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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Akkumulator, insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator, mit einer Vielzahl von Batteriezellen, die parallel und/oder in Reihe zusammengeschaltet sind. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Akkumulators, insbesondere eines Lithium-Ionen-Akkumulators, der eine Vielzahl von parallel und/oder in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweist.
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Bei dem Einsatz von Akkumulatoren, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien ist es bekannt, die Spannung der einzelnen Batteriezellen zu symmetrisieren. Hierzu wird einer Batteriezelle mit einer höheren Spannung Ladung entnommen, in einer Spule oder einem Kondensator zwischengespeichert und dann Zellen mit geringerer Spannung zugeführt. Dieses Verfahren wird fachsprachlich auch als induktives bzw. kapazitives Zell-Balancing bezeichnet. Das Zell-Balancing wird eingesetzt, wenn die an den Batteriezellen auftretenden Zellspannungen zu stark voneinander abweichen.
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Aus
DE 10 2008 021 090 A1 ist eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren einer Akkumulator-Anordnung bekannt geworden. Bei der bekannten Schaltungsanordnung wird elektrische Ladung zwischen in Reihe geschalteten Akkumulatoren ausgetauscht, die jeweils ein relaisgeschaltetes Schaltelement in einer Laststrecke und ein induktives Speicherelement aufweisen. Die einzelnen Akkumulatoren sind induktiv untereinander gekoppelt, um durch eine Steuerung des Schaltelements Ladungen untereinander auszutauschen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum Zell-Balancing in einem Akkumulator mit einer Vielzahl von Batteriezellen bereit zu stellen, das mit einfachen Mitteln eine gleichmäßige und schonende Belastung der Batteriezellen sicherstellt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Akkumulator mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines Akkumulators mit den Merkmalen aus Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Akkumulator besitzt eine Vielzahl von Batteriezellen, die zum Erzielen der gewünschten Ausgangsspannung parallel und/oder in Reihe zusammengeschaltet sind. Insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind mit einer Vielzahl von Batteriezellen aufgebaut, die selbst als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind. Ferner besitzt der erfindungsgemäße Akkumulator ein Batteriemanagementsystem, das von mehreren Batteriezellen einen den Ladezustand der Batteriezellen darstellenden Wert erfasst. Das Batteriemanagementsystem verbindet die Batteriezellen jeweils, entsprechend ihrem erfassten Wert getaktet, mit den übrigen Batteriezellen. Eine getaktete Verbindung bedeutet, dass bezogen auf ein sich wiederholendes Zeitintervall (Gesamttaktlänge) die Batteriezellen mit den übrigen Batteriezellen für einen bestimmten Zeitabschnitt (Taktlänge) verbunden und von diesen für die verbleibende Zeit des Zeitintervalls getrennt sind. Batteriezellen werden bei dem erfindungsgemäßen Akkumulator also entsprechend ihrem Ladezustand miteinander verbunden. Der erfindungsgemäße Akkumulator beruht auf der Idee, nicht, wie bei dem bekannten induktiven oder kapazitiven Zell-Balancing, ein sich einstellendes Ladungsungleichgewicht zwischen den Zellen induktiv oder kapazitiv auszugleichen, sondern das Entstehen eines solchen Ungleichgewichts zu vermeiden. Dies geschieht, indem die einzelnen Batteriezellen jeweils entsprechend ihrem Ladezustand mit den anderen Batteriezellen zusammengeschaltet sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung erfasst das Batteriemanagementsystem von jeder Batteriezelle einen Spannungswert, bevorzugt die Ausgangsspannung der Batteriezelle. Jede Batteriezelle wird dann, bevorzugt entsprechend ihrem erfassten Spannungswert getaktet, mit den übrigen Batteriezellen verbunden. Der aktuelle Spannungswert der Batteriezelle ist ein Maß für die Restkapazität der Batteriezelle, so dass eine Überlastung der Batteriezellen beim Lade- oder Entladevorgang vermieden wird.