DE102012214878A1 - Method for charge equalization with manufacture and repair of lithium ion battery system for e.g. wind-power plant, involves limiting and aborting balancing current on given amount larger than zero when current falls below given amount - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ladungsausgleich bei der Fertigung und/oder Reparatur eines Batteriesystems mit mehreren Schritten, wie beispielsweise Registrieren aller in elektrischer Parallelschaltung zu verbindenden Batteriezellen, Messen der Leerlaufspannung jeder Batteriezelle oder Registrieren der Leerlaufspannung derart, dass jeder Batteriezelle genau deren Leerlaufspannung nach Betrag und Richtung zugeordnet wird.The present invention relates to a method for charge compensation in the manufacture and / or repair of a battery system with several steps, such as registering all to be connected in electrical parallel battery cells, measuring the open circuit voltage of each battery cell or register the open circuit voltage such that each battery cell exactly their open circuit voltage after Amount and direction is assigned.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (zum Beispiel bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Batteriesysteme sind aus Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodulen aufgebaut, welche im Batteriesystem elektrisch verbunden werden. Die Zellen werden dabei in Serie und gegebenenfalls zusätzlich parallel verschaltet. Bei einer Parallelschaltung unterscheidet man eine Parallelschaltung von Zellsträngen, welche aus mehreren in Serie geschalteten Einzelzellen bestehen (Parallelschaltung erfolgt dann zum Beispiel auf Modulebene oder auf Ebene der gesamten Batterie) und eine direkte Parallelschaltung von Einzelzellen.It is becoming apparent that in the future both in stationary applications (for example in wind turbines) and in vehicles (for example in hybrid and electric vehicles), more and more new battery systems will be used. Battery systems are constructed of battery cells or battery modules, which are electrically connected in the battery system. The cells are connected in series and optionally in parallel. In a parallel circuit, a distinction is made between a parallel connection of cell strings, which consist of several series-connected individual cells (parallel connection then takes place, for example, at the module level or at the level of the entire battery) and a direct parallel connection of individual cells.
Bei Lithium-Ionen-Batterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge ist derzeit Stand der Technik, dass entweder reine Serienschaltungen von Batteriezellen oder – falls die Kapazität der Zellen für den geforderten Energieinhalt bei einer gleichzeitig vorgegebenen Maximalspannung der Batterie nicht ausreicht – zusätzlich eine Parallelschaltung auf Zellebene eingesetzt wird. Die Parallelschaltung erfolgt dabei „hart“, das heißt, die Zellen werden möglichst niederohmig miteinander verbunden. Die elektrische Verbindung der Zellen wird, nachdem die Zellen zum Beispiel in einem Batteriemodul mechanisch fixiert worden sind, durch Auflegen eines metallischen Zellverbinders und durch anschließendes Verschrauben oder Verschweißen hergestellt. In
Bei der Fertigung und bei der Reparatur von Anordnungen, die eine Parallelschaltung von Zellen enthalten, tritt folgendes Problem auf: Weisen die Zellen unterschiedliche Ladezustände auf, fließen bei Auflegen der Zellverbinder sehr hohe Ausgleichsströme (dies betrifft in gleicher Weise Schraub- und Schweißverbindungen). Ursache hierfür ist, dass sich unterschiedliche Urspannungen der Batteriezellen über deren sehr niedrige Innenwiderstände entladen. Zur Verdeutlichung sei ein Beispiel für Lithium-Ionen-Batteriezellen aufgeführt, wie sie derzeit bei SB LiMotive zur Serie entwickelt werden: Eine 60 Ampere-Stunden Zelle weist im Bereich mittlerer Ladezustände bei Raumtemperatur für kurzzeitige Pulsbelastungen Innenwiderstände im Bereich von 300 Mikro-Ohm auf. Weisen die Zellen bei einer Reparatur der Batterie eine Differenz im Ladezustand von 20 % auf, so führt dies zu Unterschieden in der Spannung im Bereich von bis zu 400 Milli-Volt. Werden die Zellverbinder zur Herstellung der Parallelverbindung aufgesetzt, ergeben sich Ausgleichsströme im Bereich von 670 Ampere. Dies kann unter anderem zur Funkenbildung an den Terminals führen, was im Fertigungsablauf beziehungsweise bei der Reparatur eines Batteriesystems unerwünscht ist und aus Sicherheitsgründen oft nicht zulässig ist. The following problem arises during the manufacture and repair of arrangements which comprise a parallel connection of cells: If the cells have different states of charge, very high compensation currents flow when the cell connectors are put on (this also applies to screwed and welded connections). The reason for this is that different initial voltages of the battery cells discharge via their very low internal resistance. For clarification, an example of lithium-ion battery cells is listed, as they are currently being developed by SB LiMotive to the series: A 60 ampere-hour cell has in the range of medium states of charge at room temperature for short-term pulse loads internal resistance in the range of 300 micro-ohms. If the cells have a difference in charge state of 20% when repairing the battery, this leads to differences in the voltage in the range of up to 400 milli-volts. If the cell connectors are set up to produce the parallel connection, equalizing currents in the range of 670 amps result. Among other things, this can lead to sparking at the terminals, which is undesirable in the production process or in the repair of a battery system and is often not permitted for safety reasons.
