-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Cell-Balancing eines mehrere Speicherzellen aufweisenden elektrischen Energiespeichers.
-
Stand der Technik
-
Es besteht ein wachsender Bedarf an Energiespeichersystemen, welche sowohl in stationären als auch in mobilen Anwendungen zahlreichen Einsatz finden. Als entsprechende Beispiele können u.a. Notstromsysteme oder Elektro- / Hybridfahrzeuge angeführt werden.
-
Der elektrische Energiespeicher umfasst dabei zum Beispiel mehrere als wiederaufladbare Batterien ausgebildete Speicherelemente mit als Batteriezellen ausgebildeten Speicherzellen. Die einzelnen Batteriezellen der Batterien werden in Serie und/oder parallel geschaltet, um an die jeweilige Anwendung angepasste Leistungs- und/oder Energiedaten zu erhalten.
-
Dabei werden u.a. aufgrund von Produktionsschwankungen bei den einzelnen Batteriezellen hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften (z. B. Spannung, Kapazität, Innenimpedanz) Unterschiede beobachtet. In einer Batterie sind die einzelnen Batteriezellen daher nie identisch hinsichtlich ihres Alterungszustandes und ihrer elektrischen Leistung.
-
Üblicherweise wird bei Batteriezellen, die in der Batterie in Reihe geschaltet sind, der Entladevorgang gestoppt, sobald eine der Batteriezellen ihre Entlade-Spannungsgrenze erreicht hat. Entsprechendes gilt für den Ladevorgang der Batterie. Der Ladevorgang stoppt, sobald die Ladespannungsgrenze einer der Batteriezellen erreicht ist. Die schwächste Zelle ist daher die erste, die vollständig geladen oder entladen wird. Somit ist die Batterie bzw. das Batteriemodul immer nur so gut wie deren/dessen schwächste Zelle.
-
Um eine Batterie mit gleichermaßen belastbaren Zellen bereitstellen zu können, und um darüber hinaus auch zu verhindern, dass die einzelnen Batteriezellen aufgrund unterschiedlicher Spannungszustände zusätzlich unterschiedlich stark altern, sind Methoden zum sogenannten Cell-Balancing bekannt, welche einen Ausgleich der Spannungen der einzelnen Batteriezellen zum Ziel haben.
-
Ohne einen derartigen Spannungs- und Ladungsausgleich driftet der Ladezustand der unterschiedlichen Zellen im Betrieb aufgrund geringfügig unterschiedlicher Kapazitäten und geringfügig unterschiedlichen Selbstentladungen der Zellen bzw. Module auseinander.
-
Hinsichtlich der Methoden zum Cell-Balancing wird zwischen aktiven und passivem Cell-Balancing unterschieden, wobei bei einem aktiven Cell-Balancing mittels eines Batterie-Management-Systems ein Ladungsausgleich unter den Speichermodulen derart erfolgt, dass die Energie der zu hoch geladenen Zellen, welche die höchste Zellspannung aufweisen, auf zu niedrig geladene Zellen mit niedriger Zellspannung verteilt wird. Bei einem passiven Cell-Balancing werden gezielt diejenigen Zellen mit der höchsten Batteriespannung so lange entladen, bis alle Zellen die gleiche Spannung aufweisen. Die Entladung erfolgt üblicherweise über Widerstände, wobei die zu entladende elektrische Energie in Wärme umgesetzt wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie das erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 7 genannten Merkmalen bieten den Vorteil, dass sie aufgrund geringer Komplexität kostengünstig zu realisieren sind, keine Energie vernichtet wird, indem sie unnötig in Wärme umgewandelt wird, und daher keine unnötige Temperaturbelastung von Bauteilen aufgrund einer entsprechenden Wärmeentwicklung erfolgt.
-
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Cell-Balancing eines elektrischen wiederaufladbaren Energiespeichers mit mehreren Speicherzellen vorgesehen, welche eine Kontrolleinrichtung aufweist, die zum Erfassen der einzelnen Zellspannungen der Speicherzellen geeignet ist, wobei die Kontrolleinrichtung von dem elektrisch wiederaufladbarem Energiespeicher mit Energie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der erfassten Zellspannungen durch die Kontrolleinrichtung eine Selektion von einer einzelnen Speicherzelle oder einer Gruppe von Speicherzellen erfolgen kann und dass die Kontrolleinrichtung anhand der Selektion von dieser einzelnen Speicherzelle oder dieser Gruppe von Speicherzellen des Energiespeichers mit Energie versorgt wird, sodass über den Energieverbrauch der Kontrolleinrichtung eine selektive Entladung dieser einzelnen Speicherzelle oder dieser Gruppe von Speicherzellen erfolgt, wodurch eine Senkung der jeweiligen Zellspannung erzielbar ist.
