesehen sind und die Einspeiseeinrichtung rückspeisefähig ausgelegt ist.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung dazu ausgebildet, der Batterie eine derartig hohe Ausgangsspannung bereitzustellen, dass die Formierung einer vorbestimmten Anzahl von seriell geschalteten Batteriezellen gleichzeitig erfolgen kann. Dadurch können in einfacher Weise mehrere Batteriezellen gleichzeitig formiert werden. So wird die Dauer des Formierungsprozesses der Batteriezellen einer Batterie erheblich verkürzt.
  • Bei einer weiteren sehr bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung einen derartig hohen Dynamikbereich auf, dass eine Einprägung von Formierungsströmen in die Batteriezelle erfolgen kann, die Wechselströme umfassen, die jeweils eine gewünschte Maximalfrequenz aufweisen und mittels der jeweils im Schaltbetrieb arbeitende Leistungshalbleiter geleitet werden. Mittels der in der Batteriezelle eingeprägten Wechselströme kann dann in einfacher Weise eine Impedanzspektroskopie der Batteriezelle durchgeführt werden.
  • Neben der Verringerung der Verlustleistung und der Möglichkeit zur Energierückspeisung hat die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung auch weitere wesentliche Vorteile, wie beispielsweise das Vorhandensein eines deutlich aufgeweiteten Dynamikbereiches. Dadurch können mittels der Formierungsvorrichtung zum einen die blockförmigen Ströme bei der Formierung der Batteriezellen mit geringen Wechselanteilen erzeugt werden und zum anderen kann die maximal mögliche Stromänderungsgeschwindigkeit deutlich erhöht werden. Aufgrund der hohen Dynamik der Formierungsvorrichtung, die durch das Vorhandensein des aufgeweiteten Dynamikbereichs erreichbar wird, können mittels der Formierungsvorrichtung Ströme mit hochfrequenten sinusförmigen Stromverläufen bis hin zu deutlich höheren Frequenzen erzeugt werden. Dadurch wird die Durchführung von Impedanzspektroskopien bei höheren Frequenzen möglich.
  • Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung eine Glättungsdrossel, die derartig in der Formierungsvorrichtung angeordnet ist und deren Induktivität derartig dimensioniert ist, dass blockförmige Formierungsströme, die jeweils einen Wechselanteil aufweisen, der einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, zum Einprägen in die Batteriezelle erzeugbar sind.
  • Bei der Verwendung einer Glättungsdrossel, die insbesondere seriell mit den zu formierenden Batteriezellen verbunden ist, können mittels der Formierungsvorrichtung blockförmige Formierungsströme mit einem sehr glatten Verlauf auf sehr einfache Weise erzeugt werden. Bei geeigneter Dimensionierung der Induktivität der Glättungsdrossel können mittels der Formierungsvorrichtung blockförmige Formierungsströme erzeugt werden, die einen aus der Batteriezellensicht zulässigen Wechselanteil nicht überschreiten.
  • Insbesondere ist die Glättungsdrossel aus einer ersten Teildrossel und einer zweiten mit der ersten Teildrossel seriell schaltbaren und überbrückbaren, insbesondere mittels eines Schalters überbrückbaren, zweiten Teildrossel ausgebildet. Ferner ist die Induktivität der ersten Teildrossel derartig dimensioniert, dass wenn die zweite Teildrossel überbrückt ist, Formierungsströme, die Wechselströme, die jeweils eine gewünschte Maximalfrequenz und/oder eine gewünschte Stromamplitude aufweisen, umfassen, zum Einprägen in die Batteriezelle erzeugbar sind.