Stand der Technik bei der Fertigung von Batteriemodulen ist, dass bei den Zellen vor der Einbringung in den Fertigungsprozess mit einer separaten Einrichtung ein Ladungsausgleich vorgenommen wird. Dieser erfolgt über die Kontaktierung von ohmschen Widerständen und zwar in genau der Paarung, in der die Zellen später parallel verbaut werden. Die Widerstände werden so groß gewählt, dass keine Funken bei der Kontaktierung auftreten. Dadurch ist das Widerstandsniveau so hoch, dass der Ausgleichsvorgang lange dauert. Dies ist für eine Serienproduktion mit hohen Stückzahlen nicht zielführend. Zudem müssen die Zellen nach dem Ladungsausgleich gepaart in den Produktionsprozess der Batteriemodule beziehungsweise Batteriesysteme eingebracht werden. Dies ist mit dem Risiko der falschen Paarung und mit Zusatzaufwand verbunden. Bei der Reparatur eines Batteriesystems ist die Situation oft noch komplizierter. State of the art in the manufacture of battery modules is that in the cells prior to introduction into the manufacturing process with a separate device, a charge compensation is made. This is done by contacting ohmic resistors in exactly the pairing in which the cells are later installed in parallel. The resistors are chosen so large that no sparks occur during the contacting. As a result, the resistance level is so high that the compensation process takes a long time. This is not effective for mass production with high volumes. In addition, after the charge equalization, the cells must be paired into the production process of the battery modules or battery systems. This is associated with the risk of mismatching and extra effort. When repairing a battery system, the situation is often even more complicated.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ladungsausgleich bei der Fertigung und/oder Reparatur eines Batteriesystems zur Verfügung gestellt mit den Schritten: Registrieren aller in elektrischer Parallelschaltung zu verbindenden Batteriezellen; Messen der Leerlaufspannung jeder Batteriezelle; Registrieren der Leerlaufspannung derart, dass jeder Batteriezelle genau deren Leerlaufspannung nach Betrag und Richtung zugeordnet wird; Auswertung der registrierten Daten derart, dass jene Batteriezellen identifiziert werden, welche bezüglich der Leerlaufspannung eine falsche Polung oder einen falschen Betrag aufweisen; elektrische Parallelschaltung von einem Paar Batteriezellen in einer Kirchhoffschen Masche; Messen des Ausgleichsstroms in der Masche; und Regeln des Ausgleichsstroms in der Masche, wobei der Ausgleichsstrom auf einen vorgegebenen ersten Betrag größer Null begrenzt und bei Unterschreiten eines vorgegebenen zweiten Betrages größer Null abgeschaltet wird.According to the invention, a method for charge equalization in the production and / or repair of a battery system is provided, comprising the steps of: registering all the battery cells to be connected in electrical parallel connection; Measuring the open circuit voltage of each battery cell; Registering the no-load voltage such that each battery cell is assigned exactly its no-load voltage in terms of magnitude and direction; Evaluating the registered data so as to identify those battery cells having an incorrect polarity or an incorrect amount with respect to the open circuit voltage; electrical parallel connection of a pair of battery cells in a Kirchoffoff mesh; Measuring the equalizing current in the mesh; and regulating the equalizing current in the mesh, the equalizing current being limited to a predetermined first amount greater than zero and undershooting a predetermined second amount greater than zero is turned off.
