DE102014205913A1 - Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zum Schalten von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers - Google Patents

Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zum Schalten von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers Download PDF

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Abstract

Es werden ein elektrochemischer Energiespeicher sowie ein Verfahren zum Schalten von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers vorgeschlagen. Dabei werden erfindungsgemäß folgende Schritte ausgeführt: – Festlegen eines ersten Sollwertes einer Ausgangsspannung des Energiespeichers, – Festlegen einer ersten Wahrscheinlichkeit (Pon) zum Schalten einer ersten Zelle, wobei die erste Wahrscheinlichkeit (Pon) ein Zuschalten der ersten Zelle zu dem elektrochemischen Energiespeicher vorgibt, – Definieren eines ersten Zustandsgrenzwertes und eines zweiten Zustandsgrenzwertes für alle Zellen des elektrochemischen Energiespeichers, – Ermitteln eines ersten Zustandswertes für die erste Zelle, und unabhängig von der ersten Wahrscheinlichkeit (Pon), – Nicht-Zuschalten der ersten Zelle zu dem elektrochemischen Energiespeicher in einem ersten Zeitpunkt, sofern der Zustandswert unterhalb des ersten Zustandsgrenzwertes liegt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher und ein Verfahren zum Schalten von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Logik beim Auswählen von Zellen bei der Beteiligung an einer Ausgangsspannung des Energiespeichers.
  • Im Stand der Technik ist es bekannt, einzelne elektrochemische Speicherzellen ("Zellen") eines elektrochemischen Energiespeichers in Reihe und/oder parallel zu schalten, um jeweils gewünschte Quellcharakteristiken zu erzielen. Eine Reihenschaltung elektrochemischer Energiespeicher erhöht die maximale Klemmenspannung, während eine Parallelschaltung den maximalen Klemmenstrom erhöht. Um ungleichen Ladungs- und Gesundheitszuständen der einzelnen Zellen des elektrochemischen Energiespeichers gerecht zu werden, wird im Stand der Technik vorgeschlagen, die Zellen anhand von Wahrscheinlichkeitsfunktionen an der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme des elektrochemischen Energiespeichers teilhaben zu lassen. In diesem Zusammenhang sind auch sogenannte intelligente Zellen ("Smart Cells") vorgeschlagen worden, welche eine elektrochemische Zelle, zwei Leistungshalbleiter bzw. Leistungstransistoren in einer Halbbrückenkonfiguration sowie einen Zellüberwachungsschaltkreis mit einer integrierten Steuereinheit umfassen. 1 zeigt ein Schaltbild einer solchen, auch als intrinsisch sicheren Batteriezelle bezeichneten, Smart Cell. Parallel zu einer Zelle 3 ist ein Zellüberwachungsschaltkreis 2 sowie eine Anordnung leistungselektronischer Schalter vorgesehen. Letztere weist hintereinander geschaltete Halbleiterschaltdioden 4, 7 sowie ebenfalls hintereinander geschaltete Dioden 5, 6 auf, welche in umgekehrter Orientierung zu den Halbleiterschaltdioden 4, 7 vorgesehen sind. Die Halbleiterschaltdiode 4 sowie die Diode 5 bilden dabei einen oberen Teil der Halbbrücke, wobei die Halbleiterschaltdiode 7 und die Diode 6 einen unteren Teil der Halbbrücke bilden. Ein zwischen den Halbleiterschaltdioden 4, 7 und den Dioden 5, 6 vorgesehener Anschluss 8 bildet gemeinsam mit einem am gemeinsamen Schaltpunkt der Zelle 3, des Zellüberwachungsschaltkreises 2 sowie der unteren Halbbrücke 6, 7 vorgesehenen Anschluss 9 den Ausgang der Smart Cell 1. Beim normalen Betrieb wird die Zelle 3 unter Verwendung des oberen Teils der Halbbrücke 4, 5 eingeschaltet, während der untere Teil der Halbbrücke 6, 7 zum Abschalten der Zelle 3 verwendet wird. Sobald die Zelle einen unerlaubten Zustand erreicht (z.B. maximal Minus- oder Minimalspannung bzw. Maximaltemperatur bzw. Minimaltemperatur), wodurch