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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich zwischen Batteriezellen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls.
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Stand der Technik
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Durch verbesserte Speicherkapazität, häufigere Wiederaufladbarkeit und höhere Energiedichten finden Batterien immer breitere Anwendungen. Batterien mit geringerer Energiespeicherkapazität werden zum Beispiel für kleine tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Camcordern und dergleichen verwendet, während Batterien mit hoher Kapazität als Energiequelle für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen, etc. oder als stationäre Batterien Verwendung finden.
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Batterien können zum Beispiel aus einzelnen Batteriemodulen oder durch das serielle Verschalten von Batteriemodulen gebildet werden, wobei teilweise auch parallele Verschaltungen der Batteriemodule erfolgen und die Batteriemodule ihrerseits aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen bestehen können.
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden.
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Bei Batterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge, beispielsweise Lithium-Ionen-Technologie basierte Batterien oder Nickel-Metallhydrid-Technologie basierte Batterien, ist derzeit Stand der Technik, dass entweder reine Serienschaltungen von Batteriezellen oder – falls die Kapazität der Zellen für den geforderten Energieinhalt bei einer gleichzeitig vorgegebenen Maximalspannung der Batterie nicht ausreicht – zusätzlich eine Parallelschaltung auf Zellebene eingesetzt wird. Die Parallelschaltung erfolgt dabei "hart", das heißt, die Zellen werden möglichst niederohmig miteinander verbunden. Die elektrische Verbindung der Zellen erfolgt beispielsweise durch Auflegen eines metallischen Zellverbinders und anschließendes Verschrauben oder Verschweißen. Die Zellverbinder können auch in Öffnungen der Batteriezellterminals eingeführt werden.
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An Zellpaaren kann vor der Einbringung in den Modulfertigungsprozess mit einer separaten Einrichtung ein Ladungsausgleich vorgenommen werden. Dies erfolgt über die Kontaktierung von ohmschen Widerständen und zwar in genau der Paarung, in der die Zellen später parallel verbaut werden. Die Widerstände werden so groß gewählt, dass keine Funken bei der Kontaktierung auftreten. Nach dem Ladungsausgleich werden die Zellen unter sorgfältiger Beibehaltung der Paarung in den Produktionsprozess der Batteriemodule beziehungsweise des Batteriesystems eingebracht.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zum Ladungsausgleich zwischen Batteriezellen vorgestellt. Dabei sind die Batteriezellen für eine parallele Verschaltung zu Elementen vorgesehen und relativ zueinander fixiert.
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Die Vorrichtung umfasst einen ersten Strompfad mit einer Trennvorrichtung, wobei der erste Strompfad zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen Terminals einer ersten von zwei Polungen der Batteriezellen vorgesehen ist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin Mittel zum Öffnen und Schließen der Trennvorrichtung, und einen zweiten Strompfad zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen Terminals einer zweiten von zwei Polungen der Batteriezellen. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Mittel zum Messen einer Ausgleichsstromstärke während eines bei geschlossener Trennvorrichtung auftretenden Ladungsausgleiches zwischen den Batteriezellen, Mittel zum Vergleichen der gemessenen Ausgleichsstromstärke mit einem Schwellwert, und Mittel zum Feststellen eines Unterschreitens des Schwellwerts durch die Ausgleichsstromstärke umfasst, wobei die Vorrichtung ausgelegt ist, die Trennvorrichtung in Reaktion auf das Feststellen zu öffnen.
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Mit dieser Vorrichtung wird ein verwechslungssicherer und zeitoptimierter Ladungsausgleich zwischen für eine parallele Verschaltung vorgesehenen Batteriezellen möglich.
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In einer Ausführungsform kann die Ausgleichsstromstärke durch einen auf dem ersten oder auf dem zweiten Strompfad angeordneten Widerstand begrenzt sein. Dies erhöht die Sicherheit beim Schließen der Trennvorrichtung.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Trennvorrichtung gekapselt sein. Auch dies erhöht die Sicherheit.
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Eine erste sichere Ausführungsform der Trennvorrichtung umfasst ein Schütz.
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Eine zweite sichere Ausführungsform der Trennvorrichtung umfasst ein Relais.
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Die Messmittel können beispielsweise im ersten Strompfad angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren nach Anspruch 7 zum Ladungsausgleich zwischen Batteriezellen vorgestellt. Dabei sind die Batteriezellen für eine parallele Verschaltung in einem Element vorgesehen.
