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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Angleichen des Innenwiderstands/der Zellspannung von in einer Lithium-Batterie vorhandenen Lithium-Batteriezellen mittels einer aktiven Temperaturregelung sowie ein System hierfür.
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Als Traktionsspeicher bzw. Energiespeicher moderner elektrisch antreibbarer Fahrzeuge (z. B. Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge) werden aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energie- und Leistungsdichte derzeit vorwiegend Lithium-Batterien (= Lithium-Akkumulatoren) verwendet.
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In derartigen Lithium-Batterien (Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien) werden Lithium-Batteriezellen (= Lithium-Batterie-Einzelzellen) in Reihe geschaltet, um die für die Traktion eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs erforderliche elektrische Spannung zu erhalten. Mehrere der so erhaltenen Batteriemodule können auch parallel zueinander geschaltet werden, um eine ausreichende Stromstärke zu gewährleisten. Derart aufgebaute Batterien werden oftmals auch als Hochvolt-Batterien (HV-Batterien) bezeichnet.
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Bei Lithium-Ionen-Batterien wird bekanntermaßen elektrische Energie mit Hilfe von Lithium-Atomen an einer negativen Elektrode und üblicherweise Übergangsmetall-Ionen an der positiven Elektrode gespeichert. In einer Lithium-Batterie kann Lithium in ionisierter Form durch einen Elektrolyten zwischen der Kathode und der Anode hin- und herwandern, wohingegen die Übergangsmetall-Ionen ortsfest sind.
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Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Polymer-Batterien unterscheiden sich hauptsächlich durch den verwendeten Elektrolyt. Basiert der Elektrolyt bei einer Lithium-Ionen-Batterie in der Regel auf einem aprotischen, flüssigen Lösungsmittel, wird bei einer Lithium-Polymer-Batterie ein Elektrolyt auf Polymerbasis verwendet, der in fester bis gelartiger Form vorliegt.
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Beim Betrieb von Lithium-Batterien müssen im Vergleich mit anderen Batterietechnologien, wie beispielsweise einer Blei-, NiCd- oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, eine sehr genaue Überwachung und Regelung der einzelnen Lithium-Batteriezellen erfolgen. Dies zum einen aufgrund von Sicherheitsaspekten und zum anderen, um eine möglichst hohe verfügbare Kapazität der Lithium-Batterie und eine möglichst lange Lebensdauer (Zyklenanzahl bei vorgebbarer entnehmbarer Kapazität) der Lithium-Batterie zu erreichen.
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Eine Lithium-Batteriezelle liefert eine Spannung im Bereich von etwa 2,0 V bis 4,3 V. Ein kritischer Wert für die sog. „Tiefentladung” wird bei einer Lithium-Ionen-Batteriezelle bei etwa 2,5 V und bei einer Lithium-Polymer-Batteriezelle bereits bei etwa 3,3 V erreicht. Diesen Zustand der Tiefentladung rückgängig zu machen, kann Stunden oder gar Tage in Anspruch nehmen. Auch kann ein Zustand der Tiefentladung eine irreversible Schädigung der Lithium-Batteriezelle verursachen.
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Wenn eine Lithium-Batteriezelle oberhalb einer durch Anoden-, Kathoden-Material und vor allem auch durch den Elektrolyt spezifizierten maximal zulässigen Ladespannung geladen wird, kann es auf der Anode zur Ablagerung einer metallischen Lithiumschicht kommen. Dieses auch als „Lithium-Plating” bezeichnete Phänomen führt zu einem Verlust an Lithium-Ionen und somit zu einer Verringerung der Kapazität der Lithium-Batterie.
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Die gravierendste Gefahr, die von Lithium-Plating ausgeht ist jedoch, dass die Ablagerung von Lithium oftmals nicht homogen über die Oberfläche der Anode verteilt stattfindet, sondern dass sich hierbei Dendriten ausbilden. Diese Dendriten, die eine große chemisch reaktive Oberfläche aufweisen, können im schlimmsten Fall von der Anode durch den Separator bis hin zur Kathode wachsen und so einen Kurzschluss zwischen den Elektroden verursachen. Dieser Zustand kann zu einer Selbstentzündung oder gar Explosion der Lithium-Batterie führen (sog. „Thermal Runaway”).