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Akkumulators erfolgt die Messung der Spannungswerte in regelmäßigen Abständen und/oder wenn keine Leistungsentnahme erfolgt. Aufgrund der erfassten Werte wird das Taktverhältnis für die Ansteuerung der Batteriezellen neu bestimmt. Da davon auszugehen ist, dass das elektrische Verhalten einer Batteriezelle in der Regel über einen längeren Zeitraum stabil ist, genügt es, die Messung der Spannungswerte in regelmäßigen Abständen zu wiederholen. Auch genügt es, die Messung der Spannungswerte bei fehlender Leistungsentnahme vorzunehmen. Die Neubestimmung des Taktverhältnisses für die Ansteuerung der Batteriezellen kann dabei jeweils vollständig erfolgen oder in Form einer Korrektur zu dem bestehenden Taktverhältnis. Das Taktverhältnis gibt an, in welchem Verhältnis die Zeitdauer t innerhalb eines Taktes T steht, in der die Batteriezelle verbunden ist, zu der Zeitdauer des Taktes T.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Batteriezelle oder sind die Batteriezellen mit dem höchsten Spannungswert aller Batteriezellen unterbrechungsfrei mit den übrigen Batteriezellen verbunden. Diese Batteriezelle bzw. diese Batteriezellen besitzen den besten Ladezustand und die höchste Restkapazität, so dass sie ohne Unterbrechung mit den übrigen Batteriezellen verbunden sein können. Für die Zuordnung zum höchsten Spannungswert kann auch ein Intervall vorgesehen sein, bei dem ein Intervall von Spannungswerten als höchster Spannungswert angesehen werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung wird eine Batteriezelle, deren erfasster Spannungswert mehr als einen vorbestimmten Differenzwert von dem höchsten Spannungswert abweicht, derart getaktet, dass die Dauer t der Verbindung mit den übrigen Batteriezellen, bezogen auf eine Gesamtdauer T, dem Spannungswert u der Batteriezelle, bezogen auf den höchsten Spannungswert aller Batteriezellen, entspricht (t/T = u/umax). Dies bedeutet, die Batteriezelle oder die Batteriezellen mit dem höchsten Spannungswert werden zu 100%, also dauerhaft und nicht unterbrochen mit den übrigen Batteriezellen verbunden. Das Taktverhältnis wird interpoliert, so dass jeder Batteriezelle eine Taktdauer für die getaktete Verbindung der Batteriezelle mit den übrigen Batteriezellen zugeordnet werden kann. Selbstverständlich sind Batteriezellen, die keine Spannung aufweisen, defekt und müssen abgeschaltet werden. Ebenso wie Batteriezellen, die eine Minimalspannung unterschreiten. Der Wert eines Taktverhältnisses von Null wird lediglich zum Zwecke der Interpolation angenommen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Batteriemanagementsystem einen Speicher auf, in dem zu jeder der getaktet angesteuerten Batteriezellen der Wert zu deren maximalem Ladezustand (Cm) gespeichert ist. Der aktuelle Ladezustand C(u) abhängig erfasste Spannungswert als ein Maß für ihren Entladezustand zu dem maximalen Ladezustand ins Verhältnis gesetzt wird, um das Taktverhältnis bei der Ansteuerung der Batteriezelle zu bestimmen. Ähnlich wie bei den erfassten Spannungswerten wird hierbei das Taktverhältnis für die Batteriezellen bevorzugt linear interpoliert. In einem Speicher ist für jede Batteriezelle ihr maximaler Ladezustand gespeichert. Der erfasste Spannungswert wird in ihren aktuellen Ladezustand umgerechnet, so dass das Verhältnis von aktuellem zu maximalem Ladezustand das Taktverhältnis vorgibt, mit welchem die Batteriezellen verbunden oder getrennt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Wert für den maximalen Ladezustand der Batteriezelle aufgrund der gemessenen Spannungswerte angepasst und in dem Batteriemanagementsystem gespeichert. Eine solche fortlaufende Anpassung des maximalen Ladezustands erlaubt, auch Alterungsprozesse und sonstige Einflüsse auf die Batteriezellen zu berücksichtigen. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird der Wert für den maximalen Ladezustand bei Ladebeginn, bei fehlender Leistungsentnahme und/oder in bestimmten Zeitintervallen von dem Batteriemanagementsystem angepasst.
