DE102012214119A1 - Forming device with multiphase architecture and associated method for forming battery cells of a battery - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Formierungsvorrichtung (10) bereitgestellt, die dazu ausgebildet ist, zur Formierung mindestens einer Batteriezelle (21) einer Batterie Formierungsströme zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in die Batteriezelle (21) einzuprägen. Dabei umfasst die Formierungsvorrichtung (10) einen bidirektionalen Multiphasen-Gleichspannungswandler (11), wobei der Multiphasen-Gleichspannungswandler (11) eine derartig hohe Anzahl (n) von miteinander parallel verbindbaren bidirektionalen Gleichspannungswandlern (12, 13), insbesondere von bidirektionalen Tiefsetzstellern (12, 13), umfasst und die Formierungsvorrichtung (10) weiter dazu ausgebildet ist, die Gleichspannungswandler (12, 13) jeweils derartig zu takten, dass mittels der Formierungsvorrichtung (10) blockförmige Formierungsströme, die jeweils einen Stromrippel aufweisen, deren Amplitude einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, während mindestens eines vorgegebenen Ladevorganges und mindestens eines vorgegebenen Entladevorganges erzeugbar und in die Batteriezelle (21) einprägbar sind und/oder Formierungsströme, die Wechselströme, die jeweils eine Stromänderungsgeschwindigkeit aufweisen, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten, umfassen, erzeugbar und in die Batteriezelle, insbesondere zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle (21), einprägbar sind.A forming device (10) is provided which is designed to impress into the battery cell (21) forming currents for the purpose of forming at least one battery cell (21) of a battery in order to activate electrochemical processes. The forming device (10) comprises a bidirectional multiphase DC voltage converter (11), the multiphase DC voltage converter (11) having such a high number (n) of bidirectional DC voltage converters (12, 13), in particular bidirectional buck converters (12, 13), and the forming device (10) is further designed to clock the DC voltage converters (12, 13) in such a way that, by means of the forming device (10), block-shaped forming currents, each having a current ripple, the amplitude of which falls below a predetermined threshold value, during at least one predetermined charging process and at least one predetermined discharging process can be generated and impressed in the battery cell (21) and / or formation currents which comprise alternating currents, each of which has a current rate of change that exceeds a predetermined threshold value, can be generated and i n the battery cell, in particular for carrying out an impedance spectroscopy of the battery cell (21), can be impressed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formierungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie Formierungsströme zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle einzuprägen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie. Auch betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Batterie und einer erfindungsgemäßen Formierungsvorrichtung zur Formierung mindestens einer Batteriezelle der Batterie.The present invention relates to a forming device which is designed to impress formation currents for forming at least one battery cell of a battery into an activation of electrochemical processes in the battery cell. Furthermore, the invention relates to a method for forming at least one battery cell of a battery. The invention also relates to a vehicle having a battery and a forming device according to the invention for forming at least one battery cell of the battery.

Stand der TechnikState of the art

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 the production of lithium-ion battery cells, the so-called forming process is particularly important. During a forming process, on the one hand, each individual battery cell is activated and, on the other hand, a defined formation and stabilization of the solid electrolyte layer (solid electrolyte interface SEI) is to be achieved via a pre-aging process. This corrosion layer, which forms on lithium-ion batteries on the anode, determines the aging behavior of the battery cells significantly. The formation and pre-aging process takes about 10 to 14 days in today's manufacturing of cells with large cell energies, for example of 60 Ah cells. From the prior art, it is known to use in the formation of battery cells forming devices, which are referred to as power amplifiers and their schematic diagram in the 1 is pictured.

In der 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Formierungsvorrichtung beziehungsweise Leistungsendstufe oder Formierendstufe 10 dargestellt, die mit einer Serienschaltung 20 mehrerer zu formierender Batteriezellen 21 einer Batterie verbunden ist. Dabei kann auch nur eine einzelne zu formierende Batteriezelle 21 vorhanden sein. In the 1 is a known from the prior art forming device or power output stage or forming stage 10 shown with a series circuit 20 several battery cells to be formed 21 a battery is connected. It can also only a single battery cell to be formed 21 to be available.

Die Formierungsvorrichtung 10 umfasst einen Gleichspannungszwischenkreis 50, in dem ein Zwischenkreiskondensator 60 angeordnet ist, der an einem Anschluss mit einem ersten Eingang 51 und einem ersten Ausgang 53 des Gleichspannungszwischenkreises 50 und an dem anderen Anschluss mit einem zweiten Eingang 52 und einem zweiten Ausgang 54 des Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden ist.The forming device 10 includes a DC intermediate circuit 50 , in which a DC link capacitor 60 is arranged, which at a connection with a first entrance 51 and a first exit 53 of the DC intermediate circuit 50 and at the other terminal with a second input 52 and a second exit 54 of the DC intermediate circuit 50 connected is.

Die Formierungsvorrichtung 10 umfasst einen ersten Leistungshalbleiter (oberer Leistungshalbleiter in der 1) 30 und einen zweiten Leistungshalbleiter (unterer Leistungshalbleiter in der 1) 40, die in Reihe miteinander verschaltet sind.The forming device 10 comprises a first power semiconductor (upper power semiconductor in the 1 ) 30 and a second power semiconductor (lower power semiconductor in the 1 ) 40 , which are interconnected in series.

Parallel zu dem ersten Leistungshalbleiter 30 ist eine Diode 31 geschaltet, deren Sperrrichtung in die Durchlassrichtung des ersten Leistungshalbleiters 30 verläuft. Der erste Leistungshalbleiter 30 ist an einem Anschluss mit dem zweiten Leistungshalbleiter 40 und an seinem anderen Anschluss mit einem ersten Ausgang 53 des Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden.Parallel to the first power semiconductor 30 is a diode 31 whose reverse direction in the forward direction of the first power semiconductor 30 runs. The first power semiconductor 30 is at a terminal with the second power semiconductor 40 and at its other terminal with a first exit 53 of the DC intermediate circuit 50 connected.

Die zwei Anschlüsse der Batteriezellenserienschaltung 20 sind jeweils mit einem Anschluss des zweiten Leistungshalbleiters 40 verbunden. Parallel zu dem zweiten Leistungshalbleiter 30 ist eine Diode 41 geschaltet, deren Sperrrichtung in die Durchlassrichtung des zweiten Leistungshalbleiters 40 verläuft. Der zweite Leistungshalbleiter 40 ist an einem Anschluss ferner mit dem ersten Leistungshalbleiter 30, dessen Durchlassrichtung in die Durchlassrichtung des Leistungshalbleiters 40 verläuft, verbunden. Der zweite Leistungshalbleiter 40 ist an seinem anderen Anschluss, der nicht mit dem ersten Leistungshalbleiterschalter 30 verbunden ist, mit dem zweiten Ausgang 54 des Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden. The two connections of the battery cell series circuit 20 are each connected to a terminal of the second power semiconductor 40 connected. Parallel to the second power semiconductor 30 is a diode 41 whose blocking direction is in the forward direction of the second power semiconductor 40 runs. The second power semiconductor 40 is at a terminal further connected to the first power semiconductor 30 whose forward direction in the forward direction of the power semiconductor 40 runs, connected. The second power semiconductor 40 is at its other terminal, not with the first power semiconductor switch 30 connected to the second output 54 of the DC intermediate circuit 50 connected.