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Auch führt eine überhöhte Ladespannung zum Zerfall des in der Lithium-Batteriezelle enthaltenen Elektrolyten und zur Gasbildung, so dass sich Zellenventile öffnen müssen oder es zu einer Aufblähung der Zellen kommt.
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Vor diesem Hintergrund ist unter den verschiedenen oben angesprochenen Gesichtspunkten eine Überwachung der Lithium-Batteriezellen in Bezug auf ihre Spannung, die fließende Strommenge und auch die Temperatur erforderlich.
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Bei den in einem Traktionsspeicher in Reihe geschalteten Lithium-Batteriezellen fließt bei einer Entladung oder Ladung der gesamte elektrische Strom durch alle Lithium-Batteriezellen. Die einzelnen Lithium-Batteriezellen einer Lithium-Batterie können je nach Anfangszustand und Umgebungsbedingungen jedoch eine(n) unterschiedliche(n) Innenwiderstand/Zellspannung aufweisen und sich somit unterschiedlich rasch entladen. Dies führt dazu, dass sich beispielsweise unterschiedlich hohe (Leerlauf)Spannungen bei den einzelnen Lithium-Batteriezellen einstellen.
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Ursache hierfür kann beispielsweise ein nicht 100%-ig gleicher chemischer und/oder physikalischer Zustand der verschiedenen Lithium-Batteriezellen sein. Diese unterschiedlichen Zustände können unter anderem verursacht sein durch leicht voneinander abweichende Bedingungen bei der bzw. Materialien/Komponenten für die Herstellung der Lithium-Batteriezellen, einem unterschiedlicher Verlauf der Alterungsvorgänge bei den einzelnen Lithium-Batteriezellen, etc.
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Da, wie oben ausgeführt wurde, eine Überladung einer Lithium-Batteriezelle auf jeden Fall verhindert werden muss und bei einem Laden von mehreren in Reihe geschalteten Lithium-Batteriezellen der gesamte Ladestrom durch alle Lithium-Batteriezellen fließt, bestimmt die Lithium-Batteriezelle mit der höchsten Leerlaufspannung gleichzeitig die maximale Strommenge, die zum Laden einer HV-Batterie verwendet werden darf. Erreicht die Lithium-Batteriezelle mit der höchsten Leerlaufspannung ihre Ladeschlussspannung, muss das Laden beendet werden, unabhängig davon, ob andere Lithium-Batteriezellen bereits vollgeladen sind oder nicht.
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Im umgekehrten Fall einer Entladung der Lithium-Batterie bestimmt die Lithium-Batteriezelle mit der niedrigsten Spannung die Strommenge, die aus der Lithium-Batterie entnommen werden darf. Hat die Lithium-Batteriezelle mit der niedrigsten Spannung ihre Entladeschlussspannung erreicht, muss das Entladen beendet werden, damit die Lithium-Batteriezelle mit der niedrigsten Spannung nicht tiefentladen wird.
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Damit ergibt sich das Problem, dass bei Lithium-Batterien mit in Reihe geschalteten Lithium-Batteriezellen, die unterschiedliche Spannungen aufweisen, zum einen ein Teil der Lithium-Batteriezellen nicht vollständig aufgeladen werden kann, so dass die theoretisch mögliche Maximal-Kapazität der Batterie nicht erreicht wird. Und zum anderen kann ein Teil der Lithium-Batteriezellen nicht bis zu ihrer Entladeschlussspannung entladen werden, wodurch nur ein Teil der tatsächlich zur Verfügung stehenden Kapazität genutzt werden kann.
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Vor diesem Hintergrund sind Verfahren und Vorrichtungen zum Angleichen der Spannungen der Lithium-Batteriezellen einer Lithium-Batterie entwickelt worden. Durch ein Angleichen (auch ”Balancing” genannt) der Lithium-Batteriezellen wird erreicht, dass sämtliche Lithium-Batteriezellen die gleiche Spannung aufweisen.