-
Vorteilhaft weist die Vorrichtung dazu eine Steuerlogik auf, die mittels derer durch iterative Selektion einer einzelnen Speicherzelle oder einer Gruppe von Speicherzellen eine Angleichung der Zellspannungen der Speicherzellen erzielbar ist.
-
In einem ersten Beispiel einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuerlogik so ausgestaltet sein, dass bei jeder Iteration die Selektion diejenige Speicherzelle oder Gruppe von Speicherzellen umfasst, welche die höchste Zellspannung aufweist.
-
In einem anderen Beispiel einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuerlogik so ausgestaltet sein, dass die Selektion jeweils diejenige Speicherzelle umfasst, welche eine in Relation zu einer direkt zuvor gemessenen Speicherzelle eine höhere Zellspannung aufweist.
-
Für die in der Steuerlogik ablaufende Verfahren wird dabei für durchzuführende Vergleiche von Zellspannungen vorteilhaft ein Schwellwert festgelegt, der von der Differenz der Zellspannungswerte überschritten werden muss, um bei einem Vergleich eine höhere und eine niedrigere Zellspannung festzustellen. Mit anderen Worten beschreibt der Schwellwert die Spannungsdifferenz, bis zu der zwei Zellspannungen als gleich hoch angesehen werden.
-
Über die Festlegung der Höhe des Schwellwerts kann die Konvergenzgeschwindigkeit des Verfahrens beeinflusst werden. Die Festlegung eines hohen Schwellwertes führt dazu, dass bereits nach wenigen Iterationen die Zellspannungen aller Speicherzellen als gleich hoch angesehen werden.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung hängt das Iterationsintervall für die iterative Selektion von einer vorbestimmten Dauer oder von einer vorbestimmten Spannungsdifferenz ab, um die sich die Zellspannung der selektierten Speicherzellen zunächst gesenkt haben muss, bevor ein Iterationsschritt als abgeschlossen gilt.
-
Dabei liegt ein Vorteil der ersten der beiden Alternativen darin, dass eine regelmäßige Neufestlegung der Selektion stattfindet, bei der auch die Wirkungen äußerer Einflüsse wie beispielsweise Temperaturänderungen mit berücksichtigt werden.
-
Ein Vorteil der zweiten der beiden Alternativen liegt darin, dass eine neue Selektion nur dann erfolgt, wenn tatsächlich eine messbare Spannungssenkung erfolgt ist, sodass nur vergleichsweise wenige Iterationsschritte erforderlich sind.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kontrolleinrichtung ein DC/DC-Wandler zur Erzeugung der Versorgungsspannung vorgeschaltet. Damit kann der Kontrolleinrichtung auch dann eine ausreichend hohe Versorgungsspannung bereitgestellt werden, wenn die Selektion nur eine einzelne Speicherzelle umfasst. Die Spannung einer einzelnen Speicherzelle liegt bei elektrochemischen Speicherzellen in der Regel unter 5 Volt, zumeist sogar nur in einem Bereich zwischen 1,2 und 3,8 Volt, sodass eine einzelne, möglicherweise entladene Speicherzelle keine für den Betrieb der Kontrolleinrichtung ausreichende Spannung zur Verfügung stellen kann. Mittels des DC/DC-Wandlers kann die niedrige Spannung einer einzelnen Speicherzelle in eine höhere, für den Betrieb der Kontrolleinrichtung ausreichend hohe Spannung umgewandelt werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet, dass die Selektion jeweils zumindest zwei direkt aneinander in Reihe geschalteter Speicherzellen umfasst. Damit kann der Kontrolleinrichtung eine Versorgungsspannung bereitgestellt werden, die zumindest das Doppelte der Spannung einer Speicherzelle beträgt. Je nach Bauart der Speicherzelle liefert die Reihenschaltung von zwei Speicherzellen damit eine für den Betrieb der Kontrolleinrichtung ausreichend hohe Versorgungsspannung, wie dies zum Beispiel bei Li-Ionen Speicherzellen der Fall ist.
-
Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine Schaltmatrize mit 2 mal n Schaltern auf, wobei n die Anzahl der anzugleichenden Speicherzellen des Energiespeichers darstellt. Eine derartige Schaltmatrize erlaubt ein sequentielles Multiplexing der n mal 2 Pole der Speicherzellen auf die Eingänge der Kontrolleinrichtung.