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Das Verfahren umfasst die Schritte: elektrisches Kontaktieren von Terminals einer ersten von zwei Polungen der Batteriezellen mit einer eine geöffnete Trennvorrichtung umfassenden Kontaktierungsvorrichtung, Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen Terminals einer zweiten von zwei Polungen der Batteriezellen, und Schließen der Trennvorrichtung zur elektrischen Verbindung der Terminals erster Polung zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen.
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Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin die Schritte Bestimmen einer Ausgleichsstromstärke, Vergleichen der bestimmten Ausgleichsstromstärke mit einem Schwellwert, Feststellen eines Unterschreitens des Schwellwerts durch die Ausgleichsstromstärke und Öffnen der Trennvorrichtung in Reaktion auf das Feststellen umfasst.
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Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren nach Anspruch 8 zur Herstellung eines Batteriemoduls umfassend parallel verschaltete Batteriezellen vorgestellt. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte Fixieren miteinander parallel zu verschaltender Batteriezellen relativ zueinander, Ladungsausgleichen zwischen den relativ zueinander fixierten Batteriezellen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen Batteriezellen, Verbinden der Terminals erster Polung der Batteriezellen mittels eines ersten Zellverbinders und Verbinden der Terminals zweiter Polung der Batteriezellen mittels eines zweiten Zellverbinders, und Verschrauben oder Verschweißen des ersten Zellverbinders mit den Terminals erster Polung und des zweiten Zellverbinders mit den Terminals zweiter Polung.
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In einer Ausführungsform dient das Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit seriell verschalteten Elementen aus parallel verschalteten Batteriezellen. Dabei wird mindestens ein Zellverbinder einer ersten Ausführungsform verwendet, der gleichzeitig für ein Element als erster Zellverbinder und für ein angrenzendes Element als zweiter Zellverbinder dient und so das Element mit dem angrenzenden Element seriell verschaltet. Weiterhin werden zwei Zellverbinder einer zweiten Ausführungsform verwendet, die ausschließlich entweder als erster Zellverbinder oder als zweiter Zellverbinder dienen und Terminals des Batteriemoduls bilden.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Batteriemodul mit drei seriell verschalteten Elementen mit je zwei parallel verschalteten Batteriezellen nach dem Stand der Technik,
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2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 ein Detail des Ausführungsbeispiels aus 2, und
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4 Messkurven einer beispielhaften Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist die serielle Verschaltung von drei Elementen 10 dargestellt, wobei jedes Element 10 zwei parallel geschaltete Batteriezellen 20 umfasst. Diese Form der Verschaltung wird auch 3s2p genannt. Bei der Fertigung von Anordnungen, die eine Parallelschaltung 10 von Batteriezellen 20 enthalten, muss sichergestellt werden, dass die Batteriezellen 20 allerhöchstens geringfügig unterschiedliche Ladezustände aufweisen, weil sonst bei Auflegen der auch als Zellverbinder bezeichneten Verbindungselemente 30 ein Ausgleichsstrom mit sehr hoher Ausgleichsstromstärke fließt. Dabei ist unerheblich, wie die Verbindungselemente 30 mit Terminals 40, 41 der Batteriezellen 20 verbunden werden, ob zum Beispiel Schraub- oder Schweißverbindungen hergestellt werden.
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Ursache für die hohen Ausgleichsstromstärken ist, dass sich unterschiedliche Urspannungen der Batteriezellen 20 über deren sehr niedrige Innenwiderstände entladen. Zur Verdeutlichung sei ein Beispiel für Lithium-Ionen-Batteriezellen aufgeführt: Eine 60 Ah Zelle weist im Bereich mittlerer Ladezustände bei Raumtemperatur für kurzzeitige Pulsbelastungen Innenwiderstände im Bereich von 0,3 mOhm auf. Haben die Zellen zum Zeitpunkt der Fertigung der Batterie eine Differenz im Ladezustand von ±2,5 %, führt dies zu Unterschieden in der Spannung im Bereich von bis zu 150 mV. Werden die Zellverbinder 30 zur Herstellung der Parallelverbindung bei zwei aneinander angrenzenden Zellen 20 aufgesetzt, ergeben sich Ausgleichsströme im Bereich von 250 A. Dies kann etwa zur Funkenbildung an den Terminals 40, 41 führen, was im Fertigungsablauf unerwünscht beziehungsweise aus Sicherheitsgründen nicht zulässig ist.
