DE102013207187B4

DE102013207187B4 - Zeitgesteuerter Ladungsausgleich bei Batteriesystemen

Info

Publication number: DE102013207187B4
Application number: DE102013207187.6A
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: US20140312846A1; DE102013207187A1; US9368978B2

Abstract

Verfahren zum Ladungsausgleich parallel zu schaltender Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) eines Batteriemoduls (10) mit nachfolgenden Verfahrensschritten:a) Kontaktierung der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) an deren Terminals (30, 32) und Messung von Ruhespannungen der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22),b) Ermittlung von Kapazitäten (52, 54, 60, 64) und Innenwiderständen (56, 58, 62, 66) der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) zur Bestimmung einer erforderlichen Zeitdauer für den Ladungsausgleich, wobei die erforderliche Zeitdauer des Ladungsausgleichs aus den Ruhespannungen, den Innenwiderständen (56, 58, 62, 66), den Kapazitäten (52, 54, 60, 64) der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) gemäß eines physikalischen Modells berechnet wird und/oder gemäß einer Differentialgleichung erster Ordnung auf vereinfachte Weise bestimmt wird, die auf eine Exponentialfunktion erster Ordnung zurückführbar ist, deren Zeitkonstante durch einen funktionalen Zusammenhang elektrischer Parameter gegeben ist,c) paarweises, niederohmiges Kurzschließen (46) der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) und Durchführen des Ladungsausgleichs über die Innenwiderstände (56, 58, 62, 66) der paarweise kurzgeschlossenen Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22),d) Beenden der Kontaktierung nach der gemäß Verfahrensschritt b) ermittelten Zeitdauer unde) Herstellen der Parallelschaltung zwischen den Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) durch Befestigung von Verbindungslaschen (24, 26) auf den jeweiligen Terminals (30, 32) der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22).

Description

Stand der Technik
DE 10 2004 032 535 A1 betrifft einen Batteriepack. Der Batteriepack umfasst mehrere wiederaufladbare Einzelzellen, die parallel zueinander geschaltet sind. Es ist vorgesehen, dass die Einzelzellen derart ausgebildet oder gewählt sind, dass ihr Innenwiderstand R_i mit abnehmendem Ladezustand ansteigt. Zur Vermeidung von Verdrahtungs-, Überwachungs- und Außerbetriebssetzungsaufwandes einzelner nicht balancierter Zellen während der Entlade- und/oder Ladevorgänge parallel zueinander verschalteter Zellstränge, sind in einem Batteriepack Lithium-lonenzellen mit solchen Einzelzellen aufzunehmen, deren Innenwiderstand R_i mit abnehmendem Ladezustand der Einzelzelle ansteigt, bei einem Ladezustand von ca. 80% minimal wird und mit zunehmendem Ladezustand wieder ansteigt und mit seiner wannenförmigen Kennlinie eine entgegensteuernde Wirkung für ein weiteres Auseinanderlaufen der Ladezustände besitzt. Mit einer angeschlossenen Begrenzungsschaltung wird das Batteriepack auf einem Spannungsbereich zwischen 7,5 V bis 12,6 V gehalten, der größer ist als die Summe der Minimalbetriebsspannung in Reihe geschalteter Einzelzellen.
DE 10 2008 002 179 A1 bezieht sich auf einen elektrischen Energiespeicher. Dieser enthält mehrere identische Speicherelemente, wobei wenigstens zwei Stränge von seriell verschalteten Speicherelementen vorliegen und die Stränge parallel verschaltet sind. Die Parallelverschaltung liegt an mehreren Stellen der Stränge vor, wobei jeder Strang zumindest zwei Speicherelemente aufweist und zur Parallelverschaltung der Stränge zumindest ein aktives oder passives Bauelement eingesetzt wird. Weil eine Reihenschaltung in der Regel zur Erhöhung der Gesamtkapazität und zur Verbesserung der Stromlieferfähigkeit nicht ausreicht, jedoch eine diesbezüglich zweckmäßige Parallelschaltung von Einzelzellen zur Entstehung von Ungleichmäßigkeit der Zellspannung zwischen parallel liegenden Zellen gleicher Ebene führt, müssen die Einzelzellen ausgeglichen werden. Auf jeder dieser Ebenen ist nach DE 10 2008 002 179 A1 ein Ladungsausgleich entweder über einen passiven Widerstand oder über einen schaltbaren Feldeffekttransistor möglich, der niederohmig überbrücken oder hochohmig trennen kann. Eine Zeitvorgabe t_L für den Ausgleich der Streuung o'(C) der Kapazität und der Spannungsdifferenz ΔU_P von 0,1 V bis 0,5 V beträgt für einen festen Widerstand Li-Zelle 0,04 bis 0,07 Ω: t_L = R*σ(C)/ΔU_P. Für einen Ausgleich in 10 min hat dieser bei 0,8 Ω zu liegen.