-
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zum Cell-Balancing eines elektrischen wiederaufladbaren Energiespeichers mit mehreren Speicherzellen vorgesehen, bei dem eine Kontrolleinrichtung die Zellspannungen der einzelnen Speicherzellen erfasst, die Kontrolleinrichtung anhand der Zellspannungen eine Selektion einer einzelnen Speicherzelle oder einer Gruppe von Speicherzellen vornimmt, worauf hin die Energieversorgung der Kontrolleinrichtung anhand der Selektion über diese einzelnen Speicherzelle oder diese Gruppe von Speicherzellen erfolgt, sodass über den Energieverbrauch der Kontrolleinrichtung eine selektive Entladung dieser einzelnen Speicherzelle oder dieser Gruppe von Speicherzellen erfolgt, wodurch eine Senkung der jeweiligen Zellspannung erzielt wird.
-
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es mit geringem Aufwand umzusetzen ist. Für die aus Sicherheitsgründen häufig erforderliche Überwachung der einzelnen Zellspannungen, wie dies beispielsweise bei Li-Ionen Speicherzellen der Fall ist, stehen in vorhandenen Kontrolleinrichtungen die Mittel zum Erfassen der einzelnen Zellspannungen bereits häufig bereit. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt diese Mittel nicht nur zum Erfassen der Zellspannungen, sondern die Mittel selbst auch zur Spannungsangleichung. Dies kann beispielsweise im einfachsten Fall mit sehr wenigen Änderungen erfolgen, bei der vom Prinzip her die Pole der Versorgungsleitung der Kontrolleinrichtung auf die die Pole der Messeingänge gelegt werden, über welche die Kontrolleinrichtung die Zellspannungen erfasst.
-
Ein weiterer Vorteil des Verfahren besteht darin, dass den Speicherzellen neben der Energie für die Kontrolleinrichtung, die auch ohne das erfindungsgemäße Verfahren benötigt würde, keine weitere Energie entnommen wird, um das Cell-Balancing durchzuführen bzw. die Spannungsangleichung zu erzielen.
-
Dies bietet den weiteren Vorteil, dass zum Zwecke des Cell-Balancings keine zusätzliche Energie in Wärme umgewandelt werden muss. In Anwendungsfällen, in denen die Speicherzellen beispielsweise hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind, kann dieser Vorteil von besonderem Nutzen sein.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erfolgt eine iterative Selektion einer einzelnen Speicherzelle oder einer Gruppe von Speicherzellen sowie deren Entladung, sodass iterativ eine Angleichung der Zellspannungen der Speicherzellen erzielt wird.
-
Um die Kontrolleinrichtung mit einer möglichst hohen Spannung versorgen zu können, umfasst die Selektion vorteilshaft jeweils zwei direkt aneinander in Reihe geschaltete Speicherzellen, wobei das Verfahren für die Selektion beispielsweise zumindest folgende Schritte aufweist:
- • Auffinden einer Speicherzelle k in einer Reihenschaltung von Speicherzellen 1 bis n mit 1 < k < n, deren Zellspannung höher ist, als die Zellspannung einer in der Reihenschaltung davor liegenden Nachbarzelle k – 1
- • Vergleichen der Zellspannung der in der Reihenschaltung davorliegenden Nachbarzelle k – 1 mit der Zellspannung der in der Reihenschaltung dahinter liegenden Nachbarzelle k + 1
- • Selektion der Speicherzellen:
• Selektion der Speicherzellen k und k + 1, sofern die Zellspannung der Speicherzelle k + 1 höher ist als die Zellspannung der Speicherzelle k – 1
oder bzw. andernfalls
• Selektion der Speicherzellen k – 1 und k, sofern die Zellspannung der Speicherzelle k + 1 niedriger ist als die Zellspannung der Speicherzelle k – 1
oder bzw. andernfalls
• Selektion der Speicherzellen 1 bis k, sofern die Zellspannung der Speicherzelle k + 1 weder höher noch niedriger ist als die Zellspannung der Speicherzelle k – 1
-
Mit anderen Worten werden in einem Energiespeicher, in dem n Speicherzellen 1 bis n in einer Reihenschaltung angeordnet sind, jeweils zwei nebeneinanderliegende Speicherzellen selektiert, um gemeinsam beispielsweise über eine bestimmte Zeit eines Iterationsintervalls entladen zu werden.
-
Dazu wird in einem ersten Selektionsschritt zunächst in der Reihenschaltung der Speicherzellen die erste Speicherzelle identifiziert, deren Zellspannung höher ist, als die Zellspannung der in der Reihenschaltung davorliegenden Speicherzelle.