die Sicherheit der Smart Cell 1 beeinträchtigt wird, wird der obere Teil der Halbbrücke 4, 5 abgeschaltet, während der untere Teil 6, 7 eingeschaltet wird. Eine (nicht dargestellte) Alternative zur in 1 dargestellten Smart Cell 1 verwendet eine Vollbrücke, welche eine Umkehr der Polarität der elektrischen Spannung ermöglicht. Um einen vorgegebenen Wert einer Klemmenspannung VSet_total zu erreichen, wird gemäß dem Stand der Technik vorgeschlagen, dass eine Steuereinheit des elektrochemischen Energiespeichers es einer oder mehreren Smart Cells 1 erlaubt, sich miteinander in Reihe bzw. parallel zu verbinden, während sie jeweils mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit Pon eingeschaltet werden.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Erzeugung der Ausgangsspannung Vactual_total unter Verwendung einer Einschaltwahrscheinlichkeit für die Smart Cell 1. Im Flussdiagramm 10 wird ein aktueller Vorgabewert für die Spannung Vset_total innerhalb einer Steuereinheit 11 mit einem Korrekturwert 12 multipliziert. Dem Ergebnis wird ein weiterer Wert addiert, welcher sich aus der Differenz des Vorgabewertes Vset_total und einem tatsächlichen Klemmenspannungswert Vactual_total, welche mit einem zweiten Korrekturfaktor 14 multipliziert wird, in einem Addierer 13 addiert wird. Im Ergebnis wird eine Einschaltwahrscheinlichkeit Pon einer Vielzahl 16 von Batteriezellen zugeführt, welche zum tatsächlichen Spannungswert Vactual_total führt, der auf eine Last 17 gegeben werden kann.
  • In 3 ist ein Prinzipschaltbild einer Reihenschaltung 20 von intrinsisch sicheren Batteriezellen 21, 22, 23, 2n dargestellt. Eine Steuereinheit 24 macht den Zellen 21, 22, 23, 2n Vorgaben bezüglich einer Einschaltwahrscheinlichkeit Pon und bzw. oder einer Ausschaltwahrscheinlichkeit Poff. Als Eingabegröße erhält die Steuereinheit 24 die an der Last 17 abfallende Klemmenspannung Vactual_total. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betrieb, insbesondere das Balancing (Zellzustandsausgleich) eines gattungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers effizienter und schneller durchzuführen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein Ladungsausgleich zwischen Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers durchgeführt wird, beim welchem die Batteriezellen ihr Einschaltverhalten unter Verwendung einer gegebenen Wahrscheinlichkeit (Einschaltwahrscheinlichkeit oder Ausschaltwahrscheinlichkeit) priorisieren, um die vordefinierte Ausgangsgesamtspannung des Energiespeichers zu erzeugen. Die Priorisierung bei der Verwendung der Zellen kann auf Basis eines Ladezustands (SOC) und/oder auf Basis eines Gesundheitszustands (SOH) der Zelle bestimmt werden. Entsprechend wird ein Verfahren zum Schalten von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers mit den folgenden Schritten vorgeschlagen. In einem ersten Schritt wird ein erster Sollwert einer Ausgangsspannung des Energiespeichers festgelegt. Dieser kann beispielsweise eine Gesamtklemmenspannung sein, welche aufgrund eines Betriebszustandes eines mit dem Energiespeicher verbundenen elektrischen Verbrauchers ("Last") festgelegt wird. In einem zweiten Schritt wird eine erste Wahrscheinlichkeit zum Schalten einer ersten Zelle des elektrochemischen Energiespeichers festgelegt, wobei die erste Wahrscheinlichkeit ein Zuschalten der ersten Zellen zu dem elektrochemischen Energiespeicher vorgibt. Mit anderen Worten kann auf Basis der ersten Wahrscheinlichkeit der Anteil der ersten Zelle an der Gesamtleistungsbilanz des Energiespeichers bestimmt werden. In einem weiteren Schritt werden ein erster Zustandsgrenzwert und ein zweiter Zustandsgrenzwert für alle Zellen des elektrochemischen Energiespeichers definiert. Unter einem Zustandsgrenzwert ist eine Bezugsgröße für eine Leistungsfähigkeit einer jeweiligen Zelle zu verstehen. In einem nächsten Schritt wird ein erster Zustandswert für die erste Zelle ermittelt und unabhängig von der ersten Wahrscheinlichkeit eine Teilnahme der ersten Zelle an einer Leistungsbilanz des Energiespeichers verhindert, sofern der Zustandswert unterhalb des ersten Zustandsgrenzwertes liegt. Mit anderen Worten wird zumindest für einen vordefinierten Betriebsbereich (nachfolgend auf oder andauernd bis zu dem ersten Zeitpunkt) die erste Zelle nicht zu einem Strang des Energiespeichers hinzugeschaltet. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit des Zustandswertes der Zellen des Energiespeichers deren Anteil an einer Leistungsbilanz priorisiert werden.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Weiter umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Zuschalten der ersten Zelle zu dem elektrochemischen Energiespeicher in einem zweiten, späteren Zeitpunkt, entsprechend der ersten Wahrscheinlichkeit. Dabei ist der zweite Zeitpunkt beispielsweise ein zeitlich folgender Takt, mit welchem die Zellen des elektrochemischen Energiespeichers durch eine übergeordnete Steuereinheit zum Zwecke des Balancings bzw. zur Steuerung der Energieabgabe angesteuert werden. Das Zuschalten der ersten Zelle erfolgt unter der Voraussetzung, dass der Zustandswert der ersten Zelle unterhalb des ersten Zustandsgrenzwertes und oberhalb des zweiten Zustandsgrenzwertes liegt. Mit anderen Worten wird, sofern der Zustandswert der ersten Zelle nicht bereits oberhalb des ersten Zustandswertes liegt, spätestens zum zweiten Zeitpunkt daraufhin geprüft, ob er den ersten Zustandsgrenzwert überschreitet. Sofern auch dies nicht der Fall ist, verbleibt die erste Zelle ausgeschaltet. Sofern der Zustandswert der ersten Zelle jedoch im vorgenannten Zustandsgrenzwertintervall liegt, erfolgt nun das Zuschalten der ersten Zelle. Auf diese Weise kann eine Zustandswert-abhängige Priorisierung beim Zuschalten bzw. Verwenden der ersten Zelle erzielt werden.
  • Sofern der Zustandswert der ersten Zelle sehr gut ist und oberhalb des ersten Zustandsgrenzwertes liegt, kann die erste Zelle entsprechend der ersten Wahrscheinlichkeit dem elektrochemischen Energiespeicher bereits im ersten Zeitpunkt zugeschaltet werden. Dabei ist der erste Zustandsgrenzwert einer besseren Leistungsfähigkeit als der zweite Zustandsgrenzwert zugeordnet. Beispielsweise kann der erste Zustandsgrenzwert in einem Ausführungsbeispiel einer höchsten Leistungsfähigkeitskategorie zugeordnet sein. Auf diese Weise kann eine sehr leistungsfähige Zelle zur Verwendung im elektrochemischen Energiespeicher hoch priorisiert werden.
  • Sofern sich (z.B. durch eine Betriebszustandsänderung eines mit dem elektrochemischen Energiespeicher verbundenen Verbrauchers) der erste Sollwert der Ausgangsspannung ändert, kann ein zweiter Sollwert der Ausgangsspannung des Energiespeichers festgelegt werden. In einem dritten Zeitpunkt kann nun die erste Zelle von dem elektrochemischen Energiespeicher mit einer zweiten Wahrscheinlichkeit getrennt werden, sofern der Zustandswert der ersten Zelle unterhalb des zweiten Zustandsgrenzwertes liegt. Dabei kann die zweite Wahrscheinlichkeit im Ansprechen auf das Festlegen des zweiten Sollwertes ermittelt und dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde gelegt werden, um die Ausgangsspannung bedarfsgerecht zu steuern. Durch die Festlegung der zweiten Wahrscheinlichkeit kann der anzuwendende Zustandsgrenzwert neu definiert werden. Beispielsweise kann es erforderlich werden, zusätzlich zur Erhöhung einer Gesamtwahrscheinlichkeit zum Einschalten einer jeweiligen Zelle auch die Anzahl der am Balancing bzw. Leistungsaustausch teilnehmenden Zellen zu erhöhen, selbst wenn dies zu Lasten einer Gesamtlebensdauer einer Zelle oder des elektrochemischen Energiespeichers führt.