Aus DE 10 305 638 A1 ist eine Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie bekannt. Eine Mess-Einrichtung misst dabei eine Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf in einem bestimmten Zyklus nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs der Batterie, und eine Erfassungs-Einrichtung erfasst die gemessene Anschluss-Spannung. Eine Berechnungs-Einrichtung berechnet einen Spannungswert, an den sich ein Exponential-Approximationsausdruck im Funktionsverlauf asymptotisch annähert, als eine angenommene Leerlaufspannung für die jeweilige Zeitperiode von der erfassten Anschluss-Spannung, wobei der Exponential-Approximationsausdruck einen Exponenten von -0,5 oder ungefähr -0,5 aufweist und auf der Basis der Anschluss-Spannung der jeweiligen Zeitperiode einer Mehrzahl von vorbestimmten Zeitperioden ermittelt wird. Die angenommene Leerlaufspannung einer Zeitperiode, bei der die Differenz von der angenommenen Leerlaufspannung einer angrenzenden Zeitperiode minimal wird, wird als eine Leerlaufspannung ermittelt.
In DE 10 341 188 A1 ist eine Batterieanordnung zum Anschluss an eine elektrische Last beschrieben, die mehrere parallel geschaltete Batteriestränge umfasst, die jeweils aus mehreren in Reihe geschalteten galvanischen Zellen aufgebaut sind. Dabei ist jedem Batteriestrang eine Messeinheit zur Schätzung des Ladezustands zugeordnet, die Werte zur Ermittlung des Ladezustands des Batteriestrangs misst. Eine Auswerte- und Steuereinheit ist mit den Messeinheiten zur Schätzung des Ladezustands verbunden und wertet die gemessenen Werte aus. Zusätzlich sind mehrere Schalter jeweils zwischen einem der Batteriestränge und der elektrischen Last und jeweils zwischen einem der Batteriestränge und der Batterieladevorrichtung angeordnet.
DE 10 2004 032 535 A1 beschreibt einen Batteriepack mit mehreren, wiederaufladbaren Einzelzellen, die parallel zueinander geschaltet sind. Die Einzelzellen sind dabei derart ausgebildet oder gewählt, dass ihr Innenwiderstand (Ri) mit abnehmendem Ladezustand (Lz) ansteigt. Mit einer angeschlossenen Begrenzungsschaltung wird hierbei das Batteriepack auf einen Spannungsbereich begrenzt, der größer ist als die Summe der minimalen Betriebsspannungen der in Reihe geschalteten Einzelzellen.
US 2001 054 877 A1 beschreibt eine Ladungsausgleichsvorrichtung für eine Energiespeichereinheit, die eine Restladung jeder Zelleneinheit der Energiespeichereinheit ausgleicht, welche eine Vielzahl von gruppierten Zellen enthält.
Bei der Fertigung von Anordnungen, die eine Parallelschaltung von Batteriezellen aufweisen, ergibt sich folgendes technisches Problem: Weisen die Batteriezellen geringfügig voneinander abweichende Ladezustände auf, so fließen bei Auflegen der Zellverbinder, in der Regel ausgebildet als flache Verbindungslaschen aus Kupfer- oder Aluminiummaterial, sehr hohe Ausgleichsströme. Das Fließen dieser Ausgleichsströme betrifft sowohl geschraubte als auch stoffschlüssige Verbindungen. Ursache hierfür ist, dass sich unterschiedliche Urspannungen der Batteriezellen über deren sehr niedrige Innenwiderstände entladen. Beispielhaft sei für eine Lithium-lonen-Batteriezelle erwähnt, dass eine 60 Ah-Batteriezelle im Bereich mittlerer Ladezustände bei Raumtemperatur für kurzzeitige Pulsbelastungen einen Innenwiderstand in der Größenordnung von 300 µΩ aufweist. Haben die Batteriezellen zum Zeitpunkt der Fertigung der Batterie eine Differenz im Ladezustand von ± 2,5%, führt dies zu Unterschieden in der Spannung im Bereich von bis zu 150 mV. Werden die Zellverbinder zur Herstellung einer Parallelverbindung bei zwei grenzlagigen Zellen aufgesetzt, begeben sich Ausgleichsströme in der Größenordnung von 250 A. Dies kann bei der Fertigung u.a. zu erheblicher Funkenbildung an den Anschlussterminals führen, die im Fertigungsablauf aus Sicherheitsgründen zu vermeiden sind.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren für einen Ladungsausgleich von parallel zu schaltenden Batteriezellen vorgestellt, wobei zunächst eine Kontaktierung der Batteriezelle an deren Terminals und eine Messung von Ruhespannungen der Batteriezellen erfolgt. Danach werden Kapazitäten und Innenwiderstände der Batteriezellen ermittelt, woraus eine Bestimmung einer erforderlichen Zeitdauer für die Durchführung eines Ladungsausgleichs durchgeführt wird.