  • Wenn die in der Formierungsvorrichtung eingesetzte Glättungsdrossel aus einer ersten Teildrossel und einer mit der ersten Teildrossel seriell schaltbaren und überbrückbaren zweiten Teildrossel ausgebildet ist, kann auf einfache Weise der Dynamikbereich der Formierungsvorrichtung derartig aufgeweitet werden, dass mittels der Formierungsvorrichtung blockförmige Ströme mit einem sehr glatten Verlauf und hochfrequente Wechselströme in die zu formierenden Batteriezellen eingeprägt werden können. Wenn die zweite Teildrossel überbrückt ist und die Induktivität der ersten Teildrossel geeignet dimensioniert ist, können mittels der Formierungsvorrichtung Formierungsströme, die eine gewünschte Maximalfrequenz und gleichzeitig auch eine gewünschte Stromamplitude aufweisen, auf einfache Weise erzeugt und in die Batteriezellen eingeprägt werden.
  • Zusammenfassend basiert die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung auf einem verbesserten Schaltungskonzept, welches die Realisierung von besser geglätteten Stromverläufen während der blockförmigen Stromphasen bei der Formierung und zugleich auch die Realisierung von deutlich höheren Stromänderungsgeschwindigkeiten erlaubt, die die Erzeugung von hochfrequenten Wechselströmen ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß werden insbesondere ein Verfahren und eine Formierungsvorrichtung zum Formieren der Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellt.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, die mit der Formierungsvorrichtung ausgestattet ist.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Batterie, die zur Formierung mindestens einer Batteriezelle der Batterie die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung umfasst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Formierungsvorrichtung,
  • 2 eine Formierungsvorrichtung mit einer Glättungsdrossel nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
  • 3 eine Formierungsvorrichtung mit einer schaltbaren Glättungsdrossel nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 2 zeigt eine Formierungsvorrichtung beziehungsweise Formierendstufe 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die mit einer Serienschaltung 20 aus mehreren zu formierenden Batteriezellen 21 einer Batterie verbunden ist. Dabei kann auch lediglich eine einzelne zu formierende Batteriezelle 21 vorhanden sein. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde hier nur eine einzige Batteriezelle mit dem Bezugszeichen 21 versehen. Die Formierungsvorrichtung 10 umfasst einen Leistungshalbleiter, das heißt ein ein- und ausschaltbares Halbleiterventil 30, das an seinem Anschluss mit einem Anschluss der Batteriezellenserienschaltung 20 verbunden ist und an seinem anderen Anschluss über eine Glättungsdrossel 80 mit dem anderen Anschluss der Batteriezellenserienschaltung 20 verbunden ist. Die Glättungsdrossel 70 ist seriell mit der Batteriezellenserienschaltung 20 geschaltet. Parallel zu dem unteren Leistungshalbleiter 30 ist ferner eine Diode 31 geschaltet, deren Sperrrichtung in die Durchlassrichtung des Leistungshalbleiters 30 verläuft.
  • Die Formierungsvorrichtung 10 umfasst einen weiteren Leistungshalbleiter 40, der an einem Anschluss mit einem der zwei Anschlüsse des Leistungshalbleiters 30 verbunden ist. Die Leistungshalbleiter 30, 40 sind dabei derartig miteinander verbunden, dass die Durchlassrichtung des unteren Leistungshalbleiters 30 in Durchlassrichtung des oberen Leistungshalbleiters 40 verläuft. Parallel zu dem oberen Leistungshalbleiter 40 ist eine Diode 41, deren Sperrrichtung in Durchlassrichtung des Leistungshalbleiters 40 verläuft, geschaltet. Ferner ist der Leistungshalbleiter 30 an seinem Anschluss, der nicht mit dem oberen Leistungshalbleiterschalter 40 verbunden ist, mit einem Ausgang 53 eines Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden. Der obere Leistungshalbleiter 40 ist an seinem weiteren Anschluss, der nicht mit dem unteren Leistungshalbleiterschalter 30 verbunden ist, mit einem weiteren Ausgang 54 des Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden.
  • Der Gleichspannungszwischenkreis 50 umfasst einen Zwischenkreiskondensator 60, der an einem Anschluss mit einem Eingang 51 und mit dem Ausgang 53 des Gleichspannungszwischenkreises 50 und an dem anderen Anschluss mit einem weiteren Eingang 52 und mit dem weiteren Ausgang 54 des Gleichspannungszwischenkreises 53 verbunden ist.