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Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Zellangleichung bekannt, wie Ladeverfahren, aktive und passive Verfahren. So wird beispielsweise bei dem Verfahren mittels einer Ladestrom-Nebenschlussschaltung Ladestrom an einer Lithium-Batteriezelle vorbeigeleitet, sobald diese vollständig geladen ist. Bei aktiven Verfahren wird mittels einer entsprechend eingerichteten Steuerschaltung Strom von einer ausgewählten Lithium-Batteriezelle entnommen, zwischengespeichert und dann zu einer anderen Lithium-Batteriezelle geleitet. Hierbei wird oftmals ein sog. „Flying Capacitor” verwendet, wie beispielsweise in der
US 2011/0221398 A1 beschrieben ist.
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Da Ladeverfahren und aktive Verfahren vergleichsweise aufwändig zu realisieren sind, wird für einen Zellausgleich häufig auf passive Verfahren zurückgegriffen. Hierbei wird beispielsweise je ein hochohmiger Widerstand parallel zu jeder Lithium-Batteriezelle geschaltet und durch ihn so lange Ladung aus den Lithium-Batteriezellen geleitet, bis alle Lithium-Batteriezellen die Spannung bzw. den State-of-Charge (SoC) der „schlechtesten” Lithium-Batteriezelle aufweisen.
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Wenn beispielsweise der Widerstand so gewählt wird, dass nur ein vergleichsweise kleiner Strom fließt, können die physikalische Größe des Widerstands und die Schaltleistung klein gewählt sein. Hierdurch sind passive Verfahren die einfachste und preiswerteste Möglichkeit für eine Zellangleichung. Nachteilig ist jedoch der damit verbundene Energieverlust, da die ausgeglichene Ladung nicht genutzt werden kann. Darüber hinaus ist dieses Verfahren nicht während einer Belastung der HV-Batterie anwendbar.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren und eine vorteilhafte Vorrichtung für eine Zellangleichung bereit zu stellen, mit dem wenigstens ein Teil der Nachteile des Stands der Technik überwunden werden können. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie das System gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Angleichen des Innenwiderstands/der Zellspannung von in einer Lithium-Batterie vorhandenen Lithium-Batteriezellen während einer Belastungsphase der Lithium-Batterie vorgeschlagen, wobei die Lithium-Batterie wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen, eine Vorrichtung zum Überwachen der elektrischen Spannung einer jeden Lithium-Batteriezelle und eine Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur der wenigstens zwei in der Lithium-Batterie vorhandenen Lithium-Batteriezellen aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- (a) Erfassen der Spannung einer jeden Lithium-Batteriezelle mittels der Vorrichtung zum Überwachen der elektrischen Spannung,
- (b) Berechnen der Differenz zwischen der Spannung der Lithium-Batteriezelle mit der höchsten elektrischen Spannung und der Spannung der wenigstens einen weiteren Lithium-Batteriezelle,
- (c) Verändern der Temperatur von wenigstens einer der Lithium-Batteriezellen um einen vorgebbaren Wert in Abhängigkeit von der berechneten Spannungsdifferenz mittels der Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass der Ladezustand von Lithium-Batteriezellen, insbesondere auch bei hart parallel geschalteten Hochvolt-Lithium-Ionen-Traktionsbatterien, aktiv angeglichen werden kann, ohne dass zusätzliche elektrische Komponenten verbaut werden müssten. Mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen aktiven Temperaturregelung kann der Innenwiderstand/die Zellspannung der Lithium-Batteriezellen auf einfache und effiziente Weise beeinflusst werden. Auch ist das Verfahren während einer Belastung der Lithium-Batterie anwendbar.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verändern der Temperatur eine Erniedrigung der Temperatur der Lithium-Batteriezelle mit der höchsten elektrischen Spannung und/oder eine Erhöhung der Temperatur von wenigstens einer Lithium-Batteriezelle mit einer im Vergleich zu der Lithium-Batteriezelle mit der höchsten elektrischen Spannung niedrigeren Spannung.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Abfolge der Schritte (a) bis (c) nach vorgebbaren Zeitabständen wiederholt.