Die Bestimmung der erforderlichen Zeitdauer zur Durchführung des Ladeausgleichvorgangs wird aus Parametern, wie Spannungen der Batteriezellen, Innenwiderstände der Batteriezellen sowie deren Kapazitäten, ermittelt. Die Ermittlung der erforderlichen Zeitdauer erfolgt mithilfe eines physikalischen Modells, mit dem der zeitliche Ablauf des Ladungsausgleichs beschrieben werden kann. Nähere Ausführungen hierzu sind der Beschreibung von 3 zu entnehmen. Sollte sich herausstellen, dass bei parallel zu schaltenden Batteriezellen lediglich geringe Ladungszustandsunterschiede auftreten, so kann eine vereinfachte Ermittlung der erforderlichen Zeitdauer zur Durchführung des Ladungsausgleiches vorgenommen werden. Im Rahmen dieser Vereinfachung lässt sich der Ausgleichsvorgang insbesondere als Entladung eines Kondensators einer der Batteriezellen und ein damit verbundenes Laden eines Kondensators einer jeweils anderen parallel zu schaltenden Batteriezelle über die jeweiligen Innenwiderstände der Batteriezellen modellieren. Mit diesem Modell lässt sich der Ausgleichsvorgang durch eine Differentialgleichung erster Ordnung abbilden, die auf eine Exponentialfunktion erster Ordnung zurückgeführt werden kann. In dieser Exponentialfunktion ist die Zeitkonstante eine Funktion elektrischer Parameter, wie beispielsweise des Widerstandes, der Induktivität und der Kapazität. Über diese kann die erforderliche Zeitdauer, um die Ruhespannungen der beiden miteinander zu verbindenden Batteriezellen unter einen vorgegebenen Grenzwert abzusenken, der beispielsweise in der Größenordnung von 2 mV liegt, leicht ermittelt werden.
Anschließend wird ein paarweises, niederohmiges Kurzschließen der Batteriezellen vorgenommen, so dass ein Ladungsausgleich über die Innenwiderstände der paarweise kurzgeschlossenen Batteriezellen erfolgen kann. Nach Ablauf der erforderlichen Zeitdauer für den Ladungsausgleich wird die Kontaktierung beendet. Nach Beenden der Kontaktierung erfolgt die Herstellung einer Parallelschaltung zwischen Batteriezellen durch Befestigung von Verbindungslaschen auf den jeweiligen Terminals der einzelnen Batteriezellen, die anschließend zu einem Batteriemodul zusammengefasst werden können.
Bevorzugt erfolgt die Herstellung einer Parallelschaltung zwischen den einzelnen Batteriezellen an den jeweiligen Terminals derart, dass die Batteriezellen in 3S2P-Konfiguration verschaltet werden. 3S2P-Konfiguration bedeutet, dass drei Batteriezellen in Serie und zwei Gruppen von Batteriezellen jeweils parallel geschaltet sind. Bevorzugt sind die Batteriezellen vor Durchführung des Verfahrens zum Ladungsausgleich mechanisch zueinander in einer geeigneten Fertigungsvorrichtung positioniert. Während der Durchführung der gesamten Verfahrensschritte verbleiben die einzelnen Batteriezellen dabei entsprechend fixiert und bilden damit halbfertige Module, in denen die Position der Batteriezellen für das fertigzustellenden Batteriemodul bereits festgelegt sind. Dadurch kann eine spätere Verwechslung beim Umsetzen der Batteriezellen ohne zusätzlich entstehenden Aufwand ausgeschlossen werden.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, erfolgt ein niederohmiges Kurzschließen von jeweils zwei über einen Schalter verbundenen Batteriezellen. Der Schalter ist vorzugsweise als ein Relais oder als ein Schütz ausgebildet. Der Kontaktierungsvorgang der einzelnen Batteriezellen mit Stromfluss findet nicht direkt an der Batteriezelle statt, sondern gekapselt in der Fertigungseinrichtung der Batteriezelle. Der Ausgleichsvorgang erfolgt in
Form eines Ladungsaustauschs sehr niederohmig und über die Widerstände der Batteriezellen. Nach Ablauf der erforderlichen Zeitdauer für den Ausgleichvorgang gemäß der vorstehend erwähnten Beziehungen wird die Kontaktierung der Batteriezellen zur Durchführung des Ausgleichsvorgangs beendet.
