DE102013005104A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Auf- und Entladen eines Energiespeichers - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Auf- und Entladen eines Energiespeichers Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Auf- und Entladen eines Energiespeichers (1), der mehrere, seriell miteinander verbundene Batteriezellen (2–5) umfasst. Um ein zuverlässiges und schnelles Aufladen des Energiespeichers (1) ohne einen Zellspannungsausgleich zu ermöglichen, schlägt die Erfindung vor, dass jede Batteriezelle (2–5) des Energiespeichers (1) abschaltbar und, zur Erhaltung der Serienschaltung der Batteriezellen (2–5), mittels einer elektrisch leitenden Verbindung (14) überbrückbar ist. Dadurch kann nach dem vollständigen Aufladen einer ersten Batteriezelle (2–5) des Energiespeichers, diese Batteriezelle (2–5) abgeschaltet und die restlichen Batteriezellen (2–5) weiter aufgeladen werden. Erreicht auch eine zweite Batteriezelle (2–5) ihren vorgegebenen Ladungszustand, wird auch diese Batteriezelle (2–5) abgeschaltet und elektrisch überbrückt. Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis alle Batteriezellen (2–5) des Energiespeichers (1) ihren vorgegebenen Ladungszustand erreicht haben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auf- und Entladen eines Energiespeichers, der mehrere, seriell miteinander verbundene Batteriezellen umfasst. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung.
  • Bei Energiespeichern (Akkumulatoren), die aus mehreren, seriell miteinander verbundenen, wiederaufladbaren Batteriezellen bestehen, ist es unter anderem für die Lebensdauer des Energiespeichers wichtig, dass jede einzelne Zelle beim Aufladen des Energiespeichers weder überladen noch unterladen wird und alle Zellen möglichst den gleichen Ladezustand, und damit die gleiche Zellspannung, aufweisen. Dieses gilt insbesondere für Energiespeicher, die aus mehreren, seriell miteinander verbundenen Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien und/oder Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien bestehen.
  • In der Regel sind derartige Energiespeicher daher jeweils mit einer häufig auch als Batteriemanagement-System bezeichneten Vorrichtung verbunden, die einerseits mittels einer Ladekontrolleinrichtung den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen ständig überwacht und andererseits versucht, bei unterschiedlichen Ladezuständen der einzelnen Batteriezellen, diese auszugleichen. Dabei kann der auch als Balancing bezeichnete Ausgleich der Ladezustände der Batteriezellen durch passives oder aktives Balancing erfolgen.
  • Bei dem passiven Balancing wird diejenige Batteriezelle, die eine gegenüber den anderen Zellen höhere Spannung aufweist, zur Anpassung ihrer Zellspannung an die Zellspannungen der weiteren Batteriezellen über einen Widerstand entladen. Nachteilig ist bei dem passiven Balancing unter anderem, dass die beim Entladen frei werdende Energie in den elektrischen Widerständen in thermische Energie umgewandelt wird und damit für den Ladevorgang verloren geht.
  • Bei dem aktiven Balancing wird hingegen die Energie, die man einer Batteriezelle mit zu hoher Zellspannung entnimmt, nicht in thermische Energie umgewandelt, sondern zum Laden der anderen Zellen des Energiespeichers verwendet. Nachteilig ist bei diesem Verfahren allerdings der hohe Schaltungsaufwand, der zur Verteilung der beim Laden anfallenden Energie auf die restlichen Zellen erforderlich ist. Außerdem kann ein Ausgleich der Klemmspannungen nur bei Durchführung des Ladevorganges des gesamten Energiespeichers erfolgen. Dabei beginnt der Ausgleich frühestens, wenn mindestens eine der Zellen ihre Ladeschlussspannung erreicht hat.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Laden von Energiespeichern der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, die ein zuverlässiges und schnelles Aufladen des Energiespeichers ermöglicht, ohne dass ein Zellspannungsausgleich erforderlich ist. Ferner soll ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung beim Aufladen des Energiespeichers und ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung beim Anschluss des Energiespeichers an ein Wechselstrom-Versorgungsnetz offenbart werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Verfahren durch die Merkmale der Ansprüche 5 und 6 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
  • Die Erfindung beruht im wesentlichen auf dem Gedanken, die erfindungsgemäße Vorrichtung derart auszubilden, dass mindestens ein Teil der Batteriezellen, vorzugsweise aber alle Batteriezellen, des Energiespeichers des Serienverbundes abschaltbar sind und dass die jeweils abgeschaltete Batteriezelle mittels einer elektrisch leitenden Verbindung überbrückbar ist. Durch einen derartigen Schaltungsaufbau wird erreicht, dass nach dem vollständigen Aufladen einer ersten Batteriezelle (oder einer ersten Gruppe von Batteriezellen) des Energiespeichers, diese Zelle (oder Zellen) abgeschaltet wird (werden) und die restlichen Batteriezellen weiter aufgeladen werden können. Erreicht anschließend auch eine zweite Batteriezelle (oder Gruppe von Batteriezellen) ihren geladenen Zustand, wird (werden) auch diese Batteriezelle(n) abgeschaltet etc. Es erfolgt also eine quasi „Einzelzellenladung” des Energiespeichers.
  • Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird erreicht, dass es zu keiner unbeabsichtigten Unter- oder Überladung der einzelnen Batteriezellen kommen kann, obwohl jede der Batteriezellen vollständig geladen wird. Die gesamte Lade- und damit auch Entladekapazität des Energiespeichers ist daher deutlich höher als bei Verwendung bekannter Batteriemanagementsystemen, bei denen in der Regel die jeweils schwächste Batteriezelle die Gesamtkapazität des Energiespeichers bestimmt.
  • Zur praktischen Realisierung der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Ladegerät zur Erzeugung eines den Energiespeicher aufladenden Ladestromes und eine den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen bestimmbare Ladekontrolleinrichtung. Außerdem sind mindestens einem Teil der Batteriezellen, vorzugsweise allen Batteriezellen, des Energiespeichers jeweils eine von der Ladekontrolleinrichtung ansteuerbare, mindestens zwei Schaltzustände aufweisende erste Schalteinrichtung zugeordnet, wobei in dem ersten Schaltzustand der jeweiligen ersten Schalteinrichtung, die dieser Schalteinrichtung zugeordnete Batteriezelle seriell mit den weiteren Batteriezellen verbunden ist, und wobei in dem zweiten Schaltzustand der ersten Schalteinrichtung der Lade- oder Entladestrom durch die zugeordnete Batteriezelle unterbrochen und die Batteriezelle mittels einer elektrisch leitenden Verbindung überbrückt wird.
  • Das Ladegerät ist über eine entsprechende Verbindung von der Ladekontrolleinrichtung regelbar, derart, dass bei Überbrückung einer oder mehrerer der Batteriezellen der den Energiespeicher aufladende Ladestrom konstant bleibt, die Ladespannung hingegen sich auf einen für die verbleibende Serienschaltung der Batteriezellen optimalen Spannungswert einstellt (in der Regel wird die Ladeschlussspannung des Ladegerätes um die Klemmspannung(en) der jeweils überbrückten (d. h. geladenen) Batteriezelle(n) verringert).
  • Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine von der Ladekontrolleinrichtung ansteuerbare zweite Schalteinrichtung vorgesehen ist, die den Lade- oder Entladestrom vor dem jeweiligen Umschaltvorgang der den Batteriezellen zugeordneten ersten Schalteinrichtungen unterbricht, damit es, insbesondere bei Verwendung mechanischer Schalterelemente der Schalteinrichtung, zu keiner Funkenbildung und damit zu keiner unbeabsichtigten Zerstörung der Kontakte der Schalterelemente kommt.
  • Statt mechanischer Schalterelemente können beispielsweise auch Leistungs-Halbleiterschalter verwendet werden. Auch in derartigen Fällen kann es vorteilhaft sein, zum Umschalten der ersten Schalteinrichtungen den Lade- oder Entladestrom des Energiespeichers kurzzeitig zu unterbrechen.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Blockschaltbildern beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem aus mehreren Batteriezellen bestehenden Energiespeicher beim Ladevorgang, wobei noch keine der Batteriezellen vollständig aufgeladen ist;
  • 2 das in 1 dargestellte Blockschaltbild, wobei eine der Batteriezellen bereits ihren vorgegebenen Ladezustand erreicht hat; und
  • 3 im wesentlichen das in 1 dargestellte Blockschaltbild, wobei der aufgeladene Energiespeicher zur Energieversorgung mit einem Wechselstrom-Versorgungsnetz verbunden ist und eine der Batteriezellen bereits einen vorgegebenen Entladezustand erreicht hat.