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Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Veränderung der Temperatur derart begrenzt, dass die Soll-Temperatur(en) für die Lithium-Batteriezellen nicht überschritten wird/werden. Ebenso ist es von Vorteil, wenn die Veränderung der Temperatur derart begrenzt wird, dass die Temperatur der Lithium-Batteriezellen um nicht mehr als 5°C, bevorzugt um nicht mehr als 3°C voneinander abweichen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiter bei einer Veränderung der Temperatur für die in einem Batteriemodul vorhandenen Lithium-Batteriezellen eine gleiche Temperatur eingestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein System zum Angleichen des Innenwiderstands/der Zellspannung von in einer Lithium-Batterie vorhandenen Lithium-Batteriezellen während einer Belastungsphase der Lithium-Batterie. Das System umfasst wenigstens eine Lithium-Batterie, die wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen aufweist, eine Vorrichtung zum Überwachen der elektrischen Spannung einer jeden Lithium-Batteriezelle und eine Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur der wenigstens zwei in der Lithium-Batterie vorhandenen Lithium-Batteriezellen. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur eine Einrichtung zum unterschiedlichen Temperieren der wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen aufweist und das System eine Steuereinrichtung aufweist, mittels der das System das erfindungsgemäße Verfahren oder eine seiner vorteilhaften Weiterbildungen durchzuführen vermag.
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Bei dem erfindungsgemäßen System kann die Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur eine Einrichtung zum unterschiedlich starken Leiten eines Kühl- oder Kältemittels zu den wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen aufweisen. Weiter kann bei dem erfindungsgemäßen System die Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur wenigstens ein Drehschieberventil zum unterschiedlich starken Leiten eines Kühlmittels oder Kältemittels zu den wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen aufweisen.
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Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Systems ergeben sich aus der Offenbarung des erfindungsgemäßen Verfahrens, seiner vorteilhaften Weiterbildungen sowie der nachfolgend offenbarten Ausführungsbeispiele.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Darstellungen in der Figur sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht.
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Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
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Wie in der Figur gezeigt, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Schritt 51 die Spannung einer jeden Lithium-Batteriezelle mittels der Vorrichtung zum Überwachen der elektrischen Spannung erfasst.
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Viele Lithium-Batterien, beispielsweise solche, die als Traktionsbatterien von elektrisch antreibbaren Fahrzeugen (z. B. Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge) vorgesehen sind bzw. verwendet werden, sind mit einem sogenannten Batterie-Management-System versehen bzw. damit verbunden. Aufgabe des Batterie-Management-Systems ist es unter anderem, die Zustände der Lithium-Batteriezellen zu überwachen, d. h. die Spannung einer jeden Lithium-Batteriezelle zu messen sowie den Stromfluss und die Temperatur der Lithium-Batterie, etc. zu überwachen und/oder zu regeln.
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Daher stehen bei vielen Lithium-Batterien die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen Daten bereits serienmäßig zu Verfügung, so dass insoweit für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine weiteren Komponenten erforderlich sind.
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Wie in der Figur weiter gezeigt ist, erfolgt in einem Schritt S2 das Berechnender Differenz zwischen der Spannung der Lithium-Batteriezelle mit der höchsten elektrischen Spannung und der Spannung der wenigstens einen weiteren Lithium-Batteriezelle.
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Diese Berechnung kann durch jede geeignete Recheneinrichtung vorgenommen werden, und diese Recheneinrichtung kann beispielsweise in ein Batterie-Management-System integriert sein, oder eine hiervon getrennte Recheneinrichtung sein.
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Durch die Berechnung kann festgestellt werden, ob und wenn ja wie groß die Spannungsdifferenz zwischen den wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen ist.
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Danach erfolgt, wie ebenfalls in der Figur dargestellt ist, in einem Schritt S3 ein Verändern der Temperatur von wenigstens einer der Lithium-Batteriezellen um einen vorgebbaren Wert in Abhängigkeit von der berechneten Spannungsdifferenz mittels der Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur.
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Wird keine Spannungsdifferenz festgestellt, weisen also die wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen die gleiche Spannung auf, erfolgt keine Veränderung der Temperatur der wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen.
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In einem solchen Fall kann man davon auszugehen, dass die wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen den gleichen oder doch einen sehr ähnlichen Innenwiderstand aufweisen und somit ein Lade- oder Entladevorgang bei den wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen in gleicher bzw. paralleler Weise erfolgt, wobei sich auch die Spannungen der wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen in gleicher Weise verändern.