Innerhalb der Fertigungsvorrichtung, in der die einzelnen parallel zu schaltenden Batteriezellen aufgenommen sind, verbleiben diese während der Durchführung sämtlicher Verfahrensschritte des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens in einer mechanischen Zuordnung zueinander. Die Ausbildung der Parallelschaltung der einzelnen Batteriezellen erfolgt nach Beendigung der Kontaktierung über das Auflegen von Zellverbindern in Gestalt von Verbindungslaschen, die beispielsweise aus Aluminium (AI), Kupfer (Cu) oder einer Aluminium-Kupfer-Legierung gefertigt sind. Die laschenförmig ausgebildeten Zellverbinder können im Wege der Verschraubung, oder durch stoffschlüssiges Verbinden, wie beispielsweise Verschweißen oder Laserverschweißen, hergestellt werden. Zum Ausschluss von Verwechslungen bleiben die Batteriezellen in den jeweils halbfertigen Modulen fixiert, so dass zusätzlicher Aufwand vermieden werden kann.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens, welches nachstehend für zwei miteinander zu verbindende Batteriezellen eingehender beschrieben wird, kann eine Parallelschaltung von mehr als zwei Batteriezellen im Wesentlichen in gleicher Weise durchgeführt werden. Für den Fall, dass eine Begrenzung des beim Ausgleichvorgangs fließenden Ausgleichsstroms erforderlich sein sollte, kann der Ausgleichsvorgang als Teil des vorstehenden Verfahrens über einen zusätzlich eingeführten ohmschen Widerstand beeinflusst werden. Dieser Widerstand kann sowohl in Reihe zu dem Schalter als auch in eine niederohmige Verbindung zwischen zwei Batteriepolen eingefügt werden.
Das physikalische Modell für die Beschreibung des Ladungsausgleichsvorgangs kann in einfacher Weise angepasst werden, indem statt der Innenwiderstände der einzelnen Batteriezellen, die Serienschaltung, umfassend die Innenwiderstände und den zusätzlich eingeführten ohmschen Widerstand, modellhaft betrachtet wird.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung stellt ein Verfahren zur Verfügung, welches zum Erzielen eines Ladungsausgleiches von parallel zu schaltenden Batteriezellen eingesetzt werden kann. Gegenüber bisherigen Verfahren zeichnet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren dadurch aus, dass es bei der Durchführung des Ladungsausgleichs zu keiner Funkenbildung bei der Parallelverschaltung in der Nähe des Zellterminals kommt. Des Weiteren ist hervorzuheben, dass der Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen sehr schnell durchgeführt wird, so dass das Verfahren in Großserienfertigung günstig eingesetzt werden kann.
Da die mechanisch zueinander fixierten Batteriezellen innerhalb der Fertigungsvorrichtung gewissermaßen als Halbzeug, d.h. halbgefertigte Batteriemodule verbleiben, ist eine Verwechslung der Batteriezellen nach der Durchführung des Ladungsausgleichs bis zur Fertigstellung der Parallelschaltung sicher ausgeschlossen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

1 ein Batteriemodul mit 6 Batteriezellen, deren Terminals in 3S2P-Schaltungskonfiguration über Verbindungslaschen elektrisch miteinander verbunden sind,
2 ein Batteriemodul, bei dem Batteriezellen paarweise über geschaltete Kurzschlüsse für eine 3S2P-Konfiguration dargestellt sind,
3 die beispielhafte Darstellung eines physikalischen Modells zur Beschreibung des Ablaufs eines Ladungsausgleichs bei niederohmiger elektrischer Verbindung zweier Batteriezellen, und
4 ein vereinfachtes physikalisches Modell zur Beschreibung des Ablaufs eines Ladungsausgleichs bei niederohmiger elektrischer Verbindung zweier Batteriezellen bei nur geringfügigen Ladezustandsunterschieden,
5 Verlauf der Spannung im offenen Kreis für zwei beispielhaft ausgewählte Batteriezellen.

1 zeigt eine elektrische Verbindung von Batteriezellen eines Batteriemoduls.
Der Darstellung gemäß 1 ist Batteriemodul 10 zu entnehmen, welches eine Anzahl von Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 umfasst. Die einzelnen Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 weisen jeweils Minus-Terminals 30 und Plus-Terminals 32 auf. Das Batteriemodul 10 gemäß der Darstellung in 1 ist in 3S2P-Konfiguration 28 (drei in Serie geschaltete Batteriezellen, zwei parallel geschaltete Gruppen von Batteriezellen) miteinander verschaltet. Zum Verschalten der einzelnen Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 des Batteriemoduls 10 gemäß der Darstellung in 1 sind Verbindungslaschen 24, 26 vorgesehen. Die Verbindungslaschen 24, 26 sind in unterschiedlicher Länge ausgebildet und können aus Kupfer, Aluminium oder aus einer Kupfer-Aluminium-Legierung gefertigt sein.
Die Verbindungslaschen 24, 26 sind mit den Terminals 30, 32 gemäß der 3S2P-Konfiguration 28 wie in 1 dargestellt, verbunden. Die Befestigung kann durch eine stoffschlüssige Verbindung 34, wie beispielsweise eine Schweißverbindung 36 erfolgen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Terminals 30, 32 mit den Verbindungslaschen 24, 26 über eine Schraubverbindung zusammen zu führen.