-
Ausgehend von dieser aktuell betrachteten Speicherzelle werden in einem zweiten Selektionsschritt die Zellspannungen der davorliegenden und der darauffolgenden Speicherzelle verglichen.
-
In Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs erfolgt in einem dritten Selektionsschritt die Selektion in der Form, dass die betrachtete Speicherzelle sowie die davorliegende Speicherzelle selektiert werden, wenn die Zellspannung der vorangegangenen Speicherzelle höher ist, als die der darauffolgenden, dass die betrachtete Speicherzelle sowie die darauffolgende Speicherzelle selektiert werden, wenn die Zellspannung der vorangegangenen Speicherzelle niedriger ist, als die der darauffolgenden, und dass ansonsten sämtliche in der Reihenschaltung davorliegenden zusammen mit der betrachteten Speicherzelle selektiert werden.
-
Wenn für die Selektion keine Speicherzelle k, bei 1 < k < n, gefunden werden kann, deren Zellspannung höher ist als die Zellspannung der in der Reihenschaltung davorliegenden Speicherzelle, bedeutet dies, dass die Zellspannung aller Speicherzellen k, bei 1 < k < n, in Relation zur jeweils davorliegenden Speicherzelle kleiner oder gleich hoch ist.
-
Um das Ziel gleich hoher Zellspannungen für alle Speicherzellen k zu erreichen, kann das Verfahren zur Selektion vorteilhaft auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden. Dazu werden ausgehend von der Speicherzelle k mit k = n – 1 absteigend bis zur Speicherzelle k mit k = 2 die Zellspannungen gemäß des beschriebenen ersten Selektionsschrittes miteinander verglichen. Auch die zwei weiteren Selektionsschritte werden gemäß einer entgegengesetzten Betrachtungsweise entsprechend angepasst ausgeführt.
-
Die Durchführung der Selektion über die zuvor beschriebenen Selektionsschritte bietet den Vorteil, dass trotz individuell unterschiedlicher Zellspannungen je Speicherzelle eine Selektion mehrerer Speicherzellen je Iterationsschritt möglich und über mehrere Iterationen hinweg ein einheitlicher Spannungsstand für die Speicherzelle k bei 1 < k < n erreichbar ist. Lediglich für die erste und die letzte Speicherzelle, die Speicherzellen 1 und n, sind, da diese bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens nur mit ihren Nachbarzellen zusammen selektiert werden können, zusätzliche Entlademöglichkeiten im Zuge einer Einzelselektion vorzusehen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
-
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
-
3 ein Ausführungsbeispiel zum Ablauf des Verfahrens durch Darstellung eines Energiespeichers zu elf aufeinanderfolgenden Zeitpunkten.
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bestehend aus einem Energiespeicher 1, einer Schaltmatrize 7 sowie einer Kontrolleinheit 4. Dabei umfasst der Energiespeicher 1 drei in Reihe geschaltete Speicherzellen 2. Die Schaltmatrize 7 weist zwei mal drei Schalter 8 auf, sodass jeder Minuspol einer Speicherzelle 2 auf den unteren und jeder Pluspol einer Speicherzelle 2 auf den oberen Eingang der Kontrolleinheit 4 geschaltet werden kann. Diese beiden Eingänge der Kontrolleinheit 4 können gleichzeitig Messeingänge zur Ermittlung der Zellspannung als Eingänge zur Spanungsversorgung darstellen.
-
Eine nicht gezeigte Steuerlogik kontrolliert die Stellungen der Schalter 8, sodass der Kontrolleinrichtung 4 je nach Selektion die Spannung von jeder Speicherzelle 2 einzelnen oder die Spannung einer Gruppe von zwei oder drei Speicherzellen 2 zugeführt werden kann.
-
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, welches neben den Elementen des Ausführungsbeispiels aus 1 zusätzlich einen DC/DC-Wandler 6 aufweist. Der DC/DC-Wandler 6 ist der Kontrolleinrichtung 4 vorgeschaltet, um diese beispielsweise auch dann mit genügend hoher Spannung zu versorgen, wenn über die Schaltmatrize 7 nur eine Speicherzelle 2 selektiert wird.