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Zudem müssen die Zellen nach dem Ladungsausgleich gepaart in den Produktionsprozess der Batteriemodule/Batteriesysteme eingebracht werden. Dies ist mit dem Risiko der falschen Paarung und mit Zusatzaufwand verbunden.
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Es ist daher in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel vorgesehen, die parallel zu schaltenden Zellen, erst nachdem sie im Modulfertigungsprozess mechanisch bereits fixiert wurden, in ihren Ladezuständen auszugleichen.
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In 2 ist ein 6-Zellen Batteriemodul dargestellt, welches in der Fertigung zu einer 3s2p (3 in Serie, 2 parallel) konfiguriert werden soll. Das Batteriemodul ist bereits soweit gefertigt, dass die Zellen 20 mechanisch fixiert sind.
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Nachdem die Zellen 20 mechanisch fixiert sind, werden sie zunächst kontaktiert. Dann wird über das Schließen eines vorzugsweise gekapselten Schalters 50 in einer Vorrichtung 70 ein vorzugsweise niederohmiger Pfad für den Ladungsausgleich der Zellen bereitgestellt. Die Parallelschaltung der Zellen 20 wird nach erfolgtem Ladungsausgleich beispielsweise über Verbinden mittels einer Schraub- oder Schweißverbindung 30, 31 hergestellt. Die für den jeweiligen Ladungsausgleich erforderliche Zeitdauer ist dabei von der Abweichung der Ladezustände der parallel zu schaltenden Zellen abhängig. Kontaktierung und Ladungsausgleich erfolgt vorzugsweise in allen Elementen 10 gleichzeitig, kann aber auch sequenziell erfolgen.
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Insbesondere kann der Prozess mit einer Vorrichtung 70 erfolgen, die für jedes Element 10 erste und zweite Strompfade umfasst und auf die Batteriezellen 20 aufgesetzt wird, so dass alle Batteriezellterminals 40, 41 im Wesentlichen gleichzeitig kontaktiert werden. Anschließend werden alle Trennvorrichtungen 50 im Wesentlichen gleichzeitig geschlossen.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Zeitdauer jeden Ladungsausgleichs so gewählt, dass auch eine technisch maximal mögliche Abweichung in den Ladezuständen der Zellen nach Ablauf der Zeitdauer ausgeglichen ist. Die Zeitdauer ist also für den schlimmstmöglichen Fall ausgelegt.
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Ein Verfahren im Sinne dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Parallelschaltung der Zellen kann dann folgende Schritte umfassen:
- – Mechanisches Fixieren der parallel zu verschaltenden Batteriezellen,
- – Kontaktieren von Terminals einer zweiten von zwei Polungen der fixierten Batteriezellen mittels einer in eine Fertigungseinrichtung integrierten Vorrichtung, wobei erste Terminals einer ersten von zwei Polungen durch die Kontaktierung miteinander elektrisch verbunden sind und zweite Terminals einer zweiten von zwei Polungen durch die Kontaktierung mit Eingängen eines beispielsweise mittels Relais oder Schütz realisierten, geöffneten Schalters elektrisch verbunden sind,
- – Elektrisches Verbinden der parallel zu verschaltenden Batteriezellen durch Schließen des Schalters für die Zeitdauer,
- – Öffnen des Schalters, Entfernen der Vorrichtung und
- – Auflegen der Zellverbinder und anschließende Verschraubung beziehungsweise Verschweißung.
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Der Schaltvorgang/Kontaktvorgang mit Stromfluss muss somit nicht direkt an der Zelle 20, sondern kann gekapselt am Schalter 50 in einer Vorrichtung 70 stattfinden. Zudem verbleiben die Zellen 20 in dem bereits halbgefertigten Modul, wodurch eine Verwechslung ohne zusätzlich entstehenden Aufwand ausgeschlossen wird.
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Der Ausgleichsvorgang in Form eines Ladungsaustausches kann sehr niederohmig, lediglich begrenzt durch die Innenwiderstände der Batteriezellen 20, erfolgen, so dass von einem Kurzschließen gesprochen werden kann. Es ist aber auch eine Begrenzung des Ausgleichsstroms möglich. So kann der Ausgleichsvorgang über einen zusätzlich eingeführten ohmschen Begrenzungswiderstand in gewünschter Weise beeinflusst werden. Der Begrenzungswiderstand kann zwischen den Terminals 41 einer ersten von zwei Polungen, die direkt durch die Kontaktierung miteinander niederohmig elektrisch verbunden sind, eingefügt werden. Der Begrenzungswiderstand kann aber auch zwischen einem der Terminals 40 einer zweiten von zwei Polungen und der Trennvorrichtung 50 eingefügt werden.