Ausführungsvarianten
2 ist eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung von Batteriezellen zum Ladungsausgleich unterschiedlicher Ladungszustände durch Vornahme geschalteter Kurzschlüssen zu entnehmen.
2 zeigt, dass in einer nicht näher dargestellten Vorrichtung sechs Batteriezellen, nämlich eine erste Batteriezelle 12, eine zweite Batteriezelle 14, eine dritte Batteriezelle 16, eine vierte Batteriezelle 18, eine fünfte Batteriezelle 20 und eine sechste Batteriezelle 22 in Bezug aufeinander fixiert sind. In der Darstellung gemäß 2 sind die einzelnen Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 in Bezug aufeinander positioniert, es handelt sich um ein halbfertiges Batteriemodul 11, da die Verbindung der einzelnen Minus-Terminals 30 beziehungsweise Plus-Terminals 32 nicht ausgeführt ist. Die Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 werden in der in 2 dargestellten Lage durch eine nicht näher dargestellte Fertigungsvorrichtung, welche die einzelnen Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 in Bezug aufeinander fixiert und damit gegen die Umgebung kapselt, gehalten.
Wie aus 2 hervorgeht, werden die einzelnen Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 zunächst an ihren Terminals 30 beziehungsweise 32 kontaktiert. Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass die erste Batteriezelle 12 und die zweite Batteriezelle 14 an den Minus-Terminals 30 über eine elektrische Verbindung 48 kurzgeschlossen werden und auf der gegenüberliegenden Seite der beiden Batteriezellen 12, 14 ein erster Schalter 40 angeordnet wird, der in der Darstellung gemäß 2 geöffnet ist. Analog dazu werden die dritte Batteriezelle 16 und die vierte Batteriezelle 18 an die Minus-Terminals 30 durch die Verbindung 48 miteinander verbunden, während die Plus-Terminals 32 der dritten Batteriezelle 16 und der vierten Batteriezelle 18 durch einen zweiten Schalter 42, der sich in der dargestellten Ausführung in offener Stellung befindet, kurzgeschlossen werden können. Analog dazu sind die fünfte Batteriezelle 20 und die sechste Batteriezelle 22 an ihren Minus-Terminals 30 durch die Verbindung 48 elektrisch miteinander verbunden, während die beiden Plus-Terminals 32 der fünften Batteriezelle 20 und der sechsten Batteriezelle 22 durch einen dritten Schalter 44 kurzgeschlossen werden können, der sich in der Darstellung gemäß 2 in einer offenen Stellung befindet.
Zunächst erfolgt eine Messung der Ruhespannung der parallel zu schaltenden Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20 und 22. Optional kann auf die Fertigungsdaten der Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 zurückgegriffen werden, um weitere Informationen zu erhalten, wie zum Beispiel die Ruhespannung der jeweiligen Batteriezelle 12, 14, 16, 18, 20, 22, die Kapazität der jeweiligen Batteriezelle 12, 14, 16, 18, 20, 22. Weitere Informationen dahingehend können angeben, wie hoch die jeweiligen Innenwiderstände der Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 sind.
Aus diesen Informationen über die Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 wird dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend eine erforderliche Zeitdauer für den Ladungsausgleich der Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 ermittelt. Die Ermittlung der erforderlichen Zeitdauer über den Ladungsausgleich kann auf zwei unterschiedliche Weisen erfolgen.
In 3 ist ein physikalisches Modell von Lithium-Ionen-Batteriezellen dargestellt, mit der sich der zeitliche Ablauf des Ladungsausgleichs beschreiben lässt. 3 zeigt, dass die erste Batteriezelle 12 und die zweite Batteriezelle 14 in vereinfachter Weise derart dargestellt werden können, dass in Bezug auf die erste Batteriezelle 12 und die zweite Batteriezelle 14 im Ersatzschaltbild 78 ein erster Innenwiderstand 56, R_i,1 und ein zweiter Innenwiderstand 58, R_i,2, jeweils eine erste Kapazität 52 und eine zweite Kapazität 54 parallel geschaltet sind. Beiden Innwiderständen R_i,1, R_i,2 56, 58 liegt ein erster Ausgleichswiderstand 68 in Reihe.
Analog dazu lässt sich die zweite Batteriezelle 14 im Ersatzschaltbild 78 gemäß der Darstellung in 3 dadurch abbilden, dass einem dritten Innenwiderstand 62 und einem vierten Innenwiderstand 66 R_i,3 beziehungsweise R_i,4 jeweils eine dritte Kapazität 60 und eine vierte Kapazität 64 parallel geschaltet sind. In Reihe zu den Innenwiderständen 62, 66 liegt ein zweiter Ausgleichswiderstand 70.