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Zweckmäßigerweise handelt es sich bei der angesprochenen Taktung um eine Pulsweitenmodulation, bei der für eine Zeitdauer t, bezogen auf eine Gesamttaktdauer T die Batteriezelle mit den übrigen Batteriezellen verbunden ist. Wie bei der Pulsweitenmodulation üblich, wird für alle Batteriezellen eine einheitliche Gesamttaktdauer T vorgegeben. Je nach konkreter Ausgestaltung der Pulsweitenmodulation gibt das Taktverhältnis die Dauer von t beispielsweise zu Beginn der Gesamttaktdauer T vor, mit der die Batteriezellen verbunden oder getrennt sind. Bevorzugt ist der Takt bei allen Batteriezellen gleich und synchron.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Batteriemanagementsystem, ansprechend auf ein vorbestimmtes Lastsignal, jede Batteriezelle unterbrechungsfrei mit den übrigen Batteriezellen verbinden. Bei dieser Ausgestaltung werden, ansprechend auf das vorbestimmte Lastsignal, sämtliche Batteriezellen dauerhaft miteinander verbunden, so dass der Akkumulator seine maximal mögliche Leistung abgibt, ohne dabei auf den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen Rücksicht zu nehmen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der darauf rückbezogenen, abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen und bestimmt, zum Betrieb eines Akkumulators, insbesondere eines Lithium-Ionen-Akkumulators, der eine Vielzahl von parallel und/oder in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweist. Das Verfahren sieht den Verfahrensschritt vor, einen den Ladezustand einer Batteriezelle darstellenden Wert zu messen. Die Messung erfolgt dabei für mehrere Batteriezellen, wobei für jede dieser mehreren Batteriezellen der Wert gemessen wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird für jede der mehreren Batteriezellen ihr Taktverhältnis bestimmt, abhängig von dem gemessenen Wert. Ferner sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, jede der mehreren Batteriezellen mit den übrigen Batteriezellen entsprechend ihrem bestimmten Taktverhältnis zu verbinden. Das erfindungsgemäße Verfahren behandelt die Batteriezellen des Akkumulators individuell und stellt über das Taktverhältnis sicher, dass jede der gemessenen Batteriezellen entsprechend ihrem Ladezustand mit den übrigen Batteriezellen des Akkumulators verbunden ist und so keine großen Ladungsunterschiede zwischen den Batteriezellen entstehen können.
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In einer bevorzugten Weiterbildung wird das Verfahren für sämtliche Batteriezellen des Akkumulators durchgeführt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Messung der Spannungswerte in regelmäßigen zeitlichen Abständen und/oder bei fehlender Leistungsentnahme erfolgt. Die Taktung für die Ansteuerung der Batteriezellen wird entsprechend neu bestimmt, so dass das erfindungsgemäße Verfahren sich adaptiv an Alterungserscheinungen der Batteriezellen in dem Akkumulator anpasst.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Taktverhältnis für jede der Batteriezellen derart bestimmt, dass die Dauer der Verbindung der Batteriezelle mit den übrigen Batteriezellen, bezogen auf eine Gesamttaktdauer, dem Spannungs der Batteriezelle, bezogen auf den höchsten Spannungswert aller Batteriezellen, entspricht. Bei dem vorteilhaften Verfahrensschritt wird das Taktverhältnis relativ zu dem höchsten Spannungswert aller Batteriezellen bestimmt. Dieser Ansatz geht davon aus, dass diejenigen Batteriezellen mit dem höchsten Spannungswert die maximale Leistung abgeben können und somit unterbrechungsfrei zu verbinden sind, während die übrigen Batteriezellen einen niedrigeren Spannungswert abgeben und daher nur mit einem gewissen Taktanteil, relativ zur Gesamttaktdauer, mit den übrigen Batteriezellen verbunden sind. Dem höchsten Spannungswert kann auch ein Intervall von Spannungswerten zugeordnet sein.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann das Taktverhältnis, bezogen auf einen maximalen Ladezustand, ins Verhältnis gesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Wert für den maximalen Ladezustand der Batteriezellen bei Ladebeginn, bei fehlender Leistungsentnahme und/oder in vorbestimmten zeitlichen Intervallen entsprechend angepasst.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht mehrere Batteriezellen in Reihe geschaltet, die einen Parallelpfad mit Dioden enthalten und
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2 mehrere Batteriezellen zur getakteten Verbindung, die einen mit Schaltern versehenen Parallelpfad aufweisen.