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.By means of a supply network, electrical energy in the DC voltage intermediate circuit 20 which are then used for the formation of the battery cells 21 the battery cell series circuit 20 provided.

Die Leistungsendstufe (Formierendstufe) 10 basiert auf dem Einsatz der zwei jeweils im linearen Betrieb arbeitenden Leistungshalbleiter 30, 40. Der in der 1 dargestellte erste Leistungshalbleiter 30 wird für Ladeströme aktiviert. Der zweite Leistungshalbleiter 40 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 daher 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. The power output stage (forming stage) 10 is based on the use of the two power semiconductors operating in linear mode 30 . 40 , The Indian 1 illustrated first power semiconductors 30 is activated for charging currents. The second power semiconductor 40 is activated for discharge currents. As the power semiconductors 30 . 40 working in the active area, creates a significant heat loss, which must be dissipated with complex measures for cooling the power electronics. During discharging operations of the at least one battery cell 21 the electrical energy can not be fed back into the supply network and is therefore in the in the 1 illustrated concept for the forming stage 10 completely converted into heat loss. An essential advantage of the forming stages used today is the very smooth course of the charging and discharging currents. In the formation of the battery cells 21 can with the in the 1 illustrated forming stage 10 either a single battery cell 21 or with appropriate design of the maximum output voltage of the forming stage can also be several battery cells 21 be formed in series connection simultaneously.

Weiterhin ist aus der DE 10 2010 027 854 A1 eine Einrichtung zur wechselweisen Auf- und Entladung von Akkumulatoren bekannt, die Energiequellen zur Bereitstellung eines Ladestroms für mindestens einen aufzuladenden Akkumulator, mindestens eine Energiesenke, welcher der Entladestrom mindestens eines zu entladenden Akkumulators zuführbar ist, und eine Steuereinheit zur Steuerung der Lade- und Entladevorgänge umfasst. Dabei handelt sich bei der Energiesenke oder den Energiesenken um aufzuladende Akkumulatoren, wobei die Akkumulatoren der Einrichtung mittels einer durch die Steuereinrichtung gesteuerten Lade- und Entladeeinheit im Wechsel als Energiequelle und Energiesenke betrieben werden. Hierfür umfasst die Lade- und Entladeeinheit einen Spannungswandler, über welchen von einem als Energiequelle arbeitenden Akkumulator eine Ausgangsspannung bereitgestellt wird, welche die Nennspannung des oder der jeweils durch ihn aufzuladenden, als Energiesenke arbeitenden Akkumulatoren übersteigt. Die beim wechselnden Auf- und Entladen der Akkumulatoren auftretenden Energieverluste werden, gesteuert von der Steuereinheit, mittels der netzgekoppelten Energiequelle kompensiert. Furthermore, from the DE 10 2010 027 854 A1 a device for the alternate charging and discharging of accumulators known, the energy sources for providing a charging current for at least one rechargeable battery, at least one energy sink, to which the discharge current of at least one rechargeable battery can be supplied, and a control unit for controlling the charging and discharging processes. The energy sink or sinks are accumulators to be charged, the accumulators of the device being operated alternately as an energy source and sink by means of a charge and discharge unit controlled by the control device. For this purpose, the charging and discharging unit comprises a voltage converter, via which an output voltage is provided by an operating as an energy source accumulator, which exceeds the rated voltage of or each charged by him, operating as Energiesenke accumulators. The energy losses occurring during the alternating charging and discharging of the accumulators are compensated, controlled by the control unit, by means of the grid-connected energy source.

Des Weiteren ist aus demselben Dokument bekannt, dass mehrere Lade- und Entladeeinheiten in einer die Lade- und Entladeeinheiten aufnehmenden Verbundeinheit zusammengefasst sein können, und dass sich die Einrichtung für die wechselweise Auf- und Entladung im Rahmen einer Formierung von Akkumulatoren eignet. Furthermore, it is known from the same document that a plurality of charging and discharging units can be combined in a composite unit accommodating the charging and discharging units, and that the means for alternating charging and discharging is suitable for forming accumulators.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Formierungsvorrichtung bereitgestellt, die dazu ausgebildet ist, zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie Formierungsströme zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozessen in die Batteriezelle einzuprägen. Dabei umfasst die Formierungsvorrichtung einen bidirektionalen Multiphasen-Gleichspannungswandler, wobei der Multiphasen-Gleichspannungswandler eine derartig hohe Anzahl von miteinander parallel verbindbaren bidirektionalen Gleichspannungswandlern, insbesondere von bidirektionalen Tiefsetzstellern, umfasst und die Formierungsvorrichtung weiter dazu ausgebildet ist, die Gleichspannungswandler derartig jeweils zu takten, dass mittels der Formierungsvorrichtung Formierungsströme, die jeweils einen gewünschten Stromverlauf aufweisen, erzeugbar und in die Batteriezelle einprägbar sind. Die Formierungsströme können dabei blockförmige Formierungsströme umfassen, die jeweils einen Stromrippel aufweisen, dessen Größe beziehungsweise Amplitude einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, und während mindestens eines vorgegebenen Ladevorganges und mindestens eines vorgegebenen Entladevorganges in die Batteriezelle einzuprägen sind. Auch können die Formierungsströme Wechselströme umfassen, die jeweils eine Stromänderungsgeschwindigkeit aufweisen, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, und die in die Batteriezelle, insbesondere zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle, einzuprägen sind. Unter Stromrippel kann die Restwelligkeit bzw. im Falle von Gleichstrom der überlagerte Wechselstromanteil verstanden werden.According to the invention, a forming device is provided, which is designed to impress formation currents for the formation of at least one battery cell of a battery into an activation of electrochemical processes in the battery cell. In this case, the forming device comprises a bidirectional multiphase DC-DC converter, wherein the multiphase DC-DC converter such a high number of parallel connectable bidirectional DC-DC converters, in particular of bidirectional Tiefsetzstellern comprises, and the forming device is further adapted to clock the DC-DC converter in such a way that by means of Forming device forming currents, each having a desired current profile, generated and can be imprinted in the battery cell. The forming currents may comprise block-shaped forming currents, each having a current ripple, the size or amplitude of which falls below a predetermined threshold value, and are to be impressed into the battery cell during at least one predetermined charging process and at least one predetermined discharging process. The forming currents may also comprise alternating currents which each have a current change rate which exceeds a predetermined threshold value and which are to be impressed into the battery cell, in particular for carrying out an impedance spectroscopy of the battery cell. Under current ripple can be understood the residual ripple or in the case of direct current superimposed alternating current component.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie bereitgestellt, bei dem Formierungsströme zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse mittels einer Formierungsvorrichtung in die Batteriezelle eingeprägt werden. Dabei werden mittels eines in der Formierungsvorrichtung angeordneten Multiphasen-Gleichspannungswandlers, der eine geeignete Anzahl von parallel miteinander verbundenen bidirektionalen Gleichspannungswandlern, insbesondere bidirektionale Tiefsetzsteller, die geeignet getaktet werden, umfasst, Formierungsströme erzeugt, die jeweils einen gewünschten Stromverlauf aufweisen, und die in die Batteriezelle eingeprägt werden. Dabei können die Formierungsströme als blockförmige Formierungsströme, die jeweils einen Stromrippel aufweisen, der einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, erzeugt und während mindestens eines vorgegebenen Ladevorganges und mindestens eines vorgegebenen Entladevorganges in die Batteriezelle eingeprägt werden. Auch können die Formierungsströme als Wechselströme, die jeweils eine Stromänderungsgeschwindigkeit aufweisen, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten, erzeugt und in die Batteriezelle eingeprägt werden, insbesondere zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle.According to the invention, a method is also provided for forming at least one battery cell of a battery, in which forming currents for activating electrochemical processes by means of a forming device are impressed into the battery cell. In this case, by means of a arranged in the forming device multiphase DC-DC converter comprising a suitable number of parallel connected bi-directional DC-DC converters, in particular bidirectional buck converter, which are suitably clocked, generates forming currents, each having a desired current profile, and impressed in the battery cell become. In this case, the forming currents can be generated as block-shaped forming currents, each of which has a current ripple that falls below a predetermined threshold value, and impressed into the battery cell during at least one predetermined charging process and at least one predetermined discharging process. Also, the forming currents may be generated and injected into the battery cell as alternating currents each having a current changing speed exceeding a predetermined threshold, in particular for performing impedance spectroscopy of the battery cell.