Ein Batteriesystem im Sinne dieser Offenbarung ist beispielsweise eine elektrische Zusammenschaltung einzelner Batteriezellen, vorzugsweise Lithium-Ionen-Batterien, sowie deren kompakte Anordnung (mechanische Fixierung) mittels mechanischer Verbindung und anschließender elektrischer Kontaktierung (beispielsweise durch Schraub- oder Schweißverbindung) zwecks Messungen, Ladungsausgleich und elektrischer Parallelschaltung. Batteriezellen sind insbesondere wiederholt aufladbare Akkumulatoren, welche auch unter der Bezeichnung Sekundärbatterien bekannt sind.A battery system in the sense of this disclosure is, for example, an electrical interconnection of individual battery cells, preferably lithium-ion batteries, and their compact arrangement (mechanical fixation) by means of mechanical connection and subsequent electrical contact (for example by screw or welded connection) for measurements, charge compensation and electrical parallel. Battery cells are in particular repeatedly rechargeable batteries, which are also known under the name secondary batteries.
Unter „Registrieren aller in elektrischer Parallelschaltung zu verbindenden Batteriezellen“ ist im Rahmen eines beispielsweise Modulfertigungsprozesses zu verstehen, dass jeder für eine elektrische Parallelschaltung vorgesehene Batteriezelle ein-eindeutig ein Symbol zugeordnet wird, beispielsweise eine Nummer oder eine Adresse. So dass einerseits von einem Symbol auf genau eine Batteriezelle geschlossen werden kann und andererseits von jeder für eine Parallelschaltung vorgesehenen Batteriezelle auf genau ein Symbol geschlossen werden kann. Das Symbol kann beispielsweise in einer elektronischen (oder in Papierform) Stapelliste vermerkt sein, wo bevorzugterweise die Reihenfolge der gestapelten Batteriezellen identisch ist mit der Reihenfolge des Eintragens in die Liste. Aber auch das vorzugsweise lösbare Anbringen des Symbols an der jeweiligen Batteriezelle selbst ist denkbar, als beispielsweise zwei- oder dreidimensionaler Code oder als elektromagnetisches Resonanzelement, wie beispielsweise ein RFID-Chip.In the context of, for example, a module manufacturing process, the term "registering all battery cells to be connected in electrical parallel connection" means that each battery cell provided for an electrical parallel connection is uniquely assigned a symbol, for example a number or an address. So that on the one hand can be closed by a symbol on exactly one battery cell and on the other hand can be closed by each provided for a parallel connection battery cell to exactly one symbol. The symbol may, for example, be noted in an electronic (or in paper form) batch list, where preferably the order of the stacked battery cells is identical to the order of entry in the list. But also the preferably releasable attachment of the symbol to the respective battery cell itself is conceivable, as for example, two- or three-dimensional code or as an electromagnetic resonance element, such as an RFID chip.
Das Messen der Leerlaufspannung jeder Batteriezelle nach Betrag und Richtung soll zum einen eine falsche Polung ausschließen und zum anderen Batterien mit zu großem Spannungsverlust, und somit Verdacht auf Fehlerhaftigkeit, identifizieren und außerdem zur Bestimmung der Zeitdauer des Anliegens eines Ausgleichsstroms verwendet werden. Die Leerlaufspannung nach vorzugsweise auch Betrag und Richtung wird derart gespeichert, dass diese in Zusammenhang gebracht werden kann mit dem Symbol. Dadurch lässt sich beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die Batterien kontaktiert wurden zwecks bevorstehenden Ladungsausgleichs, das Ergebnis der Messung abrufen und für die Regelung des Ausgleichsstroms verwenden.The measurement of the open circuit voltage of each battery cell in terms of magnitude and direction should on the one hand exclude an incorrect polarity and on the other hand batteries with excessive voltage loss, and thus suspected faulty identify and also be used to determine the duration of the application of a compensation current. The open circuit voltage according to preferably also amount and direction is stored so that it can be associated with the symbol. As a result, for example, at a later time, when the batteries have been contacted for imminent charge equalization, the result of the measurement can be retrieved and used for the regulation of the compensation current.
Die Parallelschaltung zweier Batteriezellen, Pluspol zu Pluspol und Minuspol zu Minuspol, erzeugt eine Kirchhoffsche Masche, in welcher an jeder Stelle der Betrag des Ausgleichsstroms gleich groß ist.The parallel connection of two battery cells, positive pole to positive pole and negative pole to negative pole, creates a Kirchhoff mesh, in which at each point the amount of the equalizing current is the same.
Die Messung des Ausgleichsstroms erfolgt entweder in der Masche mittels Erfassen des Spannungsabfalls über einem elektrischen Widerstand in der Masche oder mittels eines externen Sensors, welcher über geeignete physikalische Parameter mit der Masche indirekt verbunden ist, beispielsweise ein Hall-Element zur Erfassung des magnetischen Feldes.The compensation current is measured either in the mesh by detecting the voltage drop across an electrical resistance in the mesh or by means of an external sensor which is indirectly connected to the mesh via suitable physical parameters, for example a Hall element for detecting the magnetic field.
