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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden zwischen wenigstens zwei Batteriezellen, umfassend den Schritt des Ermittelns von Ausgangsladezuständen der Batteriezellen.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ausgleichung von Ladungsunterschieden wenigstens zweier Batteriezellen, mit einer Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung von Ausgangsladezuständen wenigsten einer der Batteriezellen und mit einer Ausgleichseinrichtung zum Transferieren von elektrischen Ladungsmengen von und/oder zu wenigstens einer der Batteriezellen.
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Stand der Technik
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Batterien oder Batteriesysteme mit wenigstens einer Batterie sind weit verbreitet und werden zur Speicherung von elektrischer Energie, zum Beispiel von einer oder für eine Windkraftanlage, oder zum Antrieb eines wenigstens teilweise oder vollständig elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs verwendet.
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Es ist allgemein bekannt, dass Ladungsunterschiede zwischen Batteriezellen eines Batteriemoduls nicht größer als ein vorgegebener maximal zulässiger Ladungsunterschied sein dürfen. Sollten die Ladungsunterschiede zwischen den Batteriezellen beispielsweise aufgrund fertigungstechnischer Toleranzen oder thermischer Einflüsse zu groß sein, kann dies die Leistungsfähigkeit der Batterie erheblich beeinflussen, da die Batteriezelle mit dem geringsten Ladezustand und die Batteriezelle mit dem höchsten Ladezustand limitierend für die zur Verfügung stehende Batteriekapazität wirken. Sobald die Batteriezelle mit dem geringsten Ladezustand entladen ist, können weitere Batteriezellen der Batterie nämlich nicht weiter entladen werden. Ist die Batteriezelle mit dem ursprünglich höchsten Ladezustand infolge eines Aufladevorgangs vollständig geladen, können die anderen Batteriezellen der Batterie nicht weiter aufgeladen werden.
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Um die Leistungsfähigkeit der mehrere Batteriezellen aufweisenden Batterie vollständig nutzen zu können, ist es üblich, die Ladungsunterschiede zwischen den Batteriezellen der Batterie zu minimieren. Dabei werden beispielsweise gemäß der
WO 2010/087545 A1 Batteriezellen mit zu geringen Ladungszuständen aufgeladen bis alle einen zumindest ähnlichen Ladezustand aufweisen.
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Damit die Ladezustände der Batteriezellen möglichst schnell ausgeglichen werden können, wird als ausgeglichener Ladezustand der mittlere Ladezustand der Batteriezellen im Ausgangsladezustand gewählt, da dieser im Mittel für alle Batteriezellen am schnellsten zu erreichen ist. Beispielsweise werden die Batteriezellen einfach elektrisch miteinander verbunden, so dass sich die Ladungsunterschiede ausgleichen können.
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Dabei kann es jedoch vorkommen, dass getrennt voneinander ausgeglichene Gruppen von Batteriezellen unterschiedliche ausgeglichene Ladungszustände aufweisen. Die Ladezustände unterschiedlicher Gruppen von Batteriezellen müssen, bevor sie zu einem Batteriemodul oder einer Batterie zusammengefasst werden können, jedoch erneut ausgeglichen werden, da der Ladungsunterschied zwischen unterschiedlichen mit den bekannten Verfahren ausgeglichenen Gruppen größer als der maximal zulässige Ladungsunterschied sein kann. Dieser zusätzliche Ausgleichsvorgang erfordert Zeit und belegt Betriebsmittel.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden zwischen wenigstens zwei wieder aufladbaren Batteriezellen bereitgestellt, bei dem dem Ausgangsladezustand zumindest einer der Batteriezellen eine zum Erreichen eines vorgegebenen Sollladezustands benötigte Ladungsmenge zugeordnet und die zugeordnete Ladungsmenge der einen der Batteriezellen hinzugefügt oder entnommen wird.
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Die benötigte Ausgleichsladungsmenge kann so vorgegeben sein, dass der Ausgleichsvorgang bis zum Erreichen des vorgegebenen Sollladezustands länger dauert, als bei einem Auf- oder Entladen der Batteriezellen auf den mittleren Ladezustand. Im Vergleich zum schnellen Verfahren des Standes der Technik dauert der Ausgleichsvorgang zwar womöglich länger. Ein nachträglich durchzuführendes weiteres Ausgleichsverfahren ist jedoch nicht mehr nötig, wodurch vorhandene Fertigungskapazitäten besser ausgenutzt werden können. Da das erfindungsgemäße Ausgleichsverfahren insbesondere im Rahmen der Fertigung von Batteriezellen beziehungsweise von Batterien mit mehreren Batteriezellen eingesetzt wird, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zur bekannten Vorgehensweise bei begrenzten Fertigungsmitteln Ladungszustände von einer größeren Anzahl von Batteriezellen ausgeglichen werden, als mit den bekannten Verfahren. Hierdurch können Fertigungskapazitäten gesteigert und Fertigungskosten verringert werden.