Mittels der Verwendung eines erfindungsgemäßen Multiphasen-Gleichspannungswandlers, der eine geeignete Anzahl von bidirektionalen Gleichspannungswandlern umfasst, die bevorzugt jeweils als Tiefsetzsteller ausgebildet sind, wird bei geeigneter Taktung der Gleichspannungswandler eine Formierungsvorrichtung mit einem gegenüber dem Stand der Technik deutlich aufgeweiteten Dynamikbereich realisiert. Dadurch können zum einen die blockförmigen Ströme bei der Formierung mit einem Stromrippel von geringer Amplitude beziehungsweise mit einem geringen Wechselanteil dargestellt werden und zum anderen kann die maximal mögliche Stromänderungsgeschwindigkeit erhöht werden. Wegen der höheren Dynamik, die aufgrund des aufgeweiteten Dynamikbereichs ermöglicht wird, kann die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung Wechselströme mit hochfrequenten sinusförmigen Stromverläufen zu deutlich höheren Frequenzen hin realisieren. Dadurch wird es insbesondere ermöglicht, Impedanzspektroskopien bis hin zu sehr hohen Frequenzen durchzuführen.By means of the use of a multiphase DC-DC converter according to the invention, which comprises a suitable number of bidirectional DC-DC converters, which are each preferably designed as step-down converters, a shaping device with a dynamic range significantly widened in comparison to the prior art is implemented with suitable clocking of the DC-DC converter. As a result, on the one hand, the block-shaped currents can be represented during formation with a current ripple of low amplitude or with a small alternating component, and on the other hand, the maximum possible rate of change of current can be increased. Because of the higher dynamics, which is made possible due to the expanded dynamic range, the inventive forming device can realize alternating currents with high-frequency sinusoidal current waveforms at much higher frequencies. This makes it possible in particular to perform impedance spectroscopy up to very high frequencies.

Bei einer besonderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung weiter dazu ausgebildet, die Gleichspannungswandler jeweils mittels eines einzelnen zentralen Taktes zu takten und/oder die Gleichspannungswandler jeweils gegeneinander versetzt zu takten. Auch kann die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung dazu ausgebildet sein, die Gleichspannungswandler jeweils mittels einer Pulsweitenmodulation zu takten und/oder die Gleichspannungswandler jeweils mittels einer Pulsweitenmodulation, die für alle Gleichspannungswandler dieselbe Impulsperiodendauer aufweist, um eine vorbestimmte Zeit gegeneinander versetzt zu takten. Insbesondere beträgt die vorbestimmte Zeit nur einen Bruchteil der Impulsperiodendauer, der sich durch die Teilung der Impulsperiodendauer durch die Anzahl der Gleichspannungswandler ergibt.In a particular advantageous embodiment of the invention, the forming device according to the invention is further adapted to the DC-DC converter in each case by means of a to clock each central clock and / or clocked to offset the DC-DC converter against each other. The inventive forming device can also be designed to clock the DC-DC converters by means of a pulse width modulation and / or the DC-DC converters each by means of a pulse width modulation, which has the same pulse period for all DC-DC converters to clock offset from each other for a predetermined time. In particular, the predetermined time is only a fraction of the pulse period duration resulting from the division of the pulse period by the number of DC-DC converters.

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Formierungsvorrichtung umfassen die Gleichspannungswandler jeweils eine Glättungsdrossel. Insbesondere weist jede Glättungsdrossel eine Induktivität auf, deren Größe einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet.In a further particularly preferred forming device, the DC-DC converters each comprise a smoothing choke. In particular, each smoothing inductor has an inductance whose magnitude falls below a predetermined threshold value.

Mit anderen Worten, der bidirektionale Multiphasen-Gleichspannungswandler ist bevorzugt als bidirektionaler Multiphasen-Tiefsetzsteller ausgebildet, der aus zwei oder mehreren parallel geschalteten Tiefsetzstellern aufgebaut ist. Diese Tiefsetzsteller werden sinnvollerweise über einen zentralen Takt und mit einer um 1/n der Impulsperiodendauer versetzt realisierten Pulsweitenmodulation betrieben, wobei n die Anzahl der im bidirektionalen Multiphasen-Tiefsetzsteller vorhandenen Tiefsetzsteller ist. Dadurch gelingt es, eine sehr gute Glättung der Ausgangsströme der Formierungsvorrichtung auch beim Einsatz von Drosseln mit sehr kleinen Induktivitäten zu erzielen und eine sehr hohe Dynamik, das heißt, sehr hohe Stromänderungsgeschwindigkeiten der Ausgangsströme der Formierungsvorrichtung, zu realisieren.In other words, the bidirectional multiphase DC-DC converter is preferably designed as a bidirectional multiphase buck converter, which is composed of two or more buck-boosters connected in parallel. These buck converters are expediently operated via a central clock and with a pulse width modulation realized offset by 1 / n of the pulse period duration, where n is the number of buck converters present in the bidirectional multiphase buck converter. This makes it possible to achieve a very good smoothing of the output currents of the forming device even when using chokes with very small inductances and a very high dynamics, that is, to realize very high rates of change of the output currents of the forming device.

Je höher die Anzahl der versetzt getakteten Tiefsetzsteller ist, desto höhere Anforderungen können an die Stromänderungsgeschwindigkeiten bei gleichzeitigem Realisieren von Gleichströmen mit sehr geringen beziehungsweise sehr kleinen Stromrippeln gestellt werden. Allerdings steigt der Aufwand für die Realisierung des Multiphasen-Wandlers mit zunehmender Anzahl der Tiefsetzsteller an, so dass in Abhängigkeit von den Anforderungen, die an die Dynamik und die Genauigkeit der Formierungsvorrichtungen gestellt werden, ein Optimum des diesbezüglichen Realisierungsaufwands im Bereich von zwei bis sechs Phasen erreicht wird. The higher the number of offset clocked buck converters, the higher the demands can be placed on the rates of current change while realizing DC currents with very small and very small current ripple, respectively. However, the complexity of implementing the multiphase converter increases as the number of buck converters increases, so that, depending on the requirements placed on the dynamics and the accuracy of the forming devices, an optimum of the respective implementation effort in the range of two to six phases is reached.

Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfassen die Gleichspannungswandler jeweils einen ersten Leistungshalbleiter, insbesondere einen ersten MOSFET-Transistor, und einen zweiten Leistungshalbleiter, insbesondere einen zweiten MOSFET-Transistor. Dabei ist die Formierungsvorrichtung dazu ausgebildet, die blockförmigen Formierungsströme während des Ladevorganges mittels der ersten Leistungshalbleiter und während des Entladevorganges mittels der zweiten Leistungshalbleiter zu leiten und in die Batteriezelle einzuprägen.In a very advantageous embodiment of the invention, the DC-DC converters each comprise a first power semiconductor, in particular a first MOSFET transistor, and a second power semiconductor, in particular a second MOSFET transistor. In this case, the forming device is designed to guide the block-shaped forming currents during the charging process by means of the first power semiconductors and during the discharging process by means of the second power semiconductors and impress in the battery cell.

Vorzugsweise ist die Formierungsvorrichtung weiter dazu ausgebildet, die Leistungshalbleiter derartig anzusteuern, dass die Leistungshalbleiter während der Erzeugung der Formierungsströme im Schaltbetrieb arbeiten und die während des Entladevorganges der Batteriezelle entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle zurückgespeist wird.Preferably, the forming device is further configured to control the power semiconductors such that the power semiconductors operate during the generation of the forming currents in switching operation and the electrical energy removed during the discharging process of the battery cell is fed back into a supply network for supplying the battery cell.

Dadurch, dass die Leistungshalbleiter der Formierungsvorrichtung im Schaltbetrieb arbeiten, reduziert sich die in der Formierungsendstufe entstehende Verlustleistung erheblich. Das gilt insbesondere für hohe Lade- und Entladeströme. Die Formierungsendstufe wird ohne nennenswerten Zusatzaufwand rückspeisefähig ausgelegt. Dadurch kann die elektrische Energie, die bei den Entladevorgängen der zu formierenden Batteriezellen entnommen wird, in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden.Due to the fact that the power semiconductors of the forming device operate in the switching mode, the power loss occurring in the formation output stage is reduced considerably. This applies in particular to high charging and discharging currents. The formation amplifier is designed to be regenerative without significant additional effort. As a result, the electrical energy which is removed during the discharging processes of the battery cells to be formed can be fed back into the supply network.

Ferner kann die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung einen Gleichspannungszwischenkreis und eine Einspeiseeinrichtung zur Einspeisung von elektrischer Energie in den Gleichspannungszwischenkreis umfassen, wobei der Multiphasen-Gleichspannungswandler eingangsseitig mit dem Gleichspannungszwischenkreis und ausgangsseitig mit der Batteriezelle verbindbar ist. Dabei ist die Einspeiseeinrichtung rückspeisefähig ausgelegt.Furthermore, the forming device according to the invention may comprise a DC intermediate circuit and a feed device for feeding electrical energy into the DC intermediate circuit, wherein the multi-phase DC-DC converter on the input side with the DC voltage intermediate circuit and the output side is connected to the battery cell. The feed device is designed to be regenerative.

Somit werden erfindungsgemäß insbesondere rückspeisefähige Formierungsvorrichtungen bei der Formierung von Batteriezellen eingesetzt, deren Leistungsschalter oder Leistungshalbleiter im Schaltbetrieb arbeiten. Dadurch kann die Verlustleistung in solchen Formierendstufen massiv reduziert werden und die Energie, die bei den Entladevorgängen während der Formierung und Voralterung entsteht und herkömmlich bislang in Verlustwärme umgewandelt wird, ins Versorgungsnetz zurückgespeist werden. Ferner können mittels der erfindungsgemäßen Formierungsvorrichtungen hochfrequente Ströme in die zu formierenden Batteriezellen eingeprägt werden, um zum Beispiel Impedanzspektroskopien durchführen zu können. Erfindungsgemäß wird insbesondere eine rückspeisefähige Leistungselektronik für Formierungsendstufen bereitgestellt, welche zum einen hohe Anforderungen an die Dynamik der Ausgangsströme der Formierungsendstufen und gleichzeitig hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Ausgangsströme der Formierungsvorrichtung realisiert. Die hohen Anforderungen an die Dynamik beruhen auf der Notwendigkeit, Ausgangsströme, insbesondere sinusförmige Ausgangsströme, die hohe Stromänderungsgeschwindigkeiten beziehungsweise hohe Maximalfrequenzen aufweisen, zu erzeugen. Die hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Ausgangsströme, wie beispielsweise der blockförmigen Ströme während der Formierung von Batteriezellen, beruhen insbesondere auf der Notwendigkeit, Ausgangsströme mit keinen Wechselanteilen bei konstanten Stromsollwertewegen zu erzeugen.Thus, in particular regenerative forming devices according to the invention are used in the formation of battery cells whose power switches or power semiconductors operate in switching operation. As a result, the power loss in such Formative stages can be massively reduced and the energy that is generated during the discharging during formation and burn-in and conventionally has been converted into heat loss, fed back into the grid. Furthermore, by means of the forming devices according to the invention, high-frequency currents can be impressed into the battery cells to be formed in order, for example, to be able to carry out impedance spectroscopy. According to the invention, in particular, regenerative power electronics for formation output stages are provided which, on the one hand, implement high demands on the dynamics of the output currents of the formation output stages and, at the same time, high demands on the accuracy of the output currents of the formation apparatus. The high demands on the dynamics are based on the necessity of output currents, In particular, sinusoidal output currents having high rates of current change or high maximum frequencies to produce. The high demands on the accuracy of the output currents, such as the block-shaped currents during the formation of battery cells, in particular based on the need to produce output currents with no alternating components at constant current set value paths.

Erfindungsgemäß werden eine Formierungsvorrichtung und ein Verfahren zur Formierung mindestens einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellt.According to the invention, a forming device and a method for forming at least one battery cell, in particular a lithium-ion battery, are provided.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ferner eine Batterie zur Verfügung gestellt, die mit der erfindungsgemäßen Formierungsvorrichtung ausgestattet ist. According to one aspect of the invention, a battery is also provided, which is equipped with the forming device according to the invention.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Batterie, die mit der erfindungsgemäßen Formierungsvorrichtung zur Formierung mindestens einer Batteriezelle der Batterie formiert wurde.Another aspect of the invention relates to a vehicle with a battery that has been formed with the forming device according to the invention for forming at least one battery cell of the battery.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:

1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Formierungsvorrichtung, und 1 a forming device known from the prior art, and

2 eine Formierungsvorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Formierungsvorrichtung einen bidirektionalen Multiphasen-Tiefsetzsteller umfasst. 2 a forming device according to a preferred embodiment of the invention, wherein the forming device comprises a bidirectional multiphase buck converter.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

2 zeigt eine Formierungsvorrichtung 10 nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 2 shows a forming device 10 according to a preferred embodiment of the invention.

Die Formierungsvorrichtung 10 ist mit einer Serienschaltung 20 mehrerer zu formierender Batteriezellen 21 einer Batterie verbunden. 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, angeordnet. The forming device 10 is with a series connection 20 several battery cells to be formed 21 connected to a battery. It can also be a single battery cell to be formed 21 to be available. To simplify the illustration, only a single battery cell has been designated by the reference numeral 21 provided, arranged.