Die beiden Batteriezellen 12, 14 gemäß der Darstellung in 3 sind, vergleiche 2, über die elektrische Verbindung 48 miteinander verbunden, während der erste Schalter 40, über den ein geschalteter Kurzschluss 46 erzeugt werden kann, in der Darstellung gemäß 3 die analog zur Darstellung gemäß 2 offen steht.
4 zeigt ein weiteres Ersatzschaltbild für zwei miteinander zu verbindende Batteriezellen, für den Fall, dass lediglich geringe Abweichungen der Ladezustände vorliegen.
Die Darstellung gemäß 4 stellt eine Vereinfachung des in 3 dargestellten Ersatzschaltbildes 78 dar. 4 zeigt, dass die erste Batteriezelle 12 durch den ersten Innenwiderstand 56 R_i,1 und die in Reihe dazu geschaltete erste Kapazität 52 abgebildet werden kann. Der Ladungsausgleich entspricht dabei dem in 5 gezeigten. Position 72 bezeichnet den OCV-Wert OCV₁₂ der ersten Batteriezelle 12, während die zweite Batteriezelle 14 in der Darstellung gemäß 4 durch den in Reihe geschalteten Innenwiderstand R_i,2 58 und die zweite Kapazität 54 dargestellt wird. Der entsprechende OCV-Wert OCV₁₄ ist in 5 durch Bezugszeichen 74 angedeutet. Die beiden Batteriezellen 12, 14 sind durch die elektrische Verbindung 48 einerseits und durch den hier in Offen-Stellung befindlichen ersten Schalter 40 miteinander verbunden. Über den ersten Schalter 40 kann ein geschalteter Kurzschluss 46 erzeugt werden.
Die Zeitdauer, über welche sich ein Ladungsausgleich zwischen miteinander zu parallel zu verschaltenden Batteriezellen 12, 14 ,16, 18, 20, 22 einstellt, ist abhängig von der Höhe der Ladungsunterschiede, wobei die erforderliche Zeitdauer entweder gemäß des Ersatzschaltbildes 78 nach 3 oder bei geringen Ladungsunterschieden gemäß des Ersatzschaltbildes 80 nach 4 berechnet werden kann.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, ist die Vorgehensweise zum Ausgleich von Ladungsunterschieden wie folgt:

Die einzelnen Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20 und 22 des halbfertigen Batteriemoduls 11 gemäß Darstellung in 2 sind mechanisch fixiert. Danach erfolgt eine Kontaktierung der Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 an ihren jeweiligen Terminals 30, 32. Die Kontaktierungsvorrichtung ist in eine Fertigungseinrichtung zur Herstellung von Batteriemodulen 10 integriert. Es erfolgt zunächst eine Messung der Ruhespannung der parallel zu schaltenden Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22. Ferner wird auf die Fertigungsdaten der Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 zurückgegriffen, insbesondere die Ruhespannung, die beispielsweise bei der Ausgangskontrolle der Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 gemessen werden kann. Des Weiteren liegen Informationen über die Kapazitäten und die Innenwiderstände der jeweiligen Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 vor.

Da in dem in 2 dargestellten halbfertigen Batteriemodul 11 sechs Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 durch eine 3S2P-Konfiguration 28 zu verschalten sind, werden jeweils zwei Batteriezellen 12, 14 und 16, 18 und 20, 22 über die Schalter 40, 42, 44 niederohmig kurzgeschlossen. Bei den Schaltern 40, 42, 44 handelt es sich bevorzugt um Relais oder Schütze. Der Schaltvorgang beziehungsweise die Kontaktierung der Terminals 30, 32 mit einem sich einstellenden Stromfluss findet nicht direkt an den jeweiligen Paaren von Batteriezellen 12, 14 und 16, 18 und 20,22 statt, sondern gekapselt in der Fertigungsvorrichtung zur Herstellung des fertigen Batteriemoduls 10. Der Ausgleichsvorgang erfolgt in Form eines Ladungsaustausches, der niederohmig über die beiden Innenwiderstände der Batteriezellen 12, 14 erfolgt (vgl. Ersatzschaltbild gemäß 3 Innenwiderstände 56, 58 R_i,1, R_i1,2 Position 56, 58 der ersten Batteriezelle 12 beziehungsweise die Innenstände 62, 66 R_i,3, R_i,4 der zweiten Batteriezelle). Die Kontaktierung der Batteriezellen 12, 14 und 16, 18 und 20, 22 erfolgt während der anhand der physikalischen Modelle gemäß der 3 und 4 ermittelten erforderlichen Zeitspannen abhängig vom Ladungszustand der parallel miteinander zu verschaltenden Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20 und 22.
Die vereinfachte Ermittlung der erforderlichen Zeitdauer (vgl. 4) erfolgt anhand einer Differentialgleichung erster Ordnung, welche auf eine Exponentialfunktion erster Ordnung zurückgeführt werden kann. In dieser ergibt sich die Zeitkonstante als eine Funktion der elektrischen Parameter, wie beispielsweise Widerstand, Induktivität und Kapazität.