  • In 1 ist eine Vorrichtung zum Aufladen eines mit 1 bezeichneten Energiespeichers dargestellt, der vorzugsweise zur Energieversorgung eines Wechselstrom-Versorgungsnetzes eines Gebäudes dient und durch eine Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie (beispielsweise eine Photovoltaikanlage, Windstromanlage oder Biogasanlage) aufladbar ist.
  • Der Energiespeicher 1 umfasst bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier seriell miteinander verbundene, wiederaufladbare Batteriezellen 25 (in der Praxis kann der Energiespeicher 1 beispielsweise mehr als 30 seriell geschaltete Batteriezellen umfassen) und ist durch ein mit einer regenerativen Spannungsquelle 6 (beispielsweise einer Gruppe von Solarzellen) verbundenes Ladegerät 7 aufladbar.
  • Zur Kontrolle des Ladezustandes der einzelnen Batteriezellen 25 ist eine Mikroprozessor gesteuerte Ladekontrolleinrichtung 8 vorgesehen, die über entsprechende Datenleitungen 9 mit den Batteriezellen 25 verbunden ist.
  • Jeder der Batteriezellen 25 des Energiespeichers 1 ist eine von der Ladekontrolleinrichtung 8 ansteuerbare (nur schematisch dargestellte) erste Schalteinrichtung 10 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeordnet, die mindestens ein Schalterelement 12 (beispielsweise ein Halbleiter-Schalterelement) umfasst. Dabei weist jede der ersten Schalteinrichtungen 10 zwei unterschiedliche Schaltzustände auf: In dem ersten Schaltzustand der jeweiligen ersten Schalteinrichtung 10 ist die dieser Schalteinrichtung 10 zugeordnete Batteriezelle 25 seriell mit den weiteren Batteriezellen 25 verbunden. In dem zweiten Schaltzustand der jeweils ersten Schalteinrichtung 10 wird hingegen der Lade- oder Entladestrom durch die der Schalteinrichtung 10 zugeordnete Batteriezelle 25 unterbrochen und die Batteriezelle 25 mittels einer elektrisch leitenden Verbindung 14 überbrückt.
  • Das Ladegerät 7 ist ferner über eine elektrische Leitung 15 von der Ladekontrolleinrichtung 8 regelbar, derart, dass bei Überbrückung einer oder mehrerer der Batteriezellen 25 der den Energiespeicher 1 aufladende Ladestrom zwar konstant bleibt, die Ladeschlussspannung des Ladegerätes hingegen auf einen – für die sich dann ergebende Serienschaltung der Batteriezellen 25 – neuen optimalen Spannungswert eingestellt wird.
  • Außerdem ist eine von der Ladekontrolleinrichtung 8 ansteuerbare zweite Schalteinrichtung 16 vorgesehen, die den Ladestrom während des jeweiligen Umschaltvorganges der den Batteriezellen 25 zugeordneten ersten Schalteinrichtungen 10 kurzzeitig unterbricht.
  • Nachfolgend wird näher auf das Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung beim Aufladen des Energiespeichers 1 eingegangen. Hierzu werden zunächst alle ersten Schalteinrichtungen 10 in ihren ersten Schaltzustand gebracht und das Ladegerät 7 derart eingestellt, dass es einen für diese Serienschaltung optimalen Ladestrom IL0 sowie eine der Anzahl der Batteriezellen 25 entsprechende Ladeschlussspannung erzeugt (1).
  • Bei dem sich anschließenden Ladevorgang werden der Ladezustand der einzelnen Batteriezellen 25 des Energiespeichers 1 kontinuierlich oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen mittels der Ladekontrolleinrichtung 8 automatisch gemessen und ausgewertet.
  • Stellt die Ladekontrolleinrichtung 8 fest, dass beispielsweise die Batteriezelle 3 bereits vollständig aufgeladen ist, die Batteriezellen 2, 4 und 5 hingegen noch nicht, so erzeugt die Ladekontrolleinrichtung 8 ein entsprechendes Signal, welches durch Betätigung der zweiten Schalteinrichtung 16 eine Unterbrechung des Ladestromes ILO bewirkt.
  • Außerdem erzeugt die Ladekontrolleinrichtung 8 ein Schaltsignal, welches über eine entsprechende Leitung 17 der der Batteriezelle 3 zugeordneten ersten Schalteinrichtung 10 zugeführt wird und ein Umschalten der Schalteinrichtung 10 von ihrem ersten in ihren zweiten Schaltzustand bewirkt.