-
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Ablauf des Verfahrens durch Darstellung eines Energiespeichers 1 zu elf aufeinanderfolgenden Zeitpunkten. Der Energiespeicher 1 umfasst sechs Speicherzellen 2, welche mit den Nummern 1 bis 6 versehen sind. In jeder Speicherzelle 2 repräsentiert ein Balken 3 die Höhe der Zellspannung der Speicherzelle 2 zu den jeweiligen Zeitpunkten t1 bis t11. Ob eine Speicherzelle 2 aufgrund ihrer Zellspannung zu einem Zeitpunkt ti mit 0 kleiner gleich i kleiner gleich 11 selektiert ist, ist über die Selektion 5 in Form eines x neben der jeweiligen Speicherzelle 2 dargestellt. Die Selektion 5 erfolgt über eine in der Figur nicht dargestellte Steuerlogik, die Teil der in dieser Figur ebenfalls nicht dargestellten Kontrolleinrichtung 4 sein kann.
-
In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel werden jeweils mindestens zwei in Reihe liegende Speicherzellen 2 selektiert. Da die einzelnen Speicherzellen 2 in den Darstellungen des Energiespeichers 1 einzelne referenzierbare Nummern aufweisen, wurde der besseren Lesbarkeit halber im Folgenden auf die Nennung des Bezugszeichens der Speicherzelle 2 verzichtet.
-
Zum Zeitpunkt t1 ist die Speicherzelle mit der Nr. 2 die erste Speicherzelle, die eine höhere Zellspannung aufweist als die vorhergehende. Die Zellspannung der Speicherzelle Nr. 3 ist nicht höher als die der Speicherzelle Nr. 1, sodass die Speicherzellen Nr. 1 und Nr. 2 selektiert werden. Bis zu einem neuen Iterationsschritt wird die hier nicht gezeigte Kontrolleinrichtung 4 über die Speicherzellen Nr. 1 und Nr. 2 mit Energie versorgt, sodass deren Zellspannungen mit fortschreitender Entladung sinken.
-
Zum Zeitpunkt t2 sind die Zellspannungen der Speicherzellen Nr. 1 und Nr. 2 gegenüber dem Zeitpunkt t1 jeweils um den Wert 0,05 (Volt) gesunken. Die erste Speicherzelle, die eine höhere Zellspannung aufweist als die vorhergehende ist zum Zeitpunkt t2 wieder die Speicherzelle mit der Nr. 2. Zum Zeitpunkt t2 ist die Zellspannung der Speicherzelle mit der Nr. 3 höher als die der Speicherzelle mit der Nr. 1, sodass die Speicherzellen Nr. 2 und Nr. 3 selektiert und bis zum Zeitpunkt t3 um den Wert 0,05 (Volt) entladen werden.
-
Zum Zeitpunkt t3 ist die Speicherzelle mit der Nr. 2 weiterhin die erste Speicherzelle, die eine höhere Zellspannung aufweist als die vorhergehende. Da die Zellspannung der Speicherzelle Nr. 3 nicht mehr höher ist als die der Speicherzelle Nr. 1, werden wieder die Speicherzellen Nr. 1 und Nr. 2 selektiert.
-
Zum Zeitpunkt t4 herrschen vergleichbare Verhältnisse wie zum Zeitpunkt t2, sodass wiederum die Speicherzellen Nr. 2 und Nr. 3 selektiert werden.
-
Zum Zeitpunkt t5 weisen die ersten drei Speicherzellen denselben Zellspannungswert auf, sodass als erste Speicherzelle, deren Wert höher als der einer vorhergehenden ist, die Speicherzelle mit der Nr. 4 identifiziert wird. Die Höhe der Zellspannung von Speicherzelle Nr. 5 ist höher als die der Speicherzelle Nr. 3, sodass die Speicherzellen Nr. 4 und Nr. 5 selektiert werden. Dies gilt auch noch zum Zeitpunkt t6.
-
Zum Zeitpunkt t7 weisen die ersten vier Speicherzellen denselben Zellspannungswert auf, sodass als erste Speicherzelle, deren Wert höher als der einer vorhergehenden ist, die Speicherzelle mit der Nr. 5 identifiziert wird. Die Zellspannung der Speicherzelle Nr. 6 ist nicht höher als die der Speicherzelle Nr. 5, sondern gleich hoch, sodass alle davorliegenden Speicherzellen Nr. 1 bis Nr. 5 selektiert werden.
-
Zum Zeitpunkt t8 ist die Zellspannung der Speicherzelle mit der Nr. 6 höher als die der Speicherzelle mit der Nr. 4, sodass die Speicherzellen Nr. 5 und Nr. 6 selektiert werden.
-
Zu den Zeitpunkten t9 und t10 herrschen vergleichbare Verhältnisse wie zu den Zeitpunkten t7 und t8.
-
Zum Zeitpunkt t11 sind die Zellspannungen aller Speicherzellen Nr. 1 bis Nr. 6 gleich hoch, dass Cell-Balancing Ziel ist erreicht.