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Ferner wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden mindestens zweier Batteriezellen bereitgestellt, die eine Zuordnungseinrichtung zur Ermittlung von zum Ausgleichen benötigten Ladungsmengen anhand von Ladungsdifferenzen zwischen dem Ausgangsladezustand zumindest einer der Batteriezellen und einem vorgegebenen Sollladezustand aufweist.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können anhand der Ladungsdifferenzen die wirklich zur Herstellung des Sollladezustands bei allen Batteriezellen hinzuzufügenden oder zu entnehmenden Ladungsmengen bestimmt werden, so dass auch mit der Vorrichtung Fertigungskapazitäten erhöht und Fertigungskosten gesenkt werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile wird im Folgenden eingegangen.
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So können die benötigten Ladungsmengen mit zumindest einem Zuordnungsschritt in Abhängigkeit von für den Ausgangsladezustand repräsentativen Eigenschaften der Batteriezelle oder des Batteriemoduls bestimmt werden. Der jeweilige Ausgangsladezustand der Batteriezelle oder des Batteriemoduls kann also einfach über den Ausgangsladezustand der benötigten Ladungsmenge zugeordnet werden.
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Eine den Ausgangsladezustand repräsentierende Eigenschaft ist zum Beispiel die Ruhe- beziehungsweise Leerlaufspannung, also die Spannung zwischen Anschlusskontakten der jeweiligen Batteriezelle beziehungsweise des jeweiligen Batteriemoduls, ohne eine daran hängende elektrische Last. Insbesondere die Verwendung der Leerlaufspannung ermöglicht eine einfache und genaue Bestimmung der benötigten Landungsmengen, da die Leerlaufspannung beispielsweise nach dem Anschluss der Batteriezelle oder des Batteriemoduls an die Ausgleichsvorrichtung gemessen werden kann. Kurz oder direkt nach der Messung kann mit dem Ausgleichen der Ladungsunterschiede begonnen werden. Änderungen des Ausgangsladezustands nach dessen Bestimmung bis zum Hinzufügen oder Entnehmen von Ladungsmengen durch dazwischen verstrichene Zeit sind dann in der Regel vernachlässigbar und die Batteriezelle oder das Batteriemodul ist nicht mehrfach zu kontaktieren, was die Handhabung der Zellen oder Module bei deren Fertigung vereinfacht.
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Zur Bestimmung des Ladungsunterschieds beziehungsweise des Ausgangsladezustands kann nicht nur die Leerlaufspannung gemessen werden, sondern es können auch andere für den Ausgangsladezustand repräsentative physikalische oder chemische Eigenschaften der Batteriezelle oder des Batteriemoduls verwendet werden. Um auch den Messschritt zur Ermittlung der Leerlaufspannung zumindest für einige der Batteriezellen beziehungsweise der Batteriemodule einzusparen, kann der Ausgangsladezustand zumindest einer der Batteriezellen oder eines der Batteriemodule auch aus deren oder dessen Fertigungsdaten ermittelt werden, ohne dass die betreffende Batteriezelle oder das betreffende Batteriemodul zur Bestimmung des Ladungsunterschieds kontaktiert werden muss. Diese Fertigungsdaten können durch eine Fertigungsdatenbank bereitgestellt werden. Die Fertigungsdatenbank kann vorab ermittelte Leerlaufspannungen oder für den Ausgangsladezustand repräsentative Eigenschaften bereitstellen. Die Fertigungsdaten umfassen beispielsweise die Leerlaufspannung der Batteriezellen oder der Batteriemodule bei deren Fertigung, die Kapazität der Batteriezellen oder des Batteriemoduls und/oder den Innenwiderstand der Zellen beziehungsweise der Module. Es kann also ausreichen, kurz vor Beginn des Ausgleichsvorgangs die Fertigungsdaten der betreffenden Batteriezelle oder des betreffenden Batteriemoduls abzufragen.