In Zusammenhang mit dem in 4 dargestellten Ersatzschaltbild 80 sei bemerkt, dass der Ausgleichsvorgang in diesem Fall, d.h. für den Fall geringer Abweichungen der Ladezustände der miteinander zu verschaltenden Batteriezellen 12, 14, für eine Zelle als Entladung einer ersten Kapazität 52 beziehungsweise eines ersten Kondensators und eine damit verbundene zweite Batteriezelle 14 als Ladungsvorgang einer zweiten Kapazität 54, welche ebenfalls als Kondensator ausgebildet, betrieben werden kann. Mit diesem einfachen Modell lässt sich der Ausgleichsvorgang durch eine Differentialgleichung erstere Ordnung beschreiben. Die erforderliche Zeitdauer, um die Ruhespannungen der beiden Batteriezellen, in diesem Fall der ersten Batteriezelle 12 und der zweiten Batteriezelle 14, unter einen vorgegebenen Grenzwert abzusenken, zum Beispiel 2 mV, kann über eine Differentialgleichung erster Ordnung, die auf eine Exponentialfunktion erster Ordnung führt, sehr leicht ermittelt werden, wobei deren Zeitkonstante durch eine Funktion elektrischer Parameter wie beispielsweise des Widerstands, der Induktivität und der Kapazität gegeben ist.
Nach dem Ladungsausgleich zwischen den beiden parallel zu verschaltenden Batteriezellen 12 und 14 oder 16 und 18 oder 20 und 22, der sehr niederohmig über die beiden Innenwiderstände 56 beziehungsweise 58 in Bezug auf die erste Batteriezelle 12 und 62 beziehungsweise 66 in Bezug auf die zweite Batteriezelle 14 verläuft, wird die Kontaktierung der beiden Batteriezellen 12, 14 nach Ablauf der gemäß des Ersatzschaltbildes nach 3 beziehungsweise gemäß des Ersatzschaltbildes nach 4 bestimmten Zeitdauer beendet.
5 zeigt den Verlauf der Spannung im offenen Kreis für zwei beispielhaft ausgewählte Batteriezellen.
Mit Bezugszeichen 72 ist der Verlauf des OCV-Werts OCV₁₂ (OCV = Open Circuit Voltage = Spannung im offenen Kreis) der ersten Batteriezelle 12 in 5 bezeichnet. Position 74 bezeichnet einen OCV-Wert OCV₁₄ der zweiten Batteriezelle 14 analog zum OCV-Wert OCV₁₂ der ersten Batteriezelle 12, dessen Verlauf in 5 mit Bezugszeichen 74 bezeichnet ist. 5 zeigt dabei, wie sich die beiden Spannungen OCV₁₂ und OCV₁₄ nach einer Zeitdauer 82 angleichen und damit der Ladungsausgleich zwischen den beiden Batteriezellen 12, 14 erfolgt ist.
Danach erfolgt die Parallelschaltung der Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 über eine Befestigung von Verbindungslaschen 24, 26, wodurch das fertige Batteriemodul 10 entsteht (siehe Darstellung gemäß 1). Die einzelnen Verbindungslaschen 24, 26 können mit den Terminals 30, 32 der Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20 und 22 des halbfertigen Batteriemoduls 11 stoffschlüssig verbunden werden, beispielsweise durch die Ausführung einer Laserverschweißung oder es besteht die Möglichkeit, die Terminals 30, 32 der Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 beispielsweise mit den Verbindungslaschen 24, 26 zu verschrauben und auf diese Weise eine 3S2P-Parallelverschaltung 28 darzustellen.
Die einzelnen Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 verbleiben während der Parallelverschaltung in dem bereits halbgefertigten Batteriemodul 11, vgl. Darstellung gemäß 2, wodurch eine Verwechslung ohne zusätzlich entstehenden Aufwand ausgeschlossen werden kann.
Die für eine Parallelschaltung von zwei Batteriezellen 12 und 14 oder 16 und 18 oder 20 und 22 dargestellte Vorgehensweise zur Ermittlung einer Zeitdauer für den Ladungsausgleich gemäß der Ersatzschaltbilder nach 3 oder 4 sowie die Durchführung des entsprechenden Ladungsausgleichs kann auch für eine Parallelverschaltung von mehr als zwei Batteriezellen in der gleichen Weise durchgeführt werden.