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Damit können die wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen jeweils bis zu ihrer maximalen Kapazität geladen werden, ohne dass bei einer der Lithium-Batteriezellen deren Ladeschlussspannung überschritten würde bzw. erfolgt ein Entladen der wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen derart, dass die wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen im Wesentlichen gleichzeitig ihre Entladeschlussspannung erreichen.
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Wird eine Differenz der Spannungen der wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen ermittelt, erfolgt im Schritt S3 ein Verändern der Temperatur von wenigstens einer der Lithium-Batteriezellen derart, dass eine Angleichung der Zellspannungen der Lithium-Batteriezellen bzw. deren Innenwiderstände erreicht wird.
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Ein Wert für den Innenwiderstand einer Lithium-Batteriezelle kann auf Grundlage der gemessenen Zellspannung, der Anzahl an in Reihe geschalteten Lithium-Batteriezellen und des gesamten fließenden elektrischen Stroms ermittelt werden. Durch Division des Werts des gesamten fließenden elektrischen Stroms durch die Anzahl an in Reihe geschalteten Lithium-Batteriezellen erhält man die Strommenge, die auf eine Lithium-Batteriezelle „entfällt”. Diese Strommenge geteilt durch die jeweils gemessene Zellspannung ergibt einen Anhaltswert für den Innenwiderstand einer jeden Lithium-Batteriezelle.
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Bekanntermaßen ändert sich die Zellspannung bzw. der Innenwiderstand von Lithium-Batteriezellen in Abhängigkeit von der Zelltemperatur derart, dass bei einer niedrigeren Temperatur eine niedrigere Zellspannung bzw. ein höherer Innenwiderstand gegeben ist als bei einer höheren Temperatur. Bei Kälte laufen die chemischen Prozesse innerhalb einer Lithium-Batteriezelle langsamer ab. Hierdurch erhöht sich der Innenwiderstand von Lithium-Batteriezellen und erniedrigt sich die abgebbare Leistung.
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Da nun bekannt ist bzw. durch einige wenige Versuche herausgefunden werden kann, welche Charakteristik eine Lithium-Batteriezelle bzw. ein bestimmter Typ von Lithium-Batteriezelle bei verschiedenen Temperaturen in Bezug auf Zellspannung bzw. Innenwiderstand aufweist, kann das Phänomen der Temperaturabhängigkeit von Zellspannung bzw. Innenwiderstand erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, die Zustände verschiedener Lithium-Batteriezellen innerhalb einer Lithium-Batterie einander anzugleichen.
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Beispielsweise kann die Temperatur der Lithium-Batteriezelle mit der höchsten elektrischen Spannung erniedrigt und/oder die Temperatur von wenigstens einer Lithium-Batteriezelle mit einer im Vergleich zu der Lithium-Batteriezelle mit der höchsten elektrischen Spannung niedrigeren Spannung erhöht werden. Weist die Lithium-Batterie bzw. weisen die Lithium-Batteriezellen der Lithium-Batterie bereits eine vergleichsweise hohe Temperatur in der Nähe ihrer maximalen Soll-Temperatur auf, so kann beispielsweise eine Erniedrigung der Temperatur der Lithium-Batteriezelle mit der höchsten elektrischen Spannung gewählt werden. Weist die Lithium-Batterie bzw. weisen die Lithium-Batteriezellen der Lithium-Batterie eine Temperatur deutlich unterhalb der ihrer maximalen Soll-Temperatur auf, kann beispielsweise eine Erhöhung der Temperatur von wenigstens einer Lithium-Batteriezelle mit einer im Vergleich zu der Lithium-Batteriezelle mit der höchsten elektrischen Spannung niedrigeren Spannung gewählt werden.