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Durch die Bestimmung der zum Erreichen des Sollladungszustands benötigten Ladungsmenge für die jeweilige Batteriezelle oder das jeweilige Batteriemodul ist die benötigte Ausgleichslademenge jederzeit an den Ausgangsladezustand angepasst und die Sollladungsmenge wird effektiv in jeder der Batteriezellen und jedem der Batteriemodule erreicht. Der Sollladezustand ist unabhängig vom Ausgangsladezustand, so dass Ladungsunterschiede zwischen unterschiedlichen Gruppen von Batteriezellen oder Batteriemodulen nach einem Ausgleichen der Ausgangsladungszustände unterhalb des maximal zulässigen Ladungsunterschieds liegen. Batteriezellen oder Batteriemodule unterschiedlicher Gruppen können also problemlos in einem Batteriemodul oder in einer Batterie-Subunit beziehungsweise in einer Batterie verbaut werden. Ein weiterer Ausgleichsschritt ist nicht erforderlich, selbst wenn Ladungsunterschiede innerhalb einer der Gruppen separat von anderen Gruppen ausgeglichen werden.
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Alternativ zur Bestimmung der zum Erreichen der Sollladungsmenge hinzuzufügenden oder zu entnehmenden Ladungsmenge könnte auch der Ladungszustand während des Ausgleichsvorgangs überwacht werden. Beispielsweise könnte die Leerlaufspannung der Batteriezellen oder der Batteriemodule überwacht werden. Zum Messen der Leerlaufspannung wären die Batteriezellen oder die Batteriemodule jedoch elektrisch von der Ausgleichsvorrichtung zu trennen oder zumindest der Ausgleichsvorgang zu unterbrechen. Eine Messung der Leerlaufspannung wäre also aufwendiger als die Verwendung der benötigten Ladungsmengen.
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Um die Ausgleichsladungsmenge möglichst einfach bestimmen zu können, können die benötigten Ladungsmengen aus einer Ausgangsladezustände oder Ladungsdifferenzen mit benötigten Ladungsmengen verknüpfenden Zuordnungsmatrix entnommen werden. Die Zuordnungseinrichtung kann zur Bestimmung der benötigten Ausgleichsladungsmenge und insbesondere zu deren Zuordnung ausgebildet und die Zuordnungsmatrix kann zumindest im Betrieb in der Zuordnungseinrichtung gespeichert sein. Die Zuordnung der benötigten Ladungsmengen über die Matrix erfordert nur einen geringen Rechenaufwand, so dass die Zuordnungseinrichtung preiswert hergestellt werden kann. Alternativ kann ein Bediener der Ausgleichsvorrichtung die zum Beispiel als Tabelle dargestellte Zuordnungsmatrix zur Bestimmung der benötigten Ladungsmengen verwenden.
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Um Fertigungs- beziehungsweise Testkapazität einzusparen, können jeder der Batteriezellen oder jedem der Batteriemodule ausschließlich die ihrer beziehungsweise seiner Ladungsdifferenz zugeordnete Ladungsmenge, also die Ladungsmenge, die zum Erreichen des Sollladezustands benötigt ist, hinzugefügt oder entnommen werden. Das Ausgleichsverfahren kann nach dem Transfer der benötigten Ladungsmengen beendet werden, um Zeit zu sparen.
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Die Ladungsunterschiede werden bevorzugt nach dem Einbau der Batteriezellen in das Batteriemodul oder nach der Montage der Batteriemodule in sogenannte Batterie-Subunits für eine Batterie oder in eine Batterie ausgeglichen. Hierdurch sind die Batteriezellen oder die Batteriemodule ausreichend vorpositioniert, wodurch separat ausgebildete Halterungen für die Batteriezellen oder die Batteriemodule unnötig sind. Vorzugsweise wird der Ausgangsladezustand der Batteriezellen beziehungsweise der Batteriemodule vor der elektrischen Verbindung der Batteriezellen oder der Batteriemodule miteinander auf den Sollladezustand gebracht, damit sich die Batteriezellen oder die Batteriemodule nicht durch unterschiedliche Ausgangsladezustände untereinander beeinflussen oder Ladungsunterschiede bei der Kontaktierung beispielsweise durch Lichtbogenbildung beeinträchtigen.
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Insbesondere kann der Ladungsunterschied im Rahmen eines Tests zumindest eines der die Batteriezellen umfassenden Batteriemodule oder einer der die Batteriemodule umfassenden Batterie-Subunits oder Batterie, bei dem zum Beispiel auch der Innenwiderstand oder mechanische Eigenschaften des Batteriemoduls oder der Batterie-Subunit beziehungsweise der Batterie geprüft werden, ausgeglichen werden. Spätestens vor der Inbetriebnahme der Batterie sollten Ladungsunterschiede zwischen den Batteriezellen oder den Batteriemodulen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeglichen werden.