  • Entsprechend kann die erste Zelle in einem vierten späteren Zeitpunkt von dem elektrochemischen Energiespeicher mit einer zweiten Wahrscheinlichkeit abgeschaltet werden, sofern ihr Zustandswert unterhalb des ersten Zustandsgrenzwertes und oberhalb des zweiten Zustandsgrenzwertes liegt. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die erforderliche Anzahl teilnehmender Zellen gesunken ist, so dass nun auch Zellen mit einem besseren Zustandswert vom Leistungsaustausch ausgenommen werden können. Im Rahmen der vorstehenden Beschreibung können die Ordnungszahlen erster, zweiter, dritter, vierter Zeitpunkt in aufsteigender Ordnungszahl chronologisch geordnet sein. Ähnliches kann für die Zustandsgrenzwerte gelten, wobei ein erster Zustandsgrenzwert einem besten Zustand und ein Zustandsgrenzwert mit einer höheren Ordnungszahl einem entsprechend schlechteren Zustand zugeordnet ist.
  • Der Zustandswert und der Zustandsgrenzwert können einem Ladezustand, welcher im Englischen als „State of Charge“ (SOC) bezeichnet wird, und/oder einem Gesundheitszustand, welcher im Englischen als „State of Health“ (SOH) bezeichnet wird, zugeordnet sein. Mit anderen Worten können die vorgenannten Qualitätskriterien Einfluss in den erfindungsgemäß verwendeten Zustandswert halten. Die vorgenannten Qualitätskennzahlen sind dabei geeignet, bei Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren die Lebensdauer der einzelnen Zellen und somit die Gesamtlebensdauer des elektrochemischen Energiespeichers zu verlängern. Zudem kann die Leistungsfähigkeit über einen möglichst langen Betriebszeitraum aufrechterhalten werden. Das Zuschalten bzw. das Abschalten der Zelle zu bzw. von dem Ladungsaustausch kann beispielsweise über eine Halbbrücke erfolgen, welche innerhalb der als Smart Cell (intelligente Zelle) ausgestalteten Zelle enthalten ist.
  • Zwischen den Zeitpunkten, welche beispielsweise Takten einer Clock einer Steuereinheit des elektrochemischen Energiespeichers entsprechen können, kann eine Ausgangsspannung des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt werden und insbesondere beim Abweichen einer Ist-Ausgangsspannung von einer vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung die erste Wahrscheinlichkeit und/oder die zweite Wahrscheinlichkeit geändert werden. Auf diese Weise kann eine Gesamtleistungsabgabe bzw. -aufnahme an geänderte Randbedingungen angepasst werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrochemischer Energiespeicher vorgeschlagen, der mindestens zwei Zellen mit jeweils einer Halbbrücke ("Smart Cells") und einer Steuereinheit, welche beispielsweise als Mikrocontroller, Nanocontroller o.Ä. ausgestaltet und sämtlichen Zellen des elektrochemischen Energiespeichers zugeordnet sein kann. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit beispielsweise den Takt (Zeitpunkte) und/oder jeweilige Wahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit aktueller Zustandsgrößen (Ist-Größen) und Betriebszustands-bedingte Wunschgrößen (Soll-Größen) bereitstellen. Auf diese Weise ist der elektrochemische Energiespeicher eingerichtet, ein Verfahren durchzuführen, wie es oben im Detail beschrieben worden ist. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
  • 1 ein schematisches Schaltbild einer Smart Cell;
  • 2 ein schematisches Flussdiagramm zur Definition der Ausgangsspannung eines Energiespeichers;
  • 3 ein Prinzipschaltbild einer intrinsisch sicheren Batteriezelle;
  • 4 ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung ladezustandsabhängiger hierarchischer Schaltung einzelner Zellen; und