Der durch Messen und Registrieren erlangte Vorteil erstreckt sich beispielsweise auf eine vergrößerte Revisionssicherheit im Sinne von dokumentierter und jederzeit nachvollziehbarer Produktionsqualität, wodurch auch ein systematisches Erkennen und Auswerten von Fehlern möglich wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren größere Abweichungen bei den Ladezuständen der parallel zu schaltenden Zellen beherrscht werden können.The advantage gained by measuring and registering extends, for example, to an increased audit security in the sense of documented production quality which can be traced at any time, which also allows a systematic recognition and evaluation of errors. A further advantage is that larger deviations in the charge states of the cells to be switched in parallel can be controlled by the method according to the invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Falle, dass die Leerlaufspannung eine falsche Polung oder einen falschen Betrag aufweist, ein akustisches oder optisches Warnsignal ausgegeben. Dies kann beispielsweise direkt nach Messung und Auswertung der Leerlaufspannung erfolgen oder zu einem späteren Zeitpunkt oder an einem anderen Ort, um beispielsweise die entsprechende Zelle von einem Laufband abzugreifen und auszusortieren. Vorteil dadurch ist die Verbesserung der Qualität, weil ein vom Menschen leicht zu erfassendes Signal mit größerer Sicherheit wahrgenommen werden kann und somit das gegebenenfalls beabsichtige Eingreifen des Menschen in den Prozess mit größerer Wahrscheinlichkeit stattfindet. Somit kann die Verpolung einer parallel zu schaltenden Zelle, die zum Beispiel bei unsachgemäßer Durchführung einer Reparatur auftreten kann, besser beherrscht werden.In a preferred embodiment, in the event that the open circuit voltage has an incorrect polarity or an incorrect amount, an audible or visual warning signal is output. This can for example be done directly after measurement and evaluation of the open circuit voltage or at a later date or at another location, for example, to tap and sort out the corresponding cell of a treadmill. The advantage of this is the improvement of the quality, because a signal that can be easily detected by humans can be perceived with greater certainty and therefore the possibly intended intervention of the human being in the process is more likely to take place. Thus, the reverse polarity of a cell to be switched in parallel, which may occur, for example, if a repair is carried out improperly, can be better controlled.
Bevorzugt ist ebenfalls, Fertigungsdaten der Batteriezelle zu verwenden und einen Abgleich der damaligen Leerlaufspannung zum Zeitpunkt der letzten Aufladung (bei der Fertigung) mit der jüngst (im Rahmen der Vorbereitung des Ausgleichsstroms) gemessenen Leerlaufspannung durchzuführen, um somit jene Batteriezellen zu identifizieren, bei welchen die Selbstentladung einen vorgegebenen Betrag überschreitet. It is also preferable to use manufacturing data of the battery cell and to carry out an adjustment of the then open circuit voltage at the time of the last charging (in the production) with the recently measured open circuit voltage (in the course of preparing the compensation current), thus identifying those battery cells in which the Self-discharge exceeds a predetermined amount.
Insbesondere im Bereich der automatisierten und mehrstufigen Fertigungsschritte an möglicherweise außerdem verschiedenen Orten ist dies vorteilhaft, um rechtzeitig fehlerbehaftete Zellen aussortieren und den Fertigungsprozess systematisch verbessern zu können. Vorteilhaft ist es infolge erfindungsgemäßer Speicherung der Daten auch, eine Verwechslung der Zellen nach dem Ladungsausgleich bis zur Fertigstellung der Parallelschaltung auszuschließen. Particularly in the field of automated and multi-stage production steps at possibly also different locations, this is advantageous in order to sort out defective cells in good time and to be able to systematically improve the production process. It is also advantageous as a result of the storage of the data according to the invention to preclude any confusion of the cells after the charge equalization until the completion of the parallel connection.