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Die Bestimmungseinrichtung kann ausgebildet sein, den Ausgangsladezustand einer oder mehrerer Batteriezellen beziehungsweise eines oder mehrerer der Batteriemodule zu bestimmen. Zum Beispiel weist die Bestimmungseinrichtung eine Messeinheit zur Messung der Leerlaufspannung wenigstens einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls auf oder ist Daten übertragend mit der Messeinheit verbindbar. Alternativ kann die Bestimmungseinrichtung mit einer Fertigungsdaten der Batteriezellen oder der Batteriemodule beinhaltenden Speichereinrichtung Daten übertragend verbindbar sein.
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Um die benötigten Ladungsmengen bestimmen und gezielt transferieren zu können, kann die Zuordnungseinrichtung eingangsseitig Daten übertragend mit der Bestimmungseinrichtung und ausgangsseitig Steuersignal übertragend mit der Ausgleichseinrichtung verbunden sein. Im Betrieb können der Zuordnungseinrichtung eingangsseitig Ausgangsladezustände oder Ladungsdifferenzen von der Bestimmungseinrichtung zugeführt sein. Alternativ können die Ladungsdifferenzen in der Zuordnungseinrichtung aus den Ausgangsladezuständen bestimmt werden. Die Zuordnungseinrichtung kann zum Beispiel über zumindest eine Datenleitung mit der Bestimmungseinrichtung Daten übertragend verbunden sein. Die Ausgangsladezustände oder Ladungsdifferenzen können als ein beliebiges Datensignal übersandt werden.
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Damit die benötigten Ladungsmengen bereitgestellt werden können, kann die Ausgleichsvorrichtung eine Ladungsquelle aufweisen oder an eine Ladungsquelle, beispielsweise an eine externe Stromquelle, anschließbar ausgestaltet sein. Die Ladungsquelle und die Ausgleichseinrichtung können ausgestaltet sein, um hohe Ströme, von beispielsweise mehreren 10 A, zu transferieren, um den Ausgleichsvorgang zu verkürzen. Sollen Ladungsmengen aus den Batteriezellen oder den Batteriemodulen entnommen werden, kann die Ausgleichseinrichtung zusätzlich oder alternativ eine Ladungssenke, zum Beispiel in Form eines geregelten gesteuerten oder Masseschlusses, aufweisen.
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Um den Ausgleichsvorgang so steuern zu können, dass er nach Erreichen des vorgegebenen Sollladungszustands beendet wird, kann die Ausgleichseinrichtung im Betrieb in Abhängigkeit vom Steuersignal der Zuordnungseinrichtung elektrische Energie von und/oder zu wenigstens einer der Batteriezellen oder einem der Batteriemodule transferieren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Ausgleichseinrichtung zumindest eine Ausgleichsbaugruppe mit einem ersten und einem zweiten Transistor sowie zwei Anschlusskontakten für eine der Batteriezellen oder eines der Batteriemodule auf, wobei die Transistoren mit den Anschlusskontakten elektrisch leitfähig verbunden sind und der erste Transistor als Ladungssenke zum Entnehmen von Ladung aus der Batteriezelle beziehungsweise dem Batteriemodul und der zweite Transistor zum Hinzufügen von Ladung zur Batteriezelle oder zum Batteriemodul mit den Anschlusskontakten verschaltet ist. Diese Schaltung ist einfach und kostengünstig aufzubauen.
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Die Transistoren können als sogenannte Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren aufgebaut sein. Wird die Batteriezelle oder das Batteriemodul falsch gepolt mit der Ausgleichseinrichtung verbunden, können die Transistoren beschädigt werden. Zum Schutz der Transistoren können diese mit einer Schutzdiode versehen sein, deren Leitungsrichtung von einem Source-Kontakt des Transistors zu dessen Drain-Kontakt weist und die diese Kontakte miteinander verschaltet. Die Transistoren können beide selbstsperrende n-Kanal Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren sein, die Ladung nur von oder zu der Batteriezelle oder dem Batteriemodul transferieren, wenn an einem Gate-Kontakt der Transistoren ein Steuersignal anliegt. Die Gate-Kontakte können beispielsweise Steuersignal übertragend mit der Zuordnungseinrichtung verbunden sein.