Falls eine Begrenzung des Ausgleichstroms erforderlich ist, der wie oben stehend dargelegt in der Größenordnung von 200 A und mehr liegen kann, kann der Ausgleichstrom über einen zusätzlich eingeführten Ohmschen Widerstand (vgl. Ausgleichswiderstände 68, 70 im Ersatzschaltbild 78 gemäß 3) in gewünschter Weise begrenzt werden. Der Ausgleichswiderstand 68, 70 im Ersatzschaltbild 78 gemäß 3 kann sowohl in Reihe zu den entsprechenden Schaltern 40, 42, 44 als auch in der niederohmigen Verbindung 48 zweier Minus-Terminals 30 der Batteriezellen 12, 14, 16, 18, 20, 22 eingefügt werden. Das physikalische Modell für die Beschreibung des Ausgleichsvorgangs kann sehr einfach derart angepasst werden, dass statt der Innenwiderstände 52, 54 der beiden Batteriezellen 12, 14 eine Serienschaltung aus Innenwiderständen 52, 54 der Batteriezellen 12, 14 und zusätzlich eingeführten Ohmschen Widerständen 56, 58 als Modell herangezogen wird (vgl. 4).
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorgehensweise wird ein Verfahren für den Ladungsausgleich von parallel zu schaltenden Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 vorgestellt, welches eine Funkenbildung bei der Parallelverschaltung in der Nähe der Minus-Terminals 30 und der Plus-Terminals 32 der miteinander zu verschaltenden Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 vermeidet. Der Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 erfolgt sehr schnell und erfolgt über eine Zeitsteuerung angepasst an die spezifische Situation der parallel miteinander zu verschaltenden Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22. Eine Verwechslung der Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 an denen zuvor der Ladungsausgleich vorgenommen wurde, nach dem Ladungsausgleich bis zur Fertigstellung der Parallelverschaltung ist ausgeschlossen, da die Batteriezellen 12, 14,16, 18, 20 und 22 in der entsprechenden Fertigungsvorrichtung für Batteriemodule 10 während des Ladungsausgleichs und der sich daran anschließenden Parallelverschaltung in ein und derselben Position vorbleiben und keine Umsetzung erfolgt, die eine Verwechslungsgefahr nach sich ziehen könnte.

Claims

Verfahren zum Ladungsausgleich parallel zu schaltender Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) eines Batteriemoduls (10) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Kontaktierung der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) an deren Terminals (30, 32) und Messung von Ruhespannungen der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22), b) Ermittlung von Kapazitäten (52, 54, 60, 64) und Innenwiderständen (56, 58, 62, 66) der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) zur Bestimmung einer erforderlichen Zeitdauer für den Ladungsausgleich, wobei die erforderliche Zeitdauer des Ladungsausgleichs aus den Ruhespannungen, den Innenwiderständen (56, 58, 62, 66), den Kapazitäten (52, 54, 60, 64) der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) gemäß eines physikalischen Modells berechnet wird und/oder gemäß einer Differentialgleichung erster Ordnung auf vereinfachte Weise bestimmt wird, die auf eine Exponentialfunktion erster Ordnung zurückführbar ist, deren Zeitkonstante durch einen funktionalen Zusammenhang elektrischer Parameter gegeben ist, c) paarweises, niederohmiges Kurzschließen (46) der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) und Durchführen des Ladungsausgleichs über die Innenwiderstände (56, 58, 62, 66) der paarweise kurzgeschlossenen Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22), d) Beenden der Kontaktierung nach der gemäß Verfahrensschritt b) ermittelten Zeitdauer und e) Herstellen der Parallelschaltung zwischen den Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) durch Befestigung von Verbindungslaschen (24, 26) auf den jeweiligen Terminals (30, 32) der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) gemäß Verfahrensschritt e) in 3S2P-Konfiguration (28) verschaltet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) vor Durchführung der Verfahrensschritt a) bis e) mechanisch zueinander fixiert werden und während der Durchführung des Verfahrens mechanisch zueinander fixiert bleiben.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei geringen Ladungsunterschieden der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) der Ladungsausgleich durch Entladung einer ersten Kapazität (52) einer ersten Batteriezelle (12) und Ladung einer zweiten Kapazität (54) und einer zweiten Batteriezelle (14) über die Innenwiderstände (56, 58) der Batteriezellen (12, 14) angenähert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass paarweises, niederohmiges Kurzschließen (46) zweier Batteriezellen (12, 14) durch Schalter (40, 42, 44), die als Relais oder Schütze (50) ausgeführt sind, erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das paarweise, niederohmige Kurzschließen (46) gekapselt innerhalb einer Fertigungsvorrichtung erfolgt, die die Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) in Bezug zueinander fixiert.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelschaltung der Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) durch Anbringen von Verbindungslaschen (24, 26) und deren Verbindung mit dem Terminals (30, 32) hergestellt wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) innerhalb eines teilweise gefertigten Batteriemoduls (10) verbleiben.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgleichsstrom während des Ladungsausgleichs von Batteriezellen (12, 14, 16, 18, 20, 22) durch einen Widerstand (68, 70) begrenzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (68, 70) sowohl in Reihe zum Schalter (40, 42, 44) als auch in einer niederohmigen Verbindung (48) der Minus-Terminals (30) zweier Batteriezellen (12, 14) ausgeführt wird.