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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen von Ladungszuständen von Batteriezellen, die parallelgeschaltet betrieben werden. Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung hierfür sowie eine Batterie, insbesondere für den Einsatz bei einem Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet sind.
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Verfahren sowie Einrichtungen zum Einstellen von Ladungszuständen von Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet betrieben werden, sind dem Grunde nach bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Solche Batteriezellen beziehungsweise Batterien werden häufig bei Hochvoltbatteriesystemen eingesetzt, wie sie zum Beispiel bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen oder dergleichen verwendet werden. Bei elektrisch in Reihe geschalteten Batteriezellen ist es bekannt, einen Ladungsausgleich in Bezug auf die Batteriezellen durchzuführen, um auf diese Weise unterschiedliche Ladungszustände der in Reihe geschalteten Batteriezellen zu reduzieren. Dieser Vorgang wird auch Balancing genannt. Zu diesem Zweck ist bei den elektrisch in Reihe geschalteten Batteriezellen jeweils ein schaltbarer elektrischer Widerstand zu jeder einzelnen Batteriezelle parallelgeschaltet. Diese Widerstände können selektiv aktiviert werden, um die Ladungszustände der einzelnen Batteriezellen anpassen zu können. Zu diesem Zweck werden die jeweiligen Ladungszustände der Batteriezellen separat erfasst und die Widerstände entsprechend aktiviert.
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Für elektrisch parallelgeschaltete Batteriezellen ist das vorgenannte Verfahren nicht anwendbar. Um hier eine Ladungsanpassung zwischen einzelnen Batteriezellen erreichen zu können, ist es erforderlich, die jeweilige Batteriezelle aus dem Verbund schaltungstechnisch abzuschalten und mittels einer Entladevorrichtung oder einer Aufladevorrichtung auf einen vorgegebenen Ladungszustand aufzuladen beziehungsweise zu entladen. Ein solches Verfahren ist sehr aufwändig. Deshalb ist ein Balancing bei parallelgeschalteten Batteriezellen wenig verbreitet.
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Eine Besonderheit der elektrisch parallelgeschalteten Batteriezellen besteht darin, dass sämtliche der Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet sind, im Wesentlichen mit der gleichen elektrischen Spannung beaufschlagt sind. Liegen bei einzelnen Batteriezellen bereits geringfügige Spannungsunterschiede in Bezug auf deren jeweilige individuelle Leerlaufspannung vor, so fließt im Moment der Zusammenschaltung zur Parallelschaltung ein entsprechender Ausgleichsstrom. Der Ausgleichsstrom wird über die jeweiligen Innenwiderstände der betroffenen Batteriezellen sowie über Übergangswiderständen zwischen Anschlusskontakten der Batteriezellen und einer elektrischen Verbindung zur Herstellung der Parallelschaltung der Batteriezellen begrenzt. Üblicherweise sind die Innenwiderstände der Batteriezellen sehr klein und liegen häufig im kleinen Milliohmbereich oder sogar darunter. Verstärkt wird dieser Effekt dadurch, dass die unterschiedlichen Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet werden, meist geringfügige Spannungsunterschiede in Bezug auf die Leerlaufspannung aufweisen. Deshalb können bei gleicher Bauart die jeweiligen Ladungszustände der Batteriezellen von einander abweichen. Dadurch kann der vorgenannte Effekt weiter verstärkt werden.
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Eine Batteriezelle ist eine Einrichtung, die zwei Elektroden aufweist, die elektrochemisch miteinander wechselwirken. Das Wechselwirken kann unter ergänzender vermittelnder Wirkung eines Elektrolyten erfolgen. Batteriezellen, auch galvanische Zellen genannt, sind vorzugsweise reversibel hinsichtlich ihrer Funktion, wie sie beispielsweise bei Batterien in Form von Akkumulatoren zum Einsatz kommen. Aufgrund der elektrochemischen Wechselwirkung der Elektroden stellt sich an den Elektroden eine batteriezellenchemiespezifische Gleichspannung ein, die über mit den Elektroden verbundene Anschlusskontakte der jeweiligen Batteriezelle bereitgestellt ist.
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Innerhalb der Batterie sind die einzelnen Batteriezellen häufig mittels Stromschienen oder dergleichen elektrischer Leiter in der gewünschten Schaltungsart miteinander elektrisch leitend verbunden, um an Anschlusspolen der Batterie eine gewünschte Gleichspannung mit einer ebenfalls gewünschten Belastbarkeit bereitstellen zu können. Solche Batterien werden beispielsweise als Blei-Säurebatterien im Kraftfahrzeugbereich, als Nickel-Kadmium-Batterien im Flugzeugbereich und bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen, als Lithium-Ionen-Batterien im Bereich von Haushaltskleingeräten und/oder dergleichen, neuerdings aber auch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen angewendet.
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Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge umfassen in der Regel eine elektrische Anlage mit einer Batterie sowie eine an die elektrische Anlage angeschlossene Antriebsvorrichtung. Solche Kraftfahrzeuge sind beispielsweise Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, bei denen ein Antrieb sowohl mittels einer elektrischen Antriebsvorrichtung als auch mittels einer Verbrennungskraftmaschine möglich ist, oder dergleichen. Die Batterie ist bei solchen Kraftfahrzeugen häufig als Hochvoltbatteriesystem ausgeführt.