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Um die bereits hinzugefügte oder entnommene Ladungsmenge messen zu können, kann die Ausgleichseinrichtung mit einem Strommesser versehen sein, der vorzugsweise Daten übertragend mit der Zuordnungseinrichtung verbunden ist und im Betrieb die bereits transferierten Ladungsmengen misst und entsprechende Daten an die Zuordnungseinrichtung leitet.
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Insbesondere kann der Source-Kontakt des ersten Transistors mit einem der Anschlusskontakte und insbesondere mit dem zum Anschließen des negativen Pols der Batteriezelle oder des Batteriemoduls ausgebildeten Anschlusskontakt elektrisch leitfähig verbunden sein. Der Drain-Kontakt des ersten Transistors sowie ein Source-Kontakt des zweiten Transistors können mit dem anderen Anschlusskontakt, also dem zum Anschluss des positiven Pols der Batteriezelle oder des Batteriemoduls ausgestalteten Anschlusskontakt, elektrisch leitfähig verbunden sein. Hierzu können die beiden Kontakte zunächst mit einem Knotenpunkt verbunden sein, von dem eine Anschlussleitung zum Anschlusskontakt führt. Im Verlauf der Anschlussleitung kann der Strommesser angeordnet sein und den durch die Anschlussleitung zwischen dem Knotenpunkt und dem Anschlusskontakt fließenden Strom messen. Der Strommesser ist bevorzugt so ausgebildet, dass der nicht nur den Betrag des fließenden Stroms, sondern auch dessen Flussrichtung im Betrieb erkennt und als Daten an die Zuordnungseinrichtung übermittelt. Ein Drain-Kontakt des zweiten Transistors kann mit der Ladungsquelle, beispielsweise einer Stromquelle, elektrisch leitfähig verbunden sein.
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Die Batteriezellen oder die Batteriezellen der Batteriemodule, deren Ladungszustand ausgeglichen werden soll, sind bevorzugt wieder aufladbare Lithium-Ionen-Batteriezellen.
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Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden,
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Ablaufdiagramm,
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3 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Ausgleichseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der 1, und
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4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Ausgleichseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Zunächst sind Aufbau und Funktion einer stark vereinfacht dargestellten Vorrichtung zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben, wobei die Vorrichtung zum Transferieren von Ladungsmengen von und/oder zu lediglich einer Batteriezelle ausgebildet ist. Selbstverständlich kann die Vorrichtung auch so ausgeformt sein, dass mit ihr mehr als eine Batteriezelle und beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr und zum Beispiel bis zu 10 oder 20 oder mehr Batteriezellen gleichzeitig Ladungsmengen hinzugefügt oder entnommen werden können.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden wenigstens einer Batteriezelle 2. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 ist die Vorrichtung 1 zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden von einer Batteriezelle 2 ausgelegt. Wie bereits dargelegt, kann die Vorrichtung 1 jedoch auch so ausgebildet sein, dass mehr als zwei und beispielsweise drei, vier, fünf oder bis zu 10 beziehungsweise 20 Batteriezellen 2 zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden anschließbar sind. Eine Anschlussmöglichkeit für eine weitere Batteriezelle 3 ist in der 1 gestrichelt dargestellt.
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Die Vorrichtung 1 kann mit einer Bestimmungseinrichtung 4 zur Bestimmung von Ausgangsladezuständen zumindest der wenigsten einen Batteriezelle 2 und auch weiterer Batteriezellen 3, deren Ladungsunterschiede ausgeglichen werden sollen, aufweisen.
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Zur Bestimmung des Ausgangsladezustandes kann die Bestimmungseinrichtung 4 über wenigstens eine Messleitung 5 mit mindestens einer der Batteriezellen 2, 3 verbindbar sein. Über die Messleitung 5 kann beispielsweise die für den Ladezustand repräsentative Leerlaufspannung des jeweiligen Batteriemoduls 2, 3 an die Bestimmungseinrichtung 4 übertragen werden. Alternativ kann der Bestimmungseinrichtung 4 im Betrieb eine für den Ausgangsladezustand repräsentative Eigenschaft zumindest eines der Batteriemodule 2, 3 über eine Datenleitung 6 aus einer Datenbank 7 zur Verfügung gestellt sein.
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Um die benötigte Ladungsmenge Q zu bestimmen, kann die Vorrichtung 1 ferner eine Zuordnungseinrichtung 8 aufweisen. Die Zuordnungseinrichtung 8 ist vorzugsweise über eine Datenleitung 9 Daten übertragend mit der Bestimmungseinrichtung 4 verbunden. Über die Datenleitung 9 stellt die Bestimmungseinrichtung 4 der Zuordnungseinrichtung 8 im Betrieb Daten zur Bestimmung der benötigten Ladungsmenge Q zur Verfügung.