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1 zeigt einen Motor 10, der an einen Umrichter 12 angeschlossen ist. Der Umrichter 12 wird über seine Anschlüsse 14 und 16 von einem Lithium-Ionen-Akkumulator 18 gespeist. Der Lithium-Ionen-Akkumulator 18 besitzt, beispielhaft zur besseren Erläuterung der Erfindung, drei einzelne Batteriezellen 20, 22 und 24. Die Batteriezellen 20, 22, 24 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus 1 in Reihe geschaltet. Jede der Batteriezellen besitzt ihr Batteriemanagementsystem 26, 28, 30, wobei die einzelnen Batteriemanagementsysteme mit einem übergeordneten Batteriemanagementsystem 32 verbunden sind.
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Das Batteriemanagementsystem 26 misst in den Punkten A, B die Spannung des zugehörigen Batterieelements. Der gemessene Spannungswert wird an das übergeordnete Batteriemanagementsystem weitergeleitet, wo er zu den von dem Batteriemanagementsystem 28 und 30 gemessenen Spannungswerten ins Verhältnis gesetzt wird. Der so ermittelte Verhältniswert wird an das Batteriemanagementsystem 26 zurückgegeben, von wo aus er dazu verwendet wird, den Schalter 34 entsprechend dem Verhältniswert getaktet zu öffnen und zu schließen. Die Schaltelemente 36 und 38 der Batteriezellen 22 bzw. 24 werden ebenfalls anhand der gemessenen Spannung des jeweiligen Batterieelements entsprechend angesteuert.
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Sind die Schaltelemente 34, 36 und 38 geschlossen, so tragen die Batteriezellen 20, 22 und 24 in Reihe geschaltet zu der Eingangsspannung 14, 16 des Umrichters 12 bei. Ist eine der Batteriezellen schwacher, besitzt sie also eine niedrigere Spannung als die übrigen, so wird sie zeitweise durch Öffnen des Schalters 34, 36 oder 38 getrennt und trägt nicht zu der am Umrichter 12 anliegenden Spannung bei. In diesem Fall nimmt der zum Umrichter 12 fließende Strom seinen Weg über eine der in den Parallelpfaden 40, 42, 44 angeordneten Dioden 46, 48 und 50. Über die Parallelpfade und die entsprechenden Dioden wird sichergestellt, dass durch das Öffnen eines Schalters nicht die gesamte Spannungsversorgung des Umrichters 12 unterbrochen wird, sondern jede Batteriezelle einzeln getrennt werden kann.