Die Formierungsvorrichtung 10 umfasst auch einen Gleichspannungszwischenkreis 50, in dem ein Zwischenkreiskondensator 60 angeordnet ist, der an einem Anschluss mit einem ersten Eingang 51 und einem ersten Ausgang 53 des Gleichspannungszwischenkreises 50 und an dem anderen Anschluss mit einem zweiten Eingang 52 und einem zweiten Ausgang 54 des Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden ist.The forming device 10 also includes a DC voltage intermediate circuit 50 , in which a DC link capacitor 60 is arranged, which at a connection with a first entrance 51 and a first exit 53 of the DC intermediate circuit 50 and at the other terminal with a second input 52 and a second exit 54 of the DC intermediate circuit 50 connected is.

Die Formierungsvorrichtung 10 umfasst ferner einen bidirektionalen Multiphasen-Tiefsetzsteller 11, der eingangsseitig mit den Ausgängen 53, 54 des Gleichspannungszwischenkreises 50 und ausgangsseitig mit den Anschlüssen der Batteriezellenserienschaltung 20 verbunden ist.The forming device 10 further comprises a bidirectional multiphase buck converter 11 , the input side with the outputs 53 . 54 of the DC intermediate circuit 50 and on the output side with the terminals of the battery cell series circuit 20 connected is.

Der Multiphasen-Tiefsetzsteller 11 ist aus einer vorbestimmten Anzahl n von parallel miteinander geschalteten bidirektionalen Tiefsetzstellern ausgebildet. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in der 2 nur der erste Tiefsetzsteller 12 und der n-te und letzte Tiefsetzsteller 13 eingezeichnet und mit Bezugszeichen versehen. Die drei horizontal eingezeichneten Punkte und die drei vertikal eingezeichneten Punkte symbolisieren die sonstigen, nicht eingezeichneten und in dem Multiphasen-Tiefsetzsteller 11 angeordneten Tiefsetzsteller.The multiphase buck converter 11 is formed of a predetermined number n of bidirectional buck converters connected in parallel with each other. To simplify the presentation were in the 2 only the first buck converter 12 and the nth and last buck converter 13 marked and provided with reference numerals. The three horizontally drawn points and the three vertically marked points symbolize the other, not drawn in and in the multiphase buck converter 11 arranged buck converter.

Die Tiefsetzsteller 12, 13 umfassen jeweils einen ersten Leistungshalbleiter (obere Leistungshalbleiter in der 2) 30, 35 und einen zweiten Leistungshalbleiter (untere Leistungshalbleiter in der 2) 40, 45. Der erste Leistungshalbleiter 30, 35 eines jeden Tiefsetzstellers 12, 13 ist jeweils mit dem entsprechenden zweiten Leistungshalbleiter 40, 45 desselben Tiefsetzstellers 12, 13 in Reihe geschaltet.The buck converters 12 . 13 each comprise a first power semiconductor (upper power semiconductors in the 2 ) 30 . 35 and a second power semiconductor (lower power semiconductors in the 2 ) 40 . 45 , The first power semiconductor 30 . 35 of each buck converter 12 . 13 is in each case with the corresponding second power semiconductor 40 . 45 the same buck converter 12 . 13 connected in series.

Parallel zu den ersten Leistungshalbleitern 30, 35 ist jeweils eine Diode 31, 36 geschaltet, deren Sperrrichtung in Durchlassrichtung des entsprechenden ersten Leistungshalbleiters 30, 35 verläuft. Der erste Leistungshalbleiter 30, 35 eines jeden Tiefsetzstellers 12, 13 ist an einem Anschluss jeweils mit dem entsprechenden zweiten Leistungshalbleiter 40, 45 desselben Tiefsetzstellers 12, 13 und an seinem anderen Anschluss jeweils mit dem ersten Ausgang 53 des Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden.Parallel to the first power semiconductors 30 . 35 is each a diode 31 . 36 whose reverse direction in the forward direction of the corresponding first power semiconductor 30 . 35 runs. The first power semiconductor 30 . 35 of each buck converter 12 . 13 is at a terminal in each case with the corresponding second power semiconductor 40 . 45 the same buck converter 12 . 13 and at its other terminal, each with the first output 53 of the DC intermediate circuit 50 connected.

Parallel zu den zweiten Leistungshalbleitern 40, 45 ist jeweils eine Diode 41, 46 geschaltet, deren Sperrrichtung in Durchlassrichtung des entsprechenden zweiten Leistungshalbleiters 40, 45 verläuft. Der zweite Leistungshalbleiter 40, 45 eines jeden Tiefsetzstellers 12, 13 ist an einem Anschluss jeweils mit dem entsprechenden ersten Leistungshalbleiter 30, 35 desselben Tiefsetzstellers 12, 13 und jeweils über eine in demselben Tiefsetzsteller 12, 13 angeordnete Glättungsdrossel 70, 71 mit einem ersten Anschluss 22 der Batteriezellenserienschaltung 20 verbunden. Die Durchlassrichtungen der ersten Leistungshalbleiter 30, 35 und der zweiten Leistungshalbleiter 40, 45 verlaufen immer entlang derselben Richtung. Der zweite Leistungshalbleiter 40, 45 eines jeden Tiefsetzstellers 12, 13 ist an seinem anderen Anschluss, der nicht mit dem entsprechenden ersten Leistungshalbleiterschalter 30, 35 desselben Tiefsetzstellers 12, 13 verbunden ist, jeweils mit dem zweiten Ausgang 54 des Gleichspannungszwischenkreises 50 und mit einem zweiten Anschluss 23 der Batteriezellenserienschaltung 20 verbunden. Parallel to the second power semiconductors 40 . 45 is each a diode 41 . 46 whose reverse direction in the forward direction of the corresponding second power semiconductor 40 . 45 runs. The second power semiconductor 40 . 45 of each buck converter 12 . 13 is at a terminal in each case with the corresponding first power semiconductor 30 . 35 the same buck converter 12 . 13 and each one in the same buck converter 12 . 13 arranged smoothing choke 70 . 71 with a first connection 22 the battery cell series circuit 20 connected. The passage directions of the first Power semiconductor 30 . 35 and the second power semiconductor 40 . 45 always run along the same direction. The second power semiconductor 40 . 45 of each buck converter 12 . 13 is at its other terminal, not with the corresponding first power semiconductor switch 30 . 35 the same buck converter 12 . 13 is connected, each with the second output 54 of the DC intermediate circuit 50 and with a second connection 23 the battery cell series circuit 20 connected.

In dem Stromfluss der Glättungsdrossel 70, 71 eines jeden Tiefsetzstellers ist jeweils ein Stromsensor 90, 91 angeordnet, der dazu ausgebildet ist, den durch die entsprechende Glättungsdrossel 70, 71 fließenden Strom zu messen.In the current flow of the smoothing reactor 70 . 71 Each buck converter is in each case a current sensor 90 . 91 arranged, which is adapted to the by the corresponding smoothing choke 70 . 71 to measure flowing electricity.

Die Anschlüsse 22, 23 der zu formierenden Batteriezellenreihenschaltung 20 sind jeweils über eine Sendeleitung mit einer Spannungserfassungsvorrichtung 100 verbunden. The connections 22 . 23 the battery cell series circuit to be formed 20 are each via a transmission line with a voltage detection device 100 connected.