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Des Weiteren ist die Vorrichtung 1 vorzugsweise mit einer Ausgleichseinrichtung 10 ausgebildet. Die Ausgleichseinrichtung 10 ist über eine Steuerleitung 11 mit der Zuordnungseinrichtung 8 verbunden. Die Zuordnungseinrichtung 8 gibt im Betrieb über die Steuerleitung 11 Befehle zum Starten beziehungsweise zum Beenden des Ausgleichsvorgangs an die Ausgleichseinrichtung 10, die während des Ausgleichsvorgangs Ladungsmengen Q zu oder von der Batteriezelle 2 und/oder der Batteriezelle 3 transferiert und zum Beenden des Ausgleichsvorgangs den Transfer von Ladungsmengen Q stoppt. Ein Befehl zum Starten des Ausgleichsvorgangs kann beispielsweise zu einem Startzeitpunkt von der Zuordnungseinrichtung 8 an die Ausgleichseinrichtung 10 gegeben werden. Ist die benötigte Ladungsmenge Q zu einer der Batteriezellen 2, 3 hinzugefügt oder von ihr entnommen, so wird der Ausgleichsvorgang für diese Batteriezelle 2, 3 gestoppt. Zum Beenden des Ausgleichsvorgangs für die Batteriezelle 2, 3 gibt die Zuordnungseinrichtung 8 beispielsweise einen Befehl zum Beenden des Ausgleichsvorgangs an die Ausgleichseinrichtung 10 aus, die den Transfer von Ladungsmengen Q zu dieser Batteriezelle 2, 3 folglich einstellt. Werden von der Ausgleichseinrichtung 10 noch Ladungsmengen Q zu oder von einer weiteren Batteriezelle 2, 3 transferiert, so kann dies unabhängig vom Transfervorgang der bereits auf die Sollladung gebrachten Batteriezelle 2, 3 beendet werden.
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Soll die Vorrichtung 1 Ladungsunterschiede zwischen mehr als zwei Batteriezellen 2, 3 ausgleichen, so kann die Ausgleichseinrichtung 10 ausgebildet sein, um gleichzeitig Ladungsmengen Q zu oder von mehr als zwei Batteriezellen 2, 3 zu transferieren. Alternativ kann die Ausgleichsvorrichtung 1 mehr als eine Ausgleichseinrichtung 10 aufweisen. Die Ausgleichseinrichtungen 10 können alle Steuersignal übertragend mit der Zuordnungseinrichtung 8 verbunden sein und zum temporären Kontaktieren wenigstens einer Batteriezelle oder mehrerer Batteriezellen ausgebildet sein.
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Auch kann die Vorrichtung 1 mehr als eine Messleitung 5 und insbesondere wenigstens eine Messleitung 5 pro gleichzeitig anschließbarer Batteriezelle 2, 3 aufweisen.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Vorrichtung 1 mit einem Anschlusskontakt 12 für die Batteriezelle 2 dargestellt, wobei der schematisierte Anschlusskontakt 12 ein Anschlusskontaktelement für jeden Pol der Batteriezelle 2 aufweisen kann. Der Anschlusskontakt 12 kann über wenigstens eine Ladungsleitung 13 Ladungsmengen Q leitend mit der Ausgleichseinrichtung 10 verbunden sein. Insbesondere weist die Vorrichtung 1 zwei Ladungsleitungen 13 auf, die jeweils die Ausgleichseinrichtung 10 Ladungsmengen Q leitend mit einem der Anschlusskontaktelemente des Anschlusskontaktes 12 verbinden.
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Die Ausgleichseinrichtung 10, die Ladungsleitung 13 und der Anschlusskontakt 12 sind bevorzugt ausgebildet, hohe Ströme, beispielsweise von mehreren 10 A, von oder zu der Batteriezelle 2 zu leiten.
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Sollen zusätzlich zur Batteriezelle 2 Ladungsmengen Q zu der oder von der weiteren Batteriezelle 3 oder anderen Batteriezellen transferiert werden, so kann die Ausgleichsvorrichtung 1 je weiterer Batteriezelle 3 einen weiteren Anschlusskontakt 14 aufweisen. Jeder der weiteren Anschlusskontakte 14 kann wie der Anschlusskontakt 12 ausgebildet und jeweils über eine Ladungsleitung 15 mit der Ausgleichseinrichtung 10 oder einer weiteren Ausgleichseinrichtung 10 Ladungsmengen Q leitend verbunden sein.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden zwischen wenigstens zwei wieder aufladbaren Batteriezellen.