  • Zwischen den Eingängen 51, 52 des Gleichspannungszwischenkreises 50 ist eine mit einem Versorgungsnetz (nicht dargestellt) verbindbare Einspeiseeinrichtung 80 angeschossen, mittels der elektrische Energie von dem Versorgungsnetz in den Gleichspannungszwischenkreis 50 eingespeist und für die Formierung der Batteriezellen 21 der Batteriezellenserienschaltung 20 bereitgestellt werden kann. Die Anschlüsse der zu formierenden Batteriezellenreihenschaltung 20 sind jeweils über eine Sendeleitung (nicht gekennzeichnet) mit einer Spannungserfassungsvorrichtung 90 verbunden. In dem Stromfluss der Batteriezellenreihenschaltung 20 ist ferner ein Stromsensor 100 angeordnet, der dazu ausgebildet ist, den durch die Batteriezellenreihenschaltung 20 fließenden Strom zu messen.
  • Beide Leistungsschalter 30, 40 arbeiten während der Formierung der Batteriezellenserienschaltung 20 im Schaltbetrieb, und die Einspeiseeinrichtung 80 ist rückspeisefähig ausgelegt. Der obere Leistungshalbleiter 40 wird für Ladeströme und der untere Leistungshalbleiter 30 für Entladeströme eingesetzt. Dadurch wird während der Formierung der Batteriezellen 21 die Entstehung von Verlustwärme vermieden und die elektrische Energie, die während der Entladevorgänge der Batteriezellen 21 entnommen wird, in die Einspeiseeinrichtung 80 zurückgespeist.
  • 3 zeigt eine Formierungsvorrichtung 10 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Formierungsvorrichtung 10 nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung hat den gleichen Aufbau wie die Formierungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung mit dem Unterschied, dass die Formierungsvorrichtung 10 nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung eine schaltbare Glättungsdrossel 71 umfasst, die aus einer ersten Teildrossel 72 mit einer Induktivität L1 (nicht eingezeichnet) und einer mit der ersten Teildrossel 72 zuschaltbaren zweiten Teildrossel 73 mit einer Induktivität L2 (nicht eingezeichnet) ausgebildet ist. Dabei ist die zweite Teildrossel 73 durch Zuschaltung eines elektronischen oder elektromechanischen Schalters 74 überbrückbar Die Formierungsvorrichtung 10 arbeitet im geschalteten Betrieb der Leistungshalbleiter 30, 40 und umfasst die schaltbare Glättungsdrossel 71. Dadurch ist die Formierungsvorrichtung 10 für hochgenaue Einprägung von Gleichströmen geeignet und weist gleichzeitig einen hohen Dynamikbereich für die Einprägung von hochfrequenten Wechselströmen auf.
  • Aus dem Stand der Technik dahingegen sind Formierendstufen für Batteriezellen, insbesondere für Lithium-Ionen-Batteriezellen, bekannt, die so ausgelegt werden, dass sie blockförmige Strom- beziehungsweise Spannungsprofile, die abschnittsweise konstant sind, für das Laden und das Entladen der Batteriezellen realisieren können. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Formierendstufen werden derzeit nicht so ausgelegt, dass sie hochfrequente Strom- und Spannungsprofile bis in den Bereich mehrerer 10 KHz Grundfrequenz realisieren können.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Formierendstufen, insbesondere mittels der Formierendstufen 10 nach der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung, werden Strom- und Spannungsprofile bis in den Bereich mehrerer 10 KHz Grundfrequenz ohne großen Zusatzaufwand mittels des Einsatzes geeigneter Schaltungstopologien, Ansteuerschaltungen für die Leistungshalbleiter 30, 40, sowie geeigneter Signalelektronik 90, 100 zur Erfassung der Istwerte der Batteriezellspannungen und der Batteriezellströme realisiert.