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2 zeigt eine alternative Schaltungsanordnung für einen Lithium-Ionen-Akkumulator, bei der gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen sind. Die Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung in 1 durch die Parallelpfade 40, 42 und 44. Statt der Dioden 46, 48, 50 sind in den Parallelpfaden gemäß 2 Schaltelemente 52, 54, 56 angeordnet, die gegensinnig getaktet zu den korrespondierenden Schaltelementen der Batteriezellen geöffnet und geschlossen werden. Dies bedeutet, dass Schaltelement 52 geöffnet ist, wenn Schaltelement 34 geschlossen ist und umgekehrt. Ebenso sind die Schaltelemente 36 und 54 sowie 38 und 56 einander zugeordnet. Die Schaltungsanordnung gemäß 2 besitzt den Vorteil, dass sowohl der Endlade- als auch der Ladevorgang der Batteriezellen über eine Pulsweitenmodulation erfolgen kann.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Batteriezellen unterschiedliche chemische, physikalische und damit elektrische Eigenschaften, wie beispielsweise Kapazität und Innenwiderstand besitzen können. Um die nötige Spannung und Kapazität an den Klemmen des Lithium-Ionen-Akkumulators bereitstellen zu können, werden mehrere Batteriezellen parallel und in Reihe zusammengeschaltet. Dabei ist die Zellspannung einer Batteriezelle ein Maß für die Restkapazität der Batteriezelle. Die Batterie kann betrieben werden, bis die schwächste Zelle einen unteren Spannungsgrenzwert erreicht. Dazu prüft ein Batteriemanagementsystem die Spannung der Zellen und schaltet die einzelnen Batteriezellen ab, um Schaden zu vermeiden. Andere Batteriezellen haben zu diesem Abschaltzeitpunkt möglicherweise noch einen erheblich besseren Ladezustand. Die Erfindung vermeidet, in den Batteriezellen ein Ladungsungleichgewicht auftreten zu lassen, stattdessen wird den einzelnen Batteriezellen nur so viel Ladung entnommen, dass die Batteriezellen im Idealfall alle Zellen gleichzeitig den niedrigstmöglichen Ladezustand (State of Charge (SOC)) erreichen. Ebenso beim Ladevorgang, hier erreichen im Idealfall alle Batteriezellen gleichzeitig ihren maximalen Ladezustand.
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Um zu erreichen, dass alle Batteriezellen entsprechend ihrer Kapazität im Betrieb entladen werden, kann jeder Zelle ein Schaltelement 34, 36, 38 in Form eines Transistors zugeordnet werden und dieser mit einer Pulsweitenmodulation beaufschlagt werden, so dass eine Zelle, die beispielsweise 90% der Kapazität der leistungsfähigsten Zelle besitzt, auch nur 90% ihrer Leistung abgibt und durch eine entsprechende Taktung ihres Transistors nur zu 90% mit den übrigen Batteriezellen verbunden ist. Die Zellen mit den höchsten Spannungen werden dabei mit 100% betrieben. Um die Pulsweitenmodulation für die Batteriezellen zu ermitteln, besteht die Möglichkeit, die Spannung in den Batteriezellen kontinuierlich zu überwachen und aufgrund der gemessenen Spannung den Ladezustand der Batteriezelle abzuschätzen. Sobald die Abweichung um mehr als einen Differenzwert von der höchsten Zellspannung aller Batteriezellen abweicht, kann die Pulsweitenmodulation über den zugeordneten Transistor der Batteriezelle verringert werden. Der Zelle wird also weniger Ladung als vorher entnommen, so dass sich die Zellspannung der Zelle wieder angleicht. In einem alternativen Ansatz kann die Entladung einer Batteriezelle über einen längeren Zeitabschnitt vom Batteriemanagementsystem erfasst werden. Aus den gespeicherten Messwerten kann dann die Restkapazität der Batteriezelle und somit die Pulsweitenmodulation für die nächste Entladung ermittelt werden.
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Beim Laden des Lithium-Ionen-Akkumulators werden insbesondere bei der Schaltungsanordnung gemäß 2 die Batteriezellen ebenfalls gemäß ihrer Kapazität mit einer Pulsweitenmodulation beaufschlagt, so dass im Idealfall sämtliche Batteriezellen gleichzeitig ihren maximalen Ladezustand erreicht haben. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Batteriezellen mit einer geringeren Kapazität mit einem kleineren Ladestrom beaufschlagt werden, damit diese nicht zu stark belastet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008021090 A1 [0003]