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Bei Einsatz in einem Hochvoltbatteriesystem eines Kraftfahrzeugs ergeben sich aufgrund der zuvor beschriebenen Ausgleichsströme Energieverluste, die die Reichweite des Kraftfahrzeugs beeinträchtigen können. In Bezug auf die Batteriezellen werden leistungsfähigere Batteriezellen erhöht belastet, weshalb sie einer verstärkten Alterung unterliegen. Auch hier reduziert sich die Betriebsbereitschaft der elektrisch parallelgeschalteten Batteriezellen insgesamt, die Teil der Batterie sind. Dabei erweist es sich als besonders nachteilig, dass ein Energieausgleich zur Erzeugung eines gleichmäßigen Ladungszustands zwischen den jeweiligen Batteriezellen aufgrund der Parallelschaltung nicht möglich ist. Für eine eine solche Parallelschaltung von Batteriezellen aufweisende Batterie ergibt sich eine höhere Verlustleistung, die ferner ein vorzeitiges Altern der Batterie insgesamt zur Folge haben kann. Darüber hinaus besteht die Gefahr, leistungsschwächere Batteriezellen zu überlasten.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Einstellen von Ladungszuständen von Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet betrieben werden, sowie eine Batterie anzugeben, mit denen die vorgenannten Probleme reduziert werden können.
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Als Lösung wird mit der Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Einrichtung gemäß dem weiteren Anspruch 9 vorgeschlagen. Schließlich wird mit dem weiteren Anspruch 10 eine Batterie vorgeschlagen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Mit der Erfindung wird für ein gattungsgemäßes Verfahren insbesondere vorgeschlagen, dass es folgende Schritte umfasst:
- – Ermitteln der Ladungszustände der Batteriezellen,
- – Auswählen derjenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände eingestellt werden sollen, nach einer vorgebbaren Auswahlvorschrift,
- – Aktivieren derjenigen Batteriezellen, die eingestellt werden, mittels jeweils eines Halbleiterschalters der Batteriezellen und Deaktivieren der übrigen Batteriezellen mittels der Halbleiterschalter der jeweiligen übrigen Batteriezellen,
- – Durchführen des Einstellens der Ladungszustände und Überwachen der Ladungszustände, und
- – Beenden des Einstellens der Ladungszustände bei Erreichen eines vorgegeben Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen.
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Einrichtungsseitig wird für eine gattungsgemäße Einrichtung insbesondere vorgeschlagen, dass die Einrichtung ausgebildet ist, die Ladungszustände der Batteriezellen zu ermitteln, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, nach einer vorgebbaren Auswahlvorschrift auszuwählen, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, mittels jeweils eines Halbleiterschalters der Batteriezellen zu aktivieren und die übrigen Batteriezellen mittels der Halbleiterschalter der jeweiligen übrigen Batteriezellen zu deaktivieren, das Einstellen der Ladungszustände durchzuführen und die Ladungszustände zu überwachen, und das Einstellen der Ladungszustände bei Erreichen eines vorgegebenen Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen zu beenden.
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Batteriezellenseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Batterie eine Einrichtung zum Einstellen von Ladungszuständen der Batteriezellen aufweist, die ausgebildet ist, die Ladungszustände der Batteriezellen zu ermitteln, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, nach einer vorgebbaren Auswahlvorschrift auszuwählen, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, mittels jeweils eines Halbleiterschalters der Batteriezellen zu aktivieren und die übrigen Batteriezellen mittels der Halbleiterschalter der jeweiligen übrigen Batteriezellen zu deaktivieren, das Einstellen der Ladungszustände durchzuführen und die Ladungszustände zu überwachen, und das Einstellen der Ladungszustände bei Erreichen eines vorgegebenen Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen zu beenden.
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Mit der Erfindung ist es somit erstmals möglich, Batteriezellen, die in einem Parallelverbund betrieben werden, das heißt, elektrisch parallelgeschaltet sind, hinsichtlich ihrer Ladungszustände in vorgebbarer Weise zu beeinflussen. Insbesondere kann der jeweilige Ladungszustand der Batteriezelle in gewünschter Weise eingestellt werden. Das Verfahren der Erfindung eignet sich somit nicht nur für die Anwendung bei einer Parallelschaltung von baugleichen Batteriezellen, sondern kann darüber hinaus auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Batteriezellen unterschiedliche Kapazitäten und/oder dergleichen aufweisen. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht eine dynamische Anpassung, sodass die Batteriezellen möglichst optimal betrieben werden können. Dadurch kann die Verfügbarkeit von elektrischer Energie maximiert und/oder eine Alterung reduziert werden. Ein Ladungszustand im Sinne der Erfindung gibt einen Wert für die elektrische Ladung an, die in einer jeweiligen Batteriezelle verfügbar gespeichert ist. Hiervon unterscheidet sich ein Kapazitätszustand, dessen Wert ein Maß dafür ist, welche maximale elektrische Ladung in der Batteriezelle reversibel gespeichert werden kann.
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Die Erfindung erlaubt es, ein aktives Balancing von elektrisch parallelgeschalteten Batteriezellen zu ermöglichen, und zwar mit Hilfe von schaltbaren Batteriezellen, das heißt, Batteriezellen, die einen Halbleiterschalter aufweisen, mit dem sie aktivierbar beziehungsweise deaktivierbar sind. Mittels des Halbleiterschalters kann eine schaltbare elektrische Verbindung zwischen einer Elektrode und einem zugeordneten Anschlusskontakte der Batteriezelle hergestellt werden. Ein Halbleiterschalter im Sinne dieser Offenbarung ist ein steuerbares elektronisches Schaltelement, beispielsweise ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, insbesondere mit parallelgeschalteten Freilaufdioden, beispielsweise ein Metall-Oxid-Semiconductor-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein Isolated Gate Bipolar Transistor (IGBT