  • Mittels der Formierendstufen 10 nach der ersten und nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein 2-Quadranten-Betrieb realisiert. Die Leistungshalbleiter (Halbleiterschalter) 30, 40 arbeiten, im Gegensatz zum Stand der Technik, im geschalteten Betrieb. Dadurch kann die Verlustleistung in den Halbleiterschaltern 30, 40 massiv reduziert werden, und die Formierendstufen 10 können auf einfache Weise rückspeisefähig ausgelegt werden. Das heißt, die bei Entladevorgängen der zu formierenden Batteriezellen 21 entstehende elektrische Energie kann in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden. Dazu muss die Einspeiseeinrichtung (Einspeiseschaltung) 80 für die Versorgung des Gleichspannungszwischenkreises 50 rückspeisefähig ausgelegt werden. Zur Glättung der Formierungsströme wird eine Glättungsdrossel 70 oder eine schaltbare Glättungsdrossel 71 eingesetzt. Als Leistungshalbleiter werden in den Formierendstufen 10 MOSFET-Transistoren eingesetzt, die aufgrund der geringen Ausgangsspannung der Formierendstufe 10 für den hier vorliegenden Anwendungsfall besonders geeignet sind. MOSFET-Transistoren können ohne größere Schwierigkeiten hochfrequent getaktet werden.
  • Wird die Formierendstufe 10 mit der schaltbaren Glättungsdrossel 71 im Betriebsmodus „blockförmige Stromverläufe“ betrieben, ist die zweite Teildrossel 73 nicht überbrückt. Die Glättungsdrossel 71 weist somit die Gesamtinduktivität L1 + L2 auf. Die Dimensionierung der Gesamtinduktivität der Glättungsdrossel 71 kann so erfolgen, dass die Formierungsströme einen aus der Batteriezellensicht zulässigen Wechselanteil nicht überschreiten.
  • Wird die Formierendstufe 10 im Betriebsmodus „hochfrequente Wechselströme“ betrieben, um beispielsweise eine Impedanzspektroskopie der Batteriezellen durchzuführen, wird die zweite Teildrossel 73 überbrückt. Die Glättungsdrossel 71 weist somit die Gesamtinduktivität L1 auf. Die Dimensionierung der Induktivität L1 der ersten Teildrossel 72 kann so erfolgen, dass die Formierungsströme eine gewünschte Maximalfrequenz bei einer gleichzeitig gewünschten Stromamplitude erreichen können.
  • Da die Umschaltung der Betriebsart der Formierendstufe 10 nicht mit hoher Frequenz oder mit hohen dynamischen Anforderungen an den Umschaltvorgang selbst durchgeführt werden kann, können beispielsweise elektromechanische Schalter, wie beispielsweise Relais beziehungsweise Schütze, für den Schalter 74 zum Überbrücken der zweiten Teildrossel 73 zum Einsatz kommen. Die Umschaltung kann üblicherweise dann erfolgen, wenn die Formierendstufe 10 keinen Ausgangsstrom liefert. Die schaltbare Glättungsdrossel 71 kann beispielsweise als Drossel mit zwei Teilwicklungen auf einem gemeinsamen Kern realisiert werden. Die Zusatzkosten für die Realisierung einer schaltbaren Glättungsdrossel 71 sind gegenüber der Verwendung einer üblichen Glättungsdrossel 70 somit gering.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009035466 A1 [0006]

Claims (11)

  1. Formierungsvorrichtung (10), die dazu ausgebildet ist, zur Formierung mindestens einer Batteriezelle (21) einer Batterie mindestens einen vorgegebenen Ladevorgang und mindestens einen vorgegebenen Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle (21) durchzuführen und während des Lade- und Entladevorganges blockförmige Formierungsströme in die Batteriezelle (21) einzuprägen, dadurch gekennzeichnet, dass die Formierungsvorrichtung (10) weiter dazu ausgebildet ist, die blockförmigen Ströme während des Lade- und Entladevorganges jeweils mittels mindesten eines in der Formierungsvorrichtung (10) geeignet angeordneten und im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiters (30, 40), insbesondere eines MOSFET-Transistors, zu leiten und in die Batteriezelle (21) einzuprägen und die während des Entladevorgangs der Batteriezelle (21) entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle (21) mit elektrischer Energie zurückzuspeisen.