  • 5 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 4 zeigt ein Zeitdiagramm einer Ausgangsspannung eines erfindungsgemäß betriebenen elektrochemischen Energiespeichers. Im Achsenursprung wird der Takt zum Einschalten mit einer Wahrscheinlichkeit Pon gegeben, im Ansprechen worauf alle Module eingeschaltet werden, welche einen bestmöglichen SOC1 aufweisen. Dies kann auch eine einzige Zelle sein. Unter bestimmten Bedingungen erfüllt keine der im elektrochemischen Energiespeicher enthaltenen Zellen diese Bedingung. Nach Verstreichen einer Zeitdauer t1 wird mit einer Wahrscheinlichkeit Pon jede elektrochemische Zelle hinzugeschaltet, welche einen SOC2 aufweist. Auch dies können (je nach Konfiguration des elektrochemischen Energiespeichers) sämtliche Zellen, lediglich einzelne Zellen, eine einzige Zelle oder keine Zelle sein. Nach Verstreichen einer zweiten Zeitdauer t2, welche identisch der Zeitdauer t1 sein kann, werden Zellen entsprechend einer Einschaltwahrscheinlichkeit Pon eingeschaltet, welche der Bedingung SOC3 genügen. Nach erneutem Verstreichen einer Zeitdauer t3 werden alle Zellen mit einer Wahrscheinlichkeit Pon hinzugeschaltet, welche die Bedingung SOC4 als Mindestladezustand einhalten. Nun sind so viele elektrochemische Zellen zum Strang hinzugeschaltet worden, dass unter Verwendung der Einschaltwahrscheinlichkeit Pon die vordefinierte Gesamtspannung Vset_total erreicht und sogar überschritten wird. Entsprechend wird nach Verstreichen einer weiteren Zeitdauer t4 eine Abschaltwahrscheinlichkeit Poff definiert, mittels welcher einzelne der verwendeten Zellen abgeschaltet werden und die vordefinierte Gesamtausgangsspannung Vset_total nachfolgend eingehalten wird. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine Verringerung erforderlicher Signalisierungsaufwände wie folgt. Unabhängig eines jeweiligen Zustandes (SOC, SOH o.Ä.) empfängt jede Zelle im Verbund eine Einschaltwahrscheinlichkeit Pon von einer übergeordneten Steuereinheit. In Abhängigkeit ihrer jeweiligen Ladungszustände bzw. Gesundheitszustände, welche vordefiniert sind und den einzelnen Zellen bzw. ihren Controllern bekannt sind, schalten sich die Zellen unter Verwendung der Einschaltwahrscheinlichkeit Pon ein oder (sofern sie in der SOC-Hierarchie weiter unten angesiedelt sind) verbleiben in einem ausgeschalteten Zustand. Zur Regelung sind dabei unterschiedliche Wege denkbar, von welchen nachfolgend zwei beschrieben werden: In einem Beispiel ist jede der Zellen des elektrochemischen Energiespeichers im Stande zu ermitteln, ob die vordefinierte Gesamtausgangsspannung Vset_total mittlerweile erreicht worden ist. Ist dies der Fall und ist die Zeit bzw. die SOC-Klasse einer betrachteten Zelle noch nicht erreicht, verbleibt die Zelle im ausgeschalteten Zustand. Ist die Zeit der Zelle gekommen bzw. wird ihr SOC-Zustand erreicht, nimmt sie gemäß der Einschaltwahrscheinlichkeit Pon am Energieaustausch teil. Alternativ können Steuerbefehle von einer Steuereinheit des elektrochemischen Energiespeichers an die einzelnen Zellen gesendet werden, mittels welchen ein aktuell zu verwendender Zustandsgrenzwert (SOC) an die Zellen kommuniziert wird. Erst wenn der einer betrachteten Zelle zugeordnete Zustandswert einem aufgerufenen Zustandsgrenzwert entspricht, nimmt die betrachtete Zelle im darauffolgenden Takt mit der Wahrscheinlichkeit Pon am Energieaustausch teil. Entsprechend kann auch ein erfolgreiches Erreichen oder gar Überschreiten einer vordefinierten Ausgangsspannung durch die einzelnen ermittelt, oder über eine übergeordnete Steuereinheit kommuniziert werden. In Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustandes nehmen also nur diejenigen Zellen teil, welche einer vordefinierten Bedingung hinsichtlich ihres eigenen SOC genügen. Die exakte Einstellung der Spannung Vset_total erfolgt anschließend beispielsweise unter Vermittlung der Einschaltwahrscheinlichkeit Pon und der Ausschaltwahrscheinlichkeit Poff, welche über der Zeit nicht notwendigerweise konstant sein müssen. Die in 4 dargestellte Anzahl von SOCs bzw. SOC-Klassen sowie die Äquidistanz der Zeitabschnitte ti ist beispielhaft zu verstehen und nicht beschränkend