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Für das Verfahren ist es unerheblich, ob zwei oder mehr Batteriezellen 20 parallel zu Elementen 10 geschaltet werden. Lediglich der Schalter 50 muss eine der Anzahl der parallel zu verschaltenden Batteriezellen 20 entsprechende Anzahl von Eingängen aufweisen, die bei geschlossenem Schalter elektrisch miteinander verbundenen sind.
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Die Zeitdauer ist für den schlimmstmöglichen Fall ausgelegt, aber nicht für alle Ausgleichsfälle erforderlich, da die Zellen mit hoher Wahrscheinlichkeit Abweichungen in ihren Ladezuständen haben, die deutlich geringer sind als die technisch maximal mögliche Abweichung.
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Eine Weiterbildung der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung widmet sich daher der Aufgabe, unabhängig von den spezifischen Abweichungen der Ladezustände der Zellen einen zeitoptimierten Ladungsausgleich zu realisieren.
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Diese Weiterbildung ist in 2 dargestellt. Das Verfahren weist ein wiederkehrendes Messen der Spannungen der parallel zu schaltenden Zellen bei geschlossenem Schalter als zusätzlichen Schritt auf. Die Messungen erfolgen dabei beispielsweise über einen von der Fertigungsvorrichtung umfassten Spannungssensor.
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Der Ausgleichsstrom für den Ladungsaustausch der Zellen kann dann aus den gemessenen Spannungen der Zellen bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Ausgleichsstrom auch mittels eines Stromsensors 60 erfasst werden. Dies ist beispielhaft für ein Batteriezellpaar eines Elements in 3 dargestellt.
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Die Weiterbildung der Ausführungsform der Erfindung umfasst, dass der Schalter 50 wieder geöffnet wird, sobald der gemessene oder aus Spannungsmessungen bestimmte Ausgleichsstrom einen vorbestimmten oder frei wählbaren Grenzwert unterschreitet. Der Ladungsausgleich ist dann abgebrochen und die Kontaktierung der Zellen 20 durch die Vorrichtung wird beendet.
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Optional weist die Weiterbildung des Verfahrens vor dem Schließen des Schalters 50 den zusätzlichen Schritt eines Messens der Ruhespannungen der parallel zu schaltenden Zellen auf. Es kann dann auf Fertigungsdaten der Batteriezellen zugegriffen werden, um die Ruhespannung der Zellen bei deren Ausgangskontrolle mit den in der Batteriefertigung gemessenen Werten zu vergleichen und die Zellen 20 mit hoher Selbstentladung vor der Fertigung der Batteriemodule zu identifizieren.
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Die obere Kurve in 4 zeigt, wie sich in einem beispielhaften Ladungsausgleichsvorgang die Leerlaufspannungen 110, 120 zweier Zellen im Zeitverlauf angleichen. Die untere Kurve in 4 zeigt, wie der Ausgleichsstrom 130 im Zeitverlauf des Ladungsausgleichsvorgangs mit sinkender Spannungsdifferenz abnimmt. Zu einem Zeitpunkt T unterschreitet die Stromstärke des Ausgleichsstroms den Grenzwert 100 und der Ausgleich wird abgebrochen. Nach Abbruch fließt kein Ausgleichsstrom und eine Restspannungsdifferenz zwischen den Zellen bleibt bestehen.
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Die verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens vermeiden Funkenbildung in Zellterminalnähe und ermöglichen, Ladungsausgleich zwischen den Zellen schnell durchzuführen. Erfolgt eine Erfassung oder Bestimmung des Ausgleichsstroms beziehungsweise der Ausgleichsströme, so kann der Ladungsausgleich zeitoptimiert angepasst an die spezifische Situation der parallel zu schaltenden Zellen und damit noch schneller ausgeführt werden. Auch größere Ladungszustandsabweichungen zwischen parallel zu schaltenden Zellen sind dann beherrschbar, ohne dass dies in der Fertigung der Batteriemodule zu unnötigen Zeitverzögerungen führt. Da der Ladungsausgleich nach Fixierung erfolgt, ist eine Verwechslung der Zellen nach dem Ladungsausgleich bis zur Fertigstellung der Parallelschaltung ausgeschlossen.