  2. Formierungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Formierungsvorrichtung (10) einen mit der Batteriezelle (21) mittels der Leistungshalbleiter (30, 40) jeweils verbindbaren Gleichspannungszwischenkreis (50) und eine Einspeiseeinrichtung (80) zur Einspeisung von elektrischer Energie in den Gleichspannungszwischenkreis (50) umfasst, wobei die Einspeiseeinrichtung (80) rückspeisefähig ausgelegt ist.
  3. Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Formierungsvorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, der Batterie eine derartig hohe Ausgangsspannung bereitzustellen, dass die Formierung einer vorbestimmten Anzahl von seriell geschalteten Batteriezellen (21) gleichzeitig erfolgen kann.
  4. Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Formierungsvorrichtung (10) einen derartig hohen Dynamikbereich aufweist, dass eine Einprägung von Formierungsströmen, die Wechselströme umfassen, die jeweils eine gewünschte Maximalfrequenz haben, und die mittels der jeweils im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiter (30, 40) geleitet werden, in die Batteriezelle (21), insbesondere zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle (21), erfolgen kann.
  5. Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Formierungsvorrichtung (10) eine Glättungsdrossel (70, 71) umfasst, die derartig in der Formierungsvorrichtung (10) angeordnet ist und deren Induktivität derartig dimensioniert ist, dass blockförmige Formierungsströme, die jeweils einen Wechselanteil aufweisen, der einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, zum Einprägen in die Batteriezelle (21) erzeugbar sind.
  6. Formierungsvorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei die Glättungsdrossel (71) aus einer ersten Teildrossel (72) und einer zweiten mit der ersten Teildrossel (72) seriell schaltbaren und überbrückbaren, insbesondere mittels eines Schalters (74) überbrückbaren, zweiten Teildrossel (73) ausgebildet ist und wobei die Induktivität der ersten Teildrossel (72) derartig dimensioniert ist, dass wenn die zweite Teildrossel (73) überbrückt ist, Formierungsströme, die Wechselströme umfassen, die jeweils eine gewünschte Maximalfrequenz und/oder eine gewünschte Stromamplitude aufweisen, zum Einprägen in die Batteriezelle (21) erzeugbar sind.
  7. Verfahren zur Formierung mindestens einer Batteriezelle (21) einer Batterie, bei dem mittels einer Formierungsvorrichtung (10) mindestens ein vorgegebener Lade- und mindestens ein vorgegebener Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle (21) durchgeführt werden, wobei während des Lade- und Entladevorganges blockförmige Formierungsströme in die Batteriezelle (21) eingeprägt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die blockförmigen Formierungsströme während des Lade- und Entladevorganges jeweils mittels mindestens eines in der Formierungsvorrichtung (10) geeignet angeordneten und im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiters (30, 40), insbesondere eines MOSFET-Transistors, geleitet und in die Batteriezelle (21) eingeprägt werden und die während des Entladevorgangs der Batteriezelle entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle (21) mit elektrischer Energie zurückgespeist wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei mittels der Formierungsvorrichtung (10) der Batterie eine derartig hohe Ausgangsspannung bereitgestellt wird, dass eine vorbestimmte Anzahl von seriell geschalteten Batteriezellen (21) gleichzeitig formiert werden kann.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei eine Formierungsvorrichtung (10) mit einem derartig hohen Dynamikbereich verwendet wird, dass Formierungsströme, die Wechselströme umfassen, die jeweils eine gewünschte Maximalfrequenz aufweisen, mittels der jeweils im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiter (30, 40) geleitet und in die Batteriezelle (21), insbesondere zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle (21), eingeprägt werden können.
  10. Batterie, die eine Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
  11. Fahrzeug mit einer Batterie, die zur Formierung mindestens einer Batteriezelle (21) der Batterie eine Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
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