Zwischen den Eingängen 51, 52 des Gleichspannungszwischenkreises 50 ist eine mit einem Versorgungsnetz (nicht dargestellt) verbindbare Einspeiseeinrichtung 80 angeschlossen, 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. Between the entrances 51 . 52 of the DC intermediate circuit 50 is a feed device connectable to a utility grid (not shown) 80 connected, by means of the electrical energy from the supply network in the DC voltage intermediate circuit 50 fed and for the formation of the battery cells 21 the battery cell series circuit 20 can be provided.

Alle eingesetzten Leistungsschalter (ein- und ausschaltbare Halbleiterventile) 30, 35, 40, 45 arbeiten während der Formierung der Batteriezellen 21 beziehungsweise während der Einprägung von Formierungsströmen in die Batteriezellen 21 im Schaltbetrieb, und die Einspeiseeinrichtung 80 ist rückspeisefähig ausgelegt. Die ersten Leistungshalbleiter 30, 35 werden jeweils für Ladeströme, die zweiten Leistungshalbleiter 40, 45 für Entladeströme eingesetzt. Dadurch wird während der Formierung der Batteriezellen 21 beziehungsweise während der Einprägung von Formierungsströmen in die Batteriezellen 21 die Entstehung von Verlustwärme vermieden und die elektrische Energie, die während der Entladevorgänge der Batteriezellen 21 entnommen wird, wird in die Einspeiseeinrichtung 80 zurückgespeist. All circuit breakers used (semiconductor valves which can be switched on and off) 30 . 35 . 40 . 45 work during the formation of the battery cells 21 or during the impression of forming currents in the battery cells 21 in switching mode, and the feeding device 80 is designed to be regenerative. The first power semiconductors 30 . 35 are each for charging currents, the second power semiconductors 40 . 45 used for discharge currents. This will during the formation of the battery cells 21 or during the impression of forming currents in the battery cells 21 Avoiding the generation of heat loss and the electrical energy generated during the discharging processes of the battery cells 21 is taken, is in the feed device 80 fed back.

2 zeigt eine Formierendstufe 10 mit einer Multiphasen-Architektur (Multiphasen-Tiefsetzsteller) 11, bei der die Leistungshalbleiter 30, 35, 40, 45 jeweils im geschalteten Betrieb arbeiten. Die Formierendstufe 10 ist derartig ausgebildet, dass sie geeignet ist für die Energierückspeisung in das Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezellen mit elektrischer Energie, für die Einprägung von hochgenauen Gleichströmen in die Batteriezellen 21, und für die Realisierung von Ausgangsströmen mit einem hohen Dynamikbereich. 2 shows a forming stage 10 with a multiphase architecture (multiphase buck converter) 11 in which the power semiconductors 30 . 35 . 40 . 45 each working in the switched mode. The forming stage 10 is designed such that it is suitable for the energy recovery in the supply network for supplying the battery cells with electrical energy, for the impressing of high-precision direct currents into the battery cells 21 , and for the realization of output currents with a high dynamic range.

Aus dem Stand der Technik sind zwar solche 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 jedoch derzeit nicht so ausgelegt, dass sie hochfrequente Strom- und Spannungsprofile bis in den Bereich mehrerer 10 KHz Grundfrequenz realisieren können. Such forming stages for battery cells, in particular for lithium-ion battery cells, are known from the prior art, which are designed so that they can realize block-shaped current or voltage profiles, which are partially constant, for the charging and discharging of the battery cells , However, these known from the prior art forming stages are currently not designed so that they high-frequency current and voltage profiles in the range of several 10 KHz fundamental frequency can realize.

Mittels der erfindungsgemäßen Formierendstufen, insbesondere mittels der Formierendstufen 10 nach der bevorzugten 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, 35, 40, 45 sowie geeigneter Signalelektronik 90, 91, 100 zur Erfassung der Istwerte der Batteriezellspannungen und der Batteriezellströme realisiert. By means of the forming stages according to the invention, in particular by means of the forming stages 10 According to the preferred embodiment of the invention, current and voltage profiles are in the range of several 10 KHz fundamental frequency without much additional effort by means of the use of suitable circuit topologies, drive circuits for the power semiconductors 30 . 35 . 40 . 45 as well as suitable signal electronics 90 . 91 . 100 realized for detecting the actual values of the battery cell voltages and the battery cell currents.

Die Formierendstufen 10 nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind jeweils dazu ausgebildet, mittels einer Multiphasen-Architektur 11 einen Zwei-Quadrantenbetrieb zu realisieren. Die Leistungshalbleiter 30, 35, 40, 45 arbeiten dabei, im Gegensatz zum Stand der Technik, im geschalteten Betrieb. Dadurch kann die Verlustleistung in den Halbleiterschalter 30, 35, 40, 45 massiv reduziert werden und die Formierendstufen 10 können in einfacher Weise rückspeisefähig ausgelegt werden, das heißt, dass die bei Entladevorgängen der zu formierenden Batteriezellen 21 entstehende elektrische Energie in das Versorgungsnetz zurückgespeist wird. Dazu muss die Einspeiseeinrichtung 80 für die Versorgung des Gleichspannungszwischenkreises 50 rückspeisefähig ausgelegt werden.The forming stages 10 according to the preferred embodiment of the invention are each adapted to, by means of a multi-phase architecture 11 to realize a two-quadrant operation. The power semiconductors 30 . 35 . 40 . 45 work in contrast to the state of the art in switched operation. This allows the power dissipation in the semiconductor switch 30 . 35 . 40 . 45 massively reduced and the forming stages 10 can be designed to be regenerative in a simple manner, that is, that during discharge of the battery cells to be formed 21 resulting electrical energy is fed back into the supply network. This requires the feed device 80 for the supply of the DC intermediate circuit 50 be designed to be regenerative.

Das in der 2 dargestellte Schaltungskonzept basiert auf dem Einsatz des bidirektionalen Multiphasen-Tiefsetzstellers 11, der aus zwei oder mehreren parallel geschalteten Tiefsetzstellern 12, 13 aufgebaut ist. Diese Tiefsetzsteller 12, 13 werden sinnvollerweise über einen zentralen Takt und mit einer um 1/n der Impulsperiodendauer versetzt realisierten Pulsweitenmodulation betrieben, wobei n, wie oben schon erwähnt worden ist, die Anzahl der im bidirektionalen Multiphasen-Tiefsetzsteller 11 vorhandenen Tiefsetzsteller 12, 13 ist. Dadurch können mittels der Formierungsvorrichtung 10, auch beim Einsatz von Drosseln 70, 71 mit sehr kleinen Induktivitäten, blockförmige Ströme mit einem sehr glatten Verlauf erzeugt und zur Formierung der Batteriezellen in diese zu formierenden Batteriezellen 21 eingeprägt werden. Dadurch wird gleichzeitig auch eine sehr hohe Dynamik der Formierungsvorrichtung 10 realisiert, das heißt, dass mittels der Formierungsvorrichtung 10 Formierungsströme mit sehr hohen Stromänderungsgeschwindigkeiten erzeugt und in die Batteriezellen 21, insbesondere zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezellen 21, eingeprägt werden können.That in the 2 The circuit concept shown is based on the use of the bidirectional multiphase buck converter 11 , which consists of two or more parallel-connected buck converters 12 . 13 is constructed. This buck converter 12 . 13 are usefully operated on a central clock and with a staggered by 1 / n the pulse period duration realized pulse width modulation, where n, as already mentioned above, the number of bidirectional multiphase buck converter 11 existing buck converter 12 . 13 is. Thereby, by means of the forming device 10 , even when using throttles 70 . 71 produced with very small inductances, block-shaped currents with a very smooth course and for the formation of the battery cells in these to be formed battery cells 21 be embossed. As a result, at the same time a very high dynamics of the forming device 10 realized, that is, by means of the forming device 10 Forming currents generated at very high rates of change in current and in the battery cells 21 , in particular for carrying out an impedance spectroscopy of the battery cells 21 , can be imprinted.