Auch ist es denkbar, dass die Selbstentladung bestimmt wird aus einem Quotienten aus der Differenz der Leerlaufspannungen der Batteriezelle von zwei Zeitpunkten, und einem Zeitbereich, der durch beide Zeitpunkte gebildet wird. Die Selbstentladung einer Batteriezelle kann als elektrische Potentialdifferenz, deren Betrag über einen Zeitbereich abfällt, verstanden werden. Der Quotient wird derart gebildet, dass im Zähler eines Bruchs eine elektrische Spannung, und im Nenner des Bruchs eine Zeit steht, wobei die Spannung die Potentialdifferenz ausdrückt und die Zeit einem Zeitbereich zwischen zwei Zeitpunkten entspricht. Dabei ist ein Zeitpunkt beispielsweise die Zeit, zu welcher die Batteriezelle im Rahmen der Herstellung geladen wurde und zeitnah deren Leerlaufspannung erfasst wurde, und der andere Zeitpunkt beispielsweise jene Zeit, zu welcher die Leerlaufspannung der Batteriezelle im Rahmen des Ausgleichsstrom-Verfahrens gemessen wird. It is also conceivable that the self-discharge is determined from a quotient of the difference of the open-circuit voltages of the battery cell from two times, and a time range, which is formed by both times. The self-discharge of a battery cell can be understood as an electrical potential difference, the amount of which falls over a time range. The quotient is formed such that in the numerator of a break there is an electrical voltage, and in the denominator of the break, there is a time, the voltage expressing the potential difference and the time corresponding to a time range between two times. In this case, a time is, for example, the time at which the battery cell was charged in the course of production and their open-circuit voltage was detected in a timely manner, and the other time, for example, that time at which the open circuit voltage of the battery cell is measured within the compensation current method.
Bevorzugt ist ebenfalls eine Variante, in welcher der Ausgleichsstrom mittels eines Stromsensors erfasst wird, und zwar insbesondere durch das Abgreifen einer Abfallspannung über einem ohmschen Widerstand in der Masche. Vorteil ist die einfache und preisgünstige Möglichkeit der unmittelbaren Erfassung des Ausgleichsstroms.Also preferred is a variant in which the compensating current is detected by means of a current sensor, in particular by picking up a drop voltage across an ohmic resistance in the mesh. Advantage is the simple and inexpensive way of immediate detection of the compensation current.
In einer ebenfalls bevorzugten Variante enthält die Regelung des Ausgleichsstroms einen elektronisch gesteuerten Widerstand. Vorteilhaft hierbei ist eine Kontaktierung frei von Funken oder Lichtbogen, als auch ein beliebig gestaltbarer Verlauf des Ausgleichsstroms.In a likewise preferred variant, the regulation of the compensation current contains an electronically controlled resistor. The advantage here is a contact free of sparks or arcs, as well as an arbitrarily customizable course of the compensation current.
Eine weitere bevorzugte Variante ergibt sich dadurch, dass der Abbruch des Ladungsausgleichs durch hochohmig Schalten des elektronisch gesteuerten Widerstandes erfolgt.A further preferred variant results from the fact that the termination of the charge compensation is effected by high-impedance switching of the electronically controlled resistor.
Auch hierbei entsteht der Vorteil einer von Funken oder Lichtbogen befreiten Strom-Trennung.Again, there is the advantage of a freed from sparks or arcs current separation.
Ebenfalls ist es denkbar, dass der elektronisch gesteuerte Widerstand durch eine Antiserienschaltung mit zwei MOSFETs gebildet wird.It is also conceivable that the electronically controlled resistor is formed by an anti-series circuit with two MOSFETs.
Die Ansteuerung eines jeden Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors erfolgt über eine Steuerspannung (Gate-Source-Spannung) beziehungsweise ein Steuerpotential (Gate-Potential), wodurch der Stromfluss von Drain nach Source gesteuert wird. Vorteilhaft dabei ist die preiswerte Herstellung und hohe Strom/Leistungsfähigkeit. Unter Antiserienschaltung versteht diese Offenbarung die elektrische Serienschaltung zweier beispielsweise gleichartig p- und n-geschichteter Transistoren derart, dass diese bezüglich des Hauptstrompfades in Reihe geschaltet sind und außerdem durch jeweils jenen Kontakt verbunden sind, welcher für beide Transistoren einen gleichartigen Anschlusspol charakterisiert, beispielsweise entweder Drain oder Source.The control of each metal oxide semiconductor field effect transistor via a control voltage (gate-source voltage) or a control potential (gate potential), whereby the current flow is controlled from drain to source. The advantage here is the inexpensive production and high power / performance. By anti-series circuit this disclosure means the electrical series connection of two, for example similar p- and n-layered transistors such that they are connected in series with respect to the main current path and are also connected by that contact which characterizes a similar terminal pole for both transistors, for example either drain or source.
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:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der
Die
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: GULDE HENGELHAUPT ZIEBIG & SCHNEIDER, DE Representative=s name: GULDE & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWALTSKANZL, DE |
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