auszulegen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Ausschaltwahrscheinlichkeit Poff in umgekehrter Reihenfolge in Abhängigkeit des jeweiligen Zustandswertes der Zellen angewendet werden. Mit anderen Worten kann beim Erfordernis eines Abschaltens einzelner Zellen die schwächste Zelle (SOC4) als erste mit der Abschaltwahrscheinlichkeit Poff abgeschaltet werden, während in einem darauffolgenden Takt (und die entsprechende Notwendigkeit zur Erzeugung der Ausgangsspannung vorausgesetzt) eine zweite Zelle mit der Abschaltwahrscheinlichkeit Poff abgeschaltet wird, welche einen SOC-Index 3 aufweist und somit leistungsfähiger ist als die zuvor abgeschaltete Zelle. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß zur Effizienzsteigerung und zur Verlängerung der Lebenszeit der einzelnen Zelle/des Energiespeichers vorgeschlagen, die Zelle ihrem eigenen Zustand entsprechend zu priorisieren, ob sie an einer erforderlichen Energieabgabe mit einer jeweiligen Wahrscheinlichkeit frühzeitig, erst später, oder überhaupt nicht teilnimmt. Durch die erfindungsgemäße Priorisierung anhand der Leistungsfähigkeit der Zellen wird eine Überbeanspruchung schwacher Zellen verhindert. Zudem werden Schaltvorgänge verringert, was die Verlustleistung vermindert. Auf diese Weise kann auch eine unerwünschte Erwärmung der Batteriezellen vermindert werden.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wird ein erster Sollwert einer Ausgangsspannung des Energiespeichers festgelegt. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit einer gewünschten Leistungsaufnahme eines an dem Energiespeicher angeschlossenen Verbrauchers erfolgen. Anschließend wird in Schritt 200 eine erste Wahrscheinlichkeit zum Schalten einer ersten Zelle festgelegt, wobei die erste Wahrscheinlichkeit ein Zuschalten der ersten Zelle zu dem elektrochemischen Energiespeicher vorgibt. Die erste Wahrscheinlichkeit kann zudem einer Vielzahl oder sämtlichen Zellen des elektrochemischen Energiespeichers zugeordnet werden. In Schritt 300 werden ein erster Zustandsgrenzwert und ein zweiter Zustandsgrenzwert für alle Zellen des elektrochemischen Energiespeichers definiert. Dies kann zu einem früheren Zeitpunkt geschehen und beispielsweise werksseitig voreingestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann bei der Betriebsaufnahme ein Steuergerät des elektrochemischen Energiespeichers eine entsprechende Klassifizierung an die Zellen im Verbund kommunizieren. In Schritt 400 wird für die erste Zelle ein erster Zustandswert ermittelt. Dieser gibt Aufschluss über die Leistungsfähigkeit der ersten Zelle. Unabhängig von der ersten Wahrscheinlichkeit wird die erste Zelle zu dem elektrochemischen Energiespeicher in einem ersten Zeitpunkt (noch) nicht zugeschaltet, sofern ihr Zustandswert unterhalb des ersten Zustandsgrenzwertes liegt. Zu einem zweiten Zeitpunkt wird in Schritt 500 die erste Zelle zu dem elektrochemischen Energiespeicher hinzugeschaltet, sofern ihr Zustandswert unterhalb des ersten Zustandsgrenzwertes und oberhalb des zweiten Zustandsgrenzwertes liegt. Da mit dem Zuschalten in Schritt 500 die erforderliche Ausgangsspannung überschritten worden ist, wird die erste Zelle in Schritt 600 mit einer zweiten Wahrscheinlichkeit in einem dritten Zeitpunkt von dem elektrochemischen Energiespeicher abgeschaltet, sofern ihr Zustandswert unterhalb des zweiten Zustandsgrenzwertes liegt. Mit anderen Worten wird die erste Zelle im dritten Zeitpunkt zwar weiterhin zur Regelung der Ausgangsspannung bzw. zum Balancing verwendet. Dies erfolgt jedoch unter Verwendung der ersten Wahrscheinlichkeit (Einschaltwahrscheinlichkeit) und der zweiten Wahrscheinlichkeit (Ausschaltwahrscheinlichkeit). Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sämtliche Zellen des elektrochemischen Energiespeichers im Zuge des Balancings bzw. im Zuge der Leistungsabgabe Schaltverluste produzieren und Signalisierungsaufwand generieren.
  • Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Schalten von Zellen (3, 21, 22, 23, 2n) eines elektrochemischen Energiespeichers (1) umfassend die Schritte: – Festlegen (100) eines ersten Sollwertes einer Ausgangsspannung des Energiespeichers (1), – Festlegen (200) einer ersten Wahrscheinlichkeit (Pon) zum Schalten einer ersten Zelle (3, 21, 22, 23, 2n), wobei die erste Wahrscheinlichkeit (Pon) ein Zuschalten der ersten Zelle (3, 21, 22, 23, 2n) zu dem elektrochemischen Energiespeicher (1) vorgibt, – Definieren (300) eines ersten Zustandsgrenzwertes und eines zweiten Zustandsgrenzwertes für alle Zellen (3, 21, 22, 23, 2n) des elektrochemischen Energiespeichers (1), – Ermitteln (400) eines ersten Zustandswertes für die erste Zelle (3, 21, 22, 23, 2n), und unabhängig von der ersten Wahrscheinlichkeit (Pon) – Nicht-Zuschalten (500) der ersten Zelle (3, 21, 22, 23, 2n) zu dem elektrochemischen Energiespeicher (1) in einem ersten Zeitpunkt, sofern der Zustandswert unterhalb des ersten Zustandsgrenzwertes liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend – Zuschalten (500) der ersten Zelle (3, 21, 22, 23, 2n) zu dem elektrochemischen Energiespeicher (1) in einem zweiten, späteren Zeitpunkt entsprechend der ersten Wahrscheinlichkeit (Pon), sofern Ihr Zustandswert (SOC, SOH) unterhalb des ersten Zustandsgrenzwertes und oberhalb des zweiten Zustandsgrenzwertes liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend den Schritt – Zuschalten (600) der ersten Zelle (3, 21, 22, 23, 2n) zu dem elektrochemischen Energiespeicher (1) in einem ersten, späteren Zeitpunkt entsprechend der ersten Wahrscheinlichkeit (Pon), sofern Ihr Zustandswert (SOC, SOH) oberhalb des ersten Zustandsgrenzwertes liegt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend den Schritt – Festlegen eines gegenüber dem ersten Sollwert der Ausgangsspannung geänderten zweiten Sollwert der Ausgangsspannung des Energiespeichers (1), und – Abschalten der ersten Zelle (3, 21, 22, 23, 2n) von dem elektrochemischen Energiespeicher (1) mit einer zweiten Wahrscheinlichkeit in einem dritten Zeitpunkt, sofern Ihr Zustandswert unterhalb des zweiten Zustandsgrenzwertes liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4 weiter umfassend den Schritt – Abschalten der ersten Zelle (3, 21, 22, 23, 2n) von dem elektrochemischen Energiespeicher (1) mit einer zweiten Wahrscheinlichkeit in einem vierten, späteren Zeitpunkt, sofern Ihr Zustandswert (SOC, SOH) unterhalb des ersten Zustandsgrenzwertes und oberhalb des zweiten Zustandsgrenzwertes liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Zustandswert (SOC, SOH) und der Zustandsgrenzwert einem Ladezustand (SOC) und/oder einem Gesundheitszustand (SOH) zugeordnet sind.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Zuschalten, und insbesondere ein Abschalten, der ersten Zelle (3, 21, 22, 23, 2n) über eine Halbbrücke der ersten Zelle (3, 21, 22, 23, 2n) erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen den Zeitpunkten ein Ermitteln einer Ausgangsspannung des elektrochemischen Energiespeichers (1) und insbesondere ein Ändern der ersten Wahrscheinlichkeit (Pon) und/oder einer zweiten Wahrscheinlichkeit erfolgen.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zeitliche Lage eines der Zeitpunkte relativ zu einem weiteren Zeitpunkt, insbesondere quantisiert durch einen äquidistanten Takt, vordefiniert ist.
  10. Elektrochemischer Energiespeicher (1) umfassend – mindestens zwei Zellen (3, 21, 22, 23, 2n) mit jeweils einer Halbbrücke, und – eine Steuereinheit (24), wobei – der elektrochemische Energiespeicher (1) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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