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In einem ersten Verfahrensschritt 16 startet das Verfahren 17 zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden. Beispielsweise wird im Verfahrensschritt 16 die Batteriezelle 2, deren Ladungsunterschied zu anderen Batteriezellen 3 durch Hinzufügen oder Entnehmen von Ladungsmengen Q zum Erreichen eines vorgegebenen Sollladungszustands an die Vorrichtung 1 angeschlossen.
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Im folgenden Verfahrensschritt 18 wird der Ausgangsladezustand der Batteriezelle 2 ermittelt. Dies kann durch Messen einer Ruhe- oder Leerlaufspannung der Batteriezelle 2 oder durch eine Datenbankabfrage von Fertigungsdaten geschehen.
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Anhand der ermittelten Ausgangsladezustände wird im nun folgenden Verfahrensschritt 19 die für den Ausgleichsvorgang benötigte Ladungsmenge Q bestimmt. Der Verfahrensschritt 19 kann ein Rechenschritt zur Berechnung der benötigten Ladungsmenge Q sein, bei dem mehrere Berechnungen durchgeführt werden können. Einfacher durchzuführen und daher weniger rechenintensiv ist eine Zuordnung des Ausgangsladezustands zu der benötigten Ladungsmenge Q. Hierzu kann der bestimmte Ausgangsladezustand einem Ausgangsladezustand in einer Zuordnungsmatrix, die Ausgangsladezustände benötigten Ladungsmengen Q zuordnet, zugewiesen werden. Die zugeordnete benötigte Ladungsmenge Q kann aus der Zuordnungsmatrix anhand des zugewiesenen Ausgangsladezustands ermittelt werden. Die Zuordnung kann auch manuell erfolgen, wenn die Zuordnungsmatrix beispielsweise in Form einer Zuordnungstabelle vorliegt, aus der ein Benutzer der Vorrichtung 1 die benötigten Ladungsmengen Q in Abhängigkeit des Ausgangsladezustands abliest.
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Im Verfahrensschritt 20, der auf den Verfahrensschritt 19 folgt, wird der Ladungsunterschied der Batteriezelle 2 zum Sollladezustand ausgeglichen. Im Verfahrensschritt 20 findet also der eigentliche Ausgleichsvorgang statt, bei dem die zum Erreichen des Sollladezustands benötigte Ladungsmenge Q transferiert, also der Batteriezelle 2 hinzugefügt oder von der Batteriezelle 2 entnommen wird.
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Im jetzt folgenden Verfahrensschritt 21 wird geprüft, ob die benötigte Ladungsmenge Q bereits transferiert ist. Dies kann durch eine Messung des zu der oder von der Batteriezelle 2 übertragenen elektrischen Stroms geschehen. Ist die benötigte Ladungsmenge Q noch nicht transferiert, so wird der Ausgleichsvorgang wie durch den Pfeil 22, der vom Schritt 21 zurück zum Schritt 20 weist, fortgesetzt. Ist die benötigte Ladungsmenge Q übertragen, so wird das Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden in Schritt 23 beendet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Ausgleichseinrichtung 10 der erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung 1, wobei nur ein Ausschnitt der Ausgleichseinrichtung 10 gezeigt ist. An Anschlusskontaktelementen 12’, 12’’ des Anschlusskontaktes 12 ist die Batteriezelle 2 angeschlossen. Am Anschlusskontaktelement 12’ ist beispielsweise der Pluspol und am Anschlusskontaktelement 12’’ der Minuspol der Batteriezelle 2 angeschlossen. Von den Anschlusskontaktelementen 12’, 12’’ führt jeweils eine Ladungsleitung 13, 13’ zu einem Netzteil 24, das die benötigte Ladungsmenge Q im Betrieb bereitstellt.