  • Gleichzeitig wird die Ladeschlussspannung des Ladegerätes 7 auf einen für die verbleibenden noch seriell miteinander verbundenen Batteriezellen 2, 4 und 5 optimalen (in der Regel um die Klemmspannungen der kurzgeschlossenen Batteriezellen verminderten) Spannungswert eingestellt und diese Batteriezellen des Energiespeichers 1 dann weiter mit dem Ladestrom ILO aufgeladen (2).
  • Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis alle Batteriezellen 25 ihren vorgegebenen Ladezustand erreicht haben und der Energiespeicher 1 geladen ist.
  • Soll der geladene Energiespeicher 1 zur Energieversorgung eines Wechselstrom-Versorgungsnetzes verwendet werden, so wird er über einen von der Ladekontrolleinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ansteuerbaren Wechselrichter 18 mit dem entsprechenden Versorgungsnetz 19 verbunden (3).
  • Bei dem sich anschließenden Entladevorgang des Energiespeichers 1 befinden sich die ersten Schalteinrichtungen 10 zunächst wiederum alle in ihrem ersten Schaltzustand, und die Ladezustände der einzelnen Batteriezellen 25 des Energiespeichers 1 werden kontinuierlich oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen mittels der Ladekontrolleinrichtung 8 gemessen und überwacht.
  • Sobald die Ladekontrolleinrichtung 8 feststellt, dass eine der Batteriezellen 25 auf einen vorgegebenen Ladezustandswert abgefallen ist (bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich wiederum um die Batteriezelle 3), wird der Entladestrom, beispielsweise durch Betätigung der zweiten Schalteinrichtung 16, unterbrochen und die der entladenen Batteriezelle 3 zugeordnete erste Schalteinrichtung 10 in ihren zweiten Schaltzustand umgeschaltet. Anschließend wird der Energiespeicher 1 wieder mit dem Wechselrichter 18 verbunden und das Versorgungsnetz 19 mit dem Entladestrom der verbleibenden Batteriezellen 2, 4 und 5 versorgt. Dabei ist der Wechselrichter 18 derart aufgebaut, dass innerhalb eines vorgegebenen Eingangsspannungsbereiches die Ausgangsspannung an dem Wechselrichter 18 im wesentlichen konstant bleibt, so dass die Abschaltung der Batteriezelle 3 – und damit die Verringerung der Eingangsspannung des Wechselrichters 18 – keinen wesentlichen Einfluss auf die Ausgangsspannung des Wechselrichters 18 besitzt.
  • Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis die von dem Energiespeicher 1 durch das Abschalten von weiteren Batteriezellen noch erzeugte Spannung auf einen Wert abgesunken ist, bei dem der Wechselrichter 18 nicht mehr befriedigend arbeitet.
  • Da die Batteriezellen, die als erstes entladen werden, aus der Serienschaltung ausgekoppelt werden, nehmen sie durch Tiefentladung keinen Schaden, obwohl der Energiespeicher weiter entladen werden kann. Dadurch liefert der Energiespeicher in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mehr Leistung, als dieses bei vergleichbaren bekannten Systemen der Fall ist.
  • Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann beispielsweise bei der Energieversorgung eines Hausnetzes mittels des Energiespeichers auf die Unterbrechung des Entladestromes beim Überbrücken einer entladenen Batterie verzichtet werden, damit der Wechselrichter ständig mit dem Energiespeicher verbunden bleibt und eine kurzzeitige Unterbrechung der Stromversorgung des Hausnetzes vermieden wird.
  • Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur zum Auf- und Entladen von Energiespeichern zur Energieversorgung von Versorgungsnetzen eines Gebäudes etc. verwendet werden, sondern beispielsweise auch zum Auf- und Entladen von Energiespeichern für den Betrieb von elektromotorischen Antrieben oder batteriebetriebenen Funkgeräten etc.