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Hierzu ist es selbstverständlich erforderlich, dass die Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur dazu eingerichtet ist, die verschiedenen Lithium-Batteriezellen einer Lithium-Batterie unterschiedlich stark zu kühlen bzw. zu temperieren. Da in herkömmlichen Lithium-Batterien, die beispielsweise für Traktionszwecke vorgesehen sind, bereits eine Temperaturüberwachung und -regelung für die einzelnen in einer Lithium-Batterie vorhandenen Batteriemodule (die jeweils mindestens zwei Lithium-Batteriezellen, häufig eine größere Anzahl an Lithium-Batteriezellen, z. B. zwischen 8 und 20 Lithium-Batteriezellen, enthalten) vorhanden ist, kann diese auf einfache Weise in das erfindungsgemäße Verfahren eingebunden werden. Mittels einer geeigneten Steuer- und Regeleinrichtung, die beispielsweise ein Drehschieberventil umfassen kann, kann ein unterschiedlich starkes Leiten eines Kühl- oder Kältemittels zu den jeweiligen Batteriemodulen bewirkt werden.
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Da hierbei keine individuelle Änderung der Temperatur einer einzelnen Batteriezelle erreicht werden kann, kann bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ein möglichst optimaler Mittelwert für die Temperatur der einzelnen Batteriemodule in Abhängigkeit von der gemessenen Zellspannung der in einem jeden Batteriemodul vorhandenen Lithium-Batteriezellen gewählt werden.
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Selbstverständlich ist es erfindungsgemäß auch möglich und vorgesehen, eine Anpassungsmöglichkeit für die Temperatur einer jeden einzelnen Lithium-Batteriezelle einer Lithium-Batterie vorzusehen. Hierfür sind lediglich eine individuelle Temperaturüberwachung und eine individuell regelbare Temperierungsmöglichkeit für jede Lithium-Batteriezelle erforderlich. Die Frage, ob der damit verbundene, erhöhte konstruktive Aufwand in Kauf genommen werden soll, kann je nach Verwendungszweck der Lithium-Batterie, der erzielbaren Vorteile und der mit der „Individualisierung” verbundenen Kosten eine unterschiedliche Antwort erfahren.
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Erfindungsgemäß kann selbstverständlich jedes geeignete Verfahren und jede geeignete Vorrichtung zum individuellen Temperieren von einzelnen Lithium-Batteriezellen oder von mehreren ein einem Batteriemodul zusammengefassten Lithium-Batteriezellen angewandt bzw. verwendet werden.
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Es ist in der Regel von Vorteil, wenn die Abfolge der Schritte (a) bis (c) nach vorgebbaren Zeitabständen in einem Schritt S4 wiederholt wird, damit eine (quasi) kontinuierliche oder doch zeitnahe Überwachung und gegebenenfalls Veränderung der Zelltemperatur der Lithium-Batteriezellen erfolgen kann. Für die Zeitabstände gibt es keine besonderen Beschränkungen und es können alle geeigneten Zeitabstände gewählt werden (z. B. 1 s, 5 s, 10 s, 15 s, 20 s, 25 s, 30 s, 40 s, 50 s, 60 s, etc.).
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Selbstverständlich sollte auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren darauf geachtet werden, dass Soll-Temperatur(en) für die Lithium-Batteriezellen nicht überschritten wird/werden. Daher ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Veränderung der Temperatur entsprechend begrenzt wird. Weiter kann in vorteilhafter Weise die Veränderung der Temperatur derart begrenzt werden, dass die Temperatur der Lithium-Batteriezellen um nicht mehr als 5°C, bevorzugt um nicht mehr als 3°C voneinander abweichen. In aller Regel können voneinander abweichende Zellspannungen bzw. Innenwiderstände der einzelnen Lithium-Batteriezellen durch eine Veränderung der Temperatur der betroffenen Lithium-Batteriezellen im oben erwähnten Temperaturbereich einander in zumindest ausreichender Weise angenähert werden.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch System zum Angleichen des Innenwiderstands/der Zellspannung von in einer Lithium-Batterie vorhandenen Lithium-Batteriezellen während einer Belastungsphase der Lithium-Batterie, mit einer Lithium-Batterie, die wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen aufweist, einer Vorrichtung zum Überwachen der elektrischen Spannung einer jeden Lithium-Batteriezelle und einer Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur der wenigstens zwei in der Lithium-Batterie vorhandenen Lithium-Batteriezellen. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur eine Einrichtung zum unterschiedlichen Temperieren der wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen aufweist und das System eine Steuereinrichtung aufweist, mittels der das System das erfindungsgemäße Verfahren, eine seiner vorteilhaften Weiterbildungen oder Ausführungsbeispiele durchzuführen vermag.