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Das Netzteil 24 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein linear geregeltes Netzteil. Die Ausgleichsvorrichtung 10 ist mit einem Stromsensor 25 versehen, der bevorzugt in der Nähe der Ladungsleitung 13 und womöglich im Netzteil 24 angeordnet ist. Der Stromsensor 25 ist ausgebildet, um durch die Ladungsleitung 13 zur Batteriezelle 2 hin oder von der Batteriezelle 2 wegfließende Ladungsmengen Q, zum Beispiel in Form eines elektrischen Stroms, zu detektieren. Dabei erfasst der Stromsensor 25 vorzugsweise nicht nur den Betrag der übertragenen Ladungsmenge Q, sondern auch, ob die Ladungsmenge Q von der Batteriezelle 2 weg- oder zu der Batteriezelle 2 hinfließt. Fließt der Strom zur Batteriezelle 2, entspricht dies einem Transfer von Ladungsmenge Q von der Ausgleichseinrichtung 10 zur Batteriezelle 2. Es wird also die zum Erreichen des Sollladezustands benötigte Ladungsmenge Q zur Batteriezelle 2 hinzugefügt. Fließt der Strom von der Batteriezelle 2 weg zur Ausgleichseinrichtung 10, entspricht dies einem Transfer von Ladungsmenge Q weg von der Batteriezelle 2. Es wird also die zum Erreichen des Sollladezustands benötigte Ladungsmenge Q von der Batteriezelle 2 entnommen.
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Der Stromsensor 25 kann Daten übertragend mit der Zuordnungseinrichtung 8 verbunden sein und die Menge an von oder zu der Batteriezelle 2 transferierter Ladungsmenge Q repräsentierende Daten im Betrieb der Zuordnungseinrichtung 8 bereitstellen.
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Das Netzteil 24 kann einen ersten und einen zweiten Transistor 26, 27 aufweisen, wobei die Transistoren 26, 27 über die Ladungsleitungen 13, 13’ mit den Anschlusskontaktelementen 12’, 12’’ elektrisch leitfähig verbunden sind. Der erste Transistor 26 kann zum Entnehmen von Ladungsmengen Q aus der und der zweite Transistor 27 zum Hinzufügen von Ladungsmengen Q zur Batteriezelle 2 mit den Anschlusskontaktelementen 12’, 12’’ verschaltet sein. Ein Source-Kontakt 28 des ersten Transistors 26 kann mit einem der Anschlusskontaktelemente 12’, 12’’ und insbesondere mit dem Anschlusskontaktelement 12’’, ein Drain-Kontakt 29 des ersten Transistors 26 sowie ein Source-Kontakt 30 des zweiten Transistors 27 mit einem anderen der Anschlusskontakte 12’, 12’’ und insbesondere mit dem Anschlusskontakt 12’, und ein Drain-Kontakt 31 des zweiten Transistors 27 mit einer Ladungsquelle 32 elektrisch leitfähig verbunden sein.
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Gate-Kontakte 33, 34 der Transistoren 26, 27 können Steuersignal übertragend mit der Zuordnungseinrichtung 8 verbunden sein, so dass die Zuordnungseinrichtung 8 den Fluss von Ladungsmengen Q durch die Transistoren 26, 27 beeinflussen und zum Beispiel steuern kann.
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Jeweils eine Diode 35, 36 kann den Source-Kontakt 28, 30 der Transistoren 26, 27 mit deren Drain-Kontakt 29, 31 elektrisch leitfähig verbinden. Insbesondere wenn die Transistoren 26, 27 als sogenannte Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren ausgebildet sind, können die Dioden 35, 36 die Transistoren 26, 27 vor Beschädigungen schützen, wenn die Batteriezelle 2 zum Beispiel verpolt an die Vorrichtung 1 angeschlossen wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Ausgleichseinrichtung 10 der erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung 1, wobei wie in der 3 nur ein Ausschnitt der Ausgleichseinrichtung 10 gezeigt ist. Anstelle des Netzteils 21 des Ausführungsbeispiels der 3 ist die Ausgleichseinrichtung 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4 mit einem Gleichspannungswandler 37 versehen, der über die Ladungsleitungen 13, 13’ mit den Anschlusskontaktelementen 12’, 12’’ elektrisch leitfähig verbunden ist. Der Gleichspannungswandler 37 kann als ein sogenannter bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgebildet sein, der Daten- und/oder Steuersignal übertragend mit der Zuordnungseinrichtung 8 verbunden ist. In Abhängigkeit von Steuersignalen der Zuordnungseinrichtung 8 kann der Gleichspannungswandler 37 Ladungsmengen Q zur Batteriezelle 2 oder von der Batteriezelle 2 transferieren oder den Ladevorgang starten beziehungsweise beenden. Ferner kann der Gleichspannungswandler 37 ohne einen separaten Stromsensor 25 Daten, die für die transferierten Ladungsmengen Q repräsentativ sind, für die Zuordnungseinrichtung 8 bereitstellen. Schließlich kann der Gleichspannungswandler 37 an einer Masse- oder Erdeleitung 38 angeschlossen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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