Je höher die Anzahl der versetzt getakteten Tiefsetzsteller 12, 13 ist, desto höhere Anforderungen können an die Stromänderungsgeschwindigkeiten der in die Batteriezellen 21 einzuprägenden hochfrequenten Formierungsströme gestellt werden, bei gleichzeitiger Realisierung von blockförmigen Formierungsströmen mit sehr glattem Verlauf, die in die Batteriezellen 21 zu deren Formierung einzuprägen sind. Dabei steigt der Aufwand für die Realisierung des bidirektionalen Multiphasen-Tiefsetzstellers 11 mit zunehmender Anzahl der eingesetzten Tiefsetzsteller 12, 13. Je nach den Anforderungen, die an die Dynamik und an die Genauigkeit der Formierungsvorrichtungen 10 gestellt werden, wird ein Optimum des Realisierungsaufwands bei einem Multiphasen-Tiefsetzsteller 11 erreicht, der zwei bis sechs parallel geschaltete Tiefsetzsteller 12, 13 umfasst.The higher the number of offset clocked buck converters 12 . 13 The higher the requirements may be, the higher the rates of current change in the battery cells 21 high-frequency forming currents to be impressed, while at the same time realizing block-shaped shaping currents with a very smooth course, which flow into the battery cells 21 are to be embossed on their formation. This increases the cost of implementing the bidirectional multiphase buck converter 11 with increasing number of buck converters used 12 . 13 , Depending on the requirements, the dynamics and the accuracy of the forming devices 10 is an optimum of the implementation effort in a multi-phase buck converter 11 achieved, the two to six parallel buck converter 12 . 13 includes.

Alle in der Formierungsvorrichtung 10 eingesetzten Leistungshalbleiter 30, 35, 40, 45 sind bevorzugt MOSFET-Transistoren, da diese aufgrund der geringen Ausgangsspannung der Formierungsvorrichtung 10 für den hier vorliegenden Anwendungsfall besonders geeignet sind. MOSFET-Transistoren können typischerweise ohne Schwierigkeiten hochfrequent getaktet werden.All in the forming device 10 used power semiconductors 30 . 35 . 40 . 45 are preferably MOSFET transistors, since these due to the low output voltage of the forming device 10 are particularly suitable for the present application. Typically, MOSFET transistors can be clocked at high frequency without difficulty.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010027854 A1 [0010] DE 102010027854 A1 [0010]

Claims (11)