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Bei dem System weist die Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur bevorzugt eine Einrichtung zum unterschiedlich starken Leiten eines Kühl- oder Kältemittels zu den wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen auf, wobei die Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Temperatur weiter bevorzugt wenigstens ein Drehschieberventil zum unterschiedlich starken Leiten eines Kühlmittels oder Kältemittels zu den wenigstens zwei Lithium-Batteriezellen aufweist.
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Weitere von der vorliegenden Erfindung umfasste Ausgestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Systems ergeben sich aus der obigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Da einem Fachmann die für das erfindungsgemäße System geeigneten und/oder erforderlichen Komponenten und deren Zusammenwirken bekannt ist, braucht hier nicht näher darauf eingegangen zu werden.
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Sofern in der vorliegenden Anmeldung von einer „Belastungsphase” gesprochen wird, ist hierunter entweder ein Entladen einer Lithium-Batterie durch wenigstens einen elektrischen Verbraucher oder ein Laden einer Lithium-Batterie zu verstehen. Das Laden der Batterie kann beispielsweise durch einen Anschluss der Lithium-Batterie an das Stromnetz oder eine Ladestation erfolgen, aber auch durch die Rückgewinnung von Energie während des Betriebs einer Vorrichtung, beispielsweise bei Rekuperations-Vorgängen, wie etwa der Verwendung von rekuperativen Bremsen in Fahrzeugen.
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Sofern in der vorliegenden Anmeldung der Begriff „Batterie” oder „Batterien” verwendet wird, sind darunter wieder aufladbare Energiespeicher zu verstehen.
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Durch die vorliegende Erfindung kann der Ladezustand von Hochvolt-Lithium-Ionen-Traktionsbatterien, insbesondere auch von hart parallel geschalteten Hochvolt-Lithium-Ionen-Traktionsbatterien aktiv angeglichen werden, ohne dass zusätzliche elektrische Komponenten im Antrieb verbaut werden müssen.
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Lithium-Batteriezellen können sich je nach Anfangszustand und Umgebungsbedingungen unterschiedlich entladen. Ein Ausgleich der unterschiedlichen Ladungszustände wird nach dem Stand der Technik oftmals passiv und unter Verwendung von zusätzlichen Komponenten, wie z. B. einem Balancing-Widerstand, erreicht. Dies ist aufgrund des damit verbundenen Energieverlusts nachteilig.
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Mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen aktiven Temperaturregelung der einzelnen Lithium-Batteriezellen oder von wenigstens den einzelnen Batteriemodulen einer Lithium-Batterie kann der Innenwiderstand/die Zellspannung der Lithium-Batteriezellen beeinflusst werden. Dies ist vergleichsweise einfach durch individuelle Ansteuerung des Kühlkreislaufs zu erreichen oder beispielsweise mittels eines Drehschieberventils, welches den Volumenstrom des Kühl- oder Kältemittels wie erforderlich auf die Lithium-Batteriezellen oder wenigstens die einzelnen Batteriemodule verteilt.
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Durch die vorliegende Erfindung kann das Lade- bzw. Entladeverhalten der einzelnen Lithium-Batteriezellen oder von wenigstens der einzelnen Batteriemodule aktiv beeinflusst werden und somit State-of-Charge-Unterschiede während der Belastung der Lithium-Batterie ausgeglichen werden.
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Durch die vorliegende Erfindung kann eine höhere nutzbare Energie der Lithium-Batterie erreicht werden sowie eine bessere Ausnutzung und ein besserer Belastungsausgleich zwischen mehreren Lithium-Batteriezellen und/oder zwischen mehreren Batteriemodulen einer Lithium-Batterie, beispielsweise einer Lithium-Traktionsbatterie.
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Bezugszeichenliste
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- S1
- erster Verfahrensschritt
- S2
- zweiter Verfahrensschritt
- S4
- dritter Verfahrensschritt
- S4
- vierter Verfahrensschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0221398 A1 [0018]