  • Außerdem kann die Ladekontrolleinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie jede Batteriezelle über einen vorgegebenen Zeitraum überwacht und entsprechende Protokolle abrufbar sind, um beispielsweise eine defekte Batteriezelle rechtzeitig erneuern zu können.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Energiespeicher
    2–5
    Batteriezellen
    6
    Spannungsquelle
    7
    Ladegerät
    8
    Ladekontrolleinrichtung
    9
    Datenleitung
    10
    (erste) Schalteinrichtung
    12
    Schalterelement
    14
    Verbindung
    15
    (elektrische) Leitung
    16
    zweite Schalteinrichtung
    17
    Leitung
    18
    Wechselrichter
    19
    Versorgungsnetz
    IL0
    Ladestrom

Claims (6)

  1. Vorrichtung zum Auf- und Entladen eines Energiespeichers (1), der mehrere, seriell miteinander verbundene Batteriezellen (25) enthält, mit den Merkmalen: a) die Vorrichtung umfasst ein Ladegerät (7) zur Erzeugung eines den Energiespeicher (1) aufladenden Ladestromes und eine den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen (25) bestimmbare Ladekontrolleinrichtung (8), b) mindestens einem Teil der Batteriezellen (25) des Energiespeichers (1) sind jeweils eine von der Ladekontrolleinrichtung (8) ansteuerbare, mindestens zwei Schaltzustände aufweisende erste Schalteinrichtung (10) zugeordnet, wobei in dem ersten Schaltzustand der jeweiligen ersten Schalteinrichtung (10), die dieser Schalteinrichtung (10) zugeordnete Batteriezelle (25) seriell mit den weiteren Batteriezellen (25) verbunden ist, und wobei in dem zweiten Schaltzustand der ersten Schalteinrichtung (10), der Lade- oder Entladestrom durch die zugeordnete Batteriezelle (25) unterbrochen und die Batteriezelle (25) mittels einer elektrisch leitenden Verbindung (14) überbrückt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass allen Batteriezellen (25) des Energiespeichers (1) eine erste Schalteinrichtung (10) zugeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladegerät (7) über eine entsprechende elektrische Leitung (15) von der Ladekontrolleinrichtung (8) regelbar ist, derart, dass nach Überbrückung einer oder mehrerer der Batteriezellen (25) der den Energiespeicher (1) aufladende Ladestrom IL0 konstant bleibt, und dass die Ladespannung des Ladegerätes (7) auf einen für die sich dann ergebende Serienschaltung der Batteriezellen (25) optimalen Spannungswert einstellbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Ladekontrolleinrichtung (8) ansteuerbare zweite Schalteinrichtung (16) vorgesehen ist, die den Lade- oder Entladestrom vor dem jeweiligen Umschaltvorgang der den Batteriezellen (25) zugeordneten ersten Schalteinrichtungen (10) kurzzeitig unterbricht, damit der sich anschließende Umschaltvorgang der ersten Schalteinrichtungen (10) stromlos erfolgen kann.
  5. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung beim Aufladen des Energiespeichers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Merkmale: a) zunächst werden alle ersten Schalteinrichtungen (10) in ihren ersten Schaltzustand geschaltet und das Ladegerät (7) derart eingestellt, dass es einen für diese Serienschaltung konstanten Ladestrom und eine optimale Ladespannung erzeugt, b) bei dem sich anschließenden Ladevorgang werden der Ladezustand der einzelnen Batteriezellen (25) des Energiespeichers (1) kontinuierlich oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen mittels der Ladekontrolleinrichtung (8) gemessen, c) sobald die Ladekontrolleinrichtung (8) feststellt, dass eine der Batteriezellen (25) vollständig aufgeladen ist, wird der Ladestrom unterbrochen und dann die der geladenen Batteriezelle (25) zugeordnete erste Schalteinrichtung (10) in ihren zweiten Schaltzustand umgeschaltet, d) anschließend wird die Ladespannung des Ladegerätes (7) auf einen der neuen Serienschaltung entsprechenden optimalen Spannungswert eingestellt und mit konstantem Ladestrom IL0 dann die weiteren, seriell miteinander verbundenen Batteriezellen (25) des Energiespeichers (1) weiter aufgeladen.
  6. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung beim Anschluss des Energiespeichers (1) an ein Wechselstrom-Versorgungsnetz (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Merkmale: a) zunächst werden alle Schalteinrichtungen (10) in ihren ersten Schaltzustand geschaltet und die Vorrichtung über einen Wechselrichter (18) mit dem Wechselstrom-Versorgungsnetz (19) verbunden, b) bei dem sich anschließenden Entladevorgang des Energiespeichers (1) werden der Ladezustand der einzelnen Batteriezellen (25) des Energiespeichers (1) kontinuierlich oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen gemessen, c) sobald die Ladekontrolleinrichtung (8) feststellt, dass eine der Batteriezellen (25) auf einen vorgegebenen Ladezustandswert abgefallen ist, wird die der entladenen Batteriezelle (25) zugeordnete erste Schalteinrichtung (10) in ihren zweiten Schaltzustand umgeschaltet.
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