Formierungsvorrichtung (10), die dazu ausgebildet ist, zur Formierung mindestens einer Batteriezelle (21) einer Batterie Formierungsströme zur Aktivierung elektrochemischer Prozesse in die Batteriezelle (21) einzuprägen, dadurch gekennzeichnet, dass die Formierungsvorrichtung (10) einen bidirektionalen Multiphasen-Gleichspannungswandler (11) umfasst, wobei der Multiphasen-Gleichspannungswandler (11) eine derartig hohe Anzahl (n) von miteinander parallel verbindbaren bidirektionalen Gleichspannungswandlern (12, 13), insbesondere von bidirektionalen Tiefsetzstellern (12, 13), umfasst und die Formierungsvorrichtung (10) weiter dazu ausgebildet ist, die Gleichspannungswandler (12, 13) jeweils derartig zu takten, dass mittels der Formierungsvorrichtung (10) blockförmige Formierungsströme, die jeweils einen Stromrippel aufweisen, der einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, während mindestens eines vorgegebenen Ladevorganges und mindestens eines vorgegebenen Entladevorganges erzeugbar und in die Batteriezelle (21) einprägbar sind und/oder Formierungsströme, die Wechselströme, die jeweils eine Stromänderungsgeschwindigkeit aufweisen, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten, umfassen, erzeugbar und in die Batteriezelle (21), insbesondere zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle (21), einprägbar sind. Forming device ( 10 ), which is designed to form at least one battery cell ( 21 ) a battery forming currents for activating electrochemical processes in the battery cell ( 21 ), characterized in that the forming device ( 10 ) a bidirectional multiphase DC-DC converter ( 11 ), wherein the multiphase DC-DC converter ( 11 ) such a high number (n) of bidirectional DC-DC converters ( 12 . 13 ), in particular bidirectional buck converters ( 12 . 13 ), and the forming device ( 10 ) is further adapted to the DC-DC converter ( 12 . 13 ) clock in each case such that by means of the forming device ( 10 ) block-shaped forming currents, each having a current ripple, which falls below a predetermined threshold, during at least one predetermined charging operation and at least one predetermined discharging generated and in the battery cell ( 21 ) and / or forming currents, which comprise alternating currents each having a current change rate exceeding a predetermined threshold, can be generated and fed into the battery cell ( 21 ), in particular for carrying out an impedance spectroscopy of the battery cell ( 21 ), are memorable. Formierungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Formierungsvorrichtung (10) weiter dazu ausgebildet ist, die Gleichspannungswandler (12, 13) mittels eines einzelnen zentralen Taktes jeweils zu takten und/oder die Gleichspannungswandler (12, 13) jeweils gegeneinander versetzt zu takten und/oder die Gleichspannungswandler (12, 13) jeweils mittels einer Pulsweitenmodulation zu takten und/oder die Gleichspannungswandler (12, 13) jeweils mittels einer Pulsweitenmodulation, die für alle Gleichspannungswandler (12, 13) dieselbe Impulsperiodendauer aufweist, um eine vorbestimmte Zeit jeweils gegeneinander versetzt zu takten, wobei die vorbestimmte Zeit insbesondere einen Bruchteil der Impulsperiodendauer beträgt, der sich durch die Teilung der Impulsperiodendauer durch die Anzahl (n) der Gleichspannungswandler ergibt.Forming device ( 10 ) according to claim 1, wherein the forming device ( 10 ) is further adapted to the DC-DC converter ( 12 . 13 ) clock each by means of a single central clock and / or the DC-DC converter ( 12 . 13 ) clocked against each other clocked and / or the DC-DC converter ( 12 . 13 ) in each case by means of a pulse width modulation to clock and / or the DC-DC converter ( 12 . 13 ) each by means of a pulse width modulation, which is suitable for all DC-DC converters ( 12 . 13 ) has the same pulse period to clock each other for a predetermined time, wherein the predetermined time is in particular a fraction of the pulse period, resulting from the division of the pulse period by the number (n) of the DC-DC converter. Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Gleichspannungswandler (12, 13) jeweils eine Glättungsdrossel (70, 71) umfassen, wobei jede Glättungsdrossel (70, 71) insbesondere eine Induktivität, deren Höhe einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, aufweist.Forming device ( 10 ) according to one of claims 1 or 2, wherein the DC-DC converter ( 12 . 13 ) each have a smoothing reactor ( 70 . 71 ), each smoothing reactor ( 70 . 71 ), in particular an inductance whose height falls below a predetermined threshold. Formierungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannungswandler (12, 13) jeweils einen ersten Leistungshalbleiter (30, 35), insbesondere einen ersten MOSFET-Transistor, und einen zweiten Leistungshalbleiter (40, 45), insbesondere einen zweiten MOSFET-Transistor, umfassen, wobei die Formierungsvorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, die blockförmigen Formierungsströme während des Ladevorganges mittels der ersten Leistungshalbleiter (30, 35) und während des Entladevorganges mittels der zweiten Leistungshalbleiter (40, 45) zu leiten und in die Batteriezelle (21) einzuprägen.Forming device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the DC-DC converter ( 12 . 13 ) each have a first power semiconductor ( 30 . 35 ), in particular a first MOSFET transistor, and a second power semiconductor ( 40 . 45 ), in particular a second MOSFET transistor, wherein the shaping device ( 10 ) is adapted to the block-shaped forming currents during the charging process by means of the first power semiconductor ( 30 . 35 ) and during the discharging process by means of the second power semiconductors ( 40 . 45 ) and into the battery cell ( 21 ). Formierungsvorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die Formierungsvorrichtung (10) weiter dazu ausgebildet ist, die Leistungshalbleiter (30, 35, 40, 45) derartig anzusteuern, dass die Leistungshalbleiter (30, 35, 40, 45) während der Erzeugung der Formierungsströme im Schaltbetrieb arbeiten, und die während des Entladevorganges der Batteriezelle (21) entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle (21) zurückzuspeisen. Forming device ( 10 ) according to claim 4, wherein the forming device ( 10 ) is further adapted to the power semiconductors ( 30 . 35 . 40 . 45 ) in such a way that the power semiconductors ( 30 . 35 . 40 . 45 ) during the generation of the forming currents in the switching operation, and during the discharging process of the battery cell ( 21 ) taken electrical energy into a supply network for supplying the battery cell ( 21 ) feed back. Verfahren zur Formierung mindestens einer Batteriezelle (21) einer Batterie, bei dem Formierungsströme zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse mittels einer Formierungsvorrichtung (10) in die Batteriezelle (21) eingeprägt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines in der Formierungsvorrichtung (10) angeordneten Multiphasen-Gleichspannungswandlers (11), der eine geeignete Anzahl (n) von parallel miteinander verbundenen bidirektionalen Gleichspannungswandlern (11), wie bidirektionale Tiefsetzsteller (11), die geeignet getaktet werden, umfasst, blockförmige Formierungsströme, die jeweils einen Stromrippel aufweisen, der einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, während mindestens eines vorgegebenen Ladevorganges und mindestens eines vorgegebenen Entladevorganges erzeugt und in die Batteriezelle (21) eingeprägt werden und/oder Formierungsströme, die Wechselströme, die jeweils eine Stromänderungsgeschwindigkeit aufweisen, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten, umfassen, erzeugt und in die Batteriezelle (21), insbesondere zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle (21), eingeprägt werden.Method for forming at least one battery cell ( 21 ) of a battery, wherein the forming currents for activating electrochemical processes by means of a forming device ( 10 ) into the battery cell ( 21 ) are embossed, characterized in that by means of a in the forming device ( 10 ) arranged multiphase DC-DC converter ( 11 ) comprising a suitable number (n) of parallel-connected bidirectional DC-DC converters ( 11 ), such as bidirectional buck converters ( 11 ), which are suitably clocked, comprises, block-shaped forming currents, each having a current ripple, which falls below a predetermined threshold, during at least one predetermined charging operation and at least one predetermined discharging generated and in the battery cell ( 21 ) and / or forming currents which comprise alternating currents, each having a current change rate exceeding a predetermined threshold, are generated and fed into the battery cell ( 21 ), in particular for carrying out an impedance spectroscopy of the battery cell ( 21 ). Verfahren nach Anspruch 6, wobei die die Gleichspannungswandler (12, 13) jeweils mittels eines einzelnen zentralen Taktes getaktet werden und/oder die Gleichspannungswandler (12, 13) jeweils gegeneinander versetzt getaktet werden und/oder die Gleichspannungswandler (12, 13) jeweils mittels einer Pulsweitenmodulation getaktet werden und/oder die Gleichspannungswandler (12, 13) jeweils mittels einer Pulsweitenmodulation, die für alle Gleichspannungswandler (12, 13) dieselbe Impulsperiodendauer aufweist, um eine vorbestimmte Zeit jeweils gegeneinander versetzt getaktet werden, wobei die vorbestimmte Zeit insbesondere einen Bruchteil der Impulsperiodendauer beträgt, der sich durch die Teilung der Impulsperiodendauer durch die Anzahl (n) der Gleichspannungswandler (12, 13) ergibt.Method according to Claim 6, in which the DC-DC converters ( 12 . 13 ) are each clocked by means of a single central clock and / or the DC-DC converter ( 12 . 13 ) are clocked offset from each other and / or the DC-DC converter ( 12 . 13 ) are each clocked by means of a pulse width modulation and / or the DC-DC converter ( 12 . 13 ) each by means of a pulse width modulation, which is suitable for all DC-DC converters ( 12 . 13 ) has the same pulse period duration to be clocked offset from each other for a predetermined time, wherein the predetermined time is in particular a fraction of the pulse period duration, through the division of the pulse period by the number (n) of the DC-DC converter ( 12 . 13 ). Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei bidirektionale Gleichspannungswandler (12, 13) verwendet werden, die jeweils einen ersten Leistungshalbleiter (30, 35) und einem zweiten Leistungshalbleiter (40, 45), insbesondere mit einem ersten und einem zweiten MOSFET-Transistor, umfassen, und wobei die blockförmigen Formierungsströme mittels der geeignet angeordneten ersten Leistungshalbleiter (30, 35) während des Ladevorganges und mittels der geeignet angeordneten zweiten Leistungshalbleiter (40, 45) während des Entladevorganges geleitet und in die Batteriezelle (21) eingeprägt werden.Method according to claim 6 or 7, wherein bidirectional DC-DC converters ( 12 . 13 ), each having a first power semiconductor ( 30 . 35 ) and a second power semiconductor ( 40 . 45 ), in particular with a first and a second MOSFET transistor, and wherein the block-shaped forming currents are conveyed by means of the suitably arranged first power semiconductors ( 30 . 35 ) during the charging process and by means of the suitably arranged second power semiconductors ( 40 . 45 ) during the discharging process and into the battery cell ( 21 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Formierungsströme mittels der Formierungsvorrichtung (10), deren Leistungshalbleiter (30, 35, 40, 45) im Schaltbetrieb arbeiten, erzeugt werden und die während des Entladevorganges der Batteriezelle (21) entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle (21) zurückgespeist wird.Method according to one of claims 6 to 8, wherein the shaping streams by means of the forming device ( 10 ), whose power semiconductors ( 30 . 35 . 40 . 45 ) in switching operation, are generated and during the discharging process of the battery cell ( 21 ) taken electrical energy into a supply network for supplying the battery cell ( 21 ) is fed back. Batterie, die eine Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Formierung mindestens einer Batteriezelle (21) der Batterie aufweist.Battery, which is a forming device ( 10 ) according to one of claims 1 to 5 for forming at least one battery cell ( 21 ) of the battery. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 10, wobei die Batterie in einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Motor vehicle with a battery according to claim 10, wherein the battery is arranged in a drive system of the motor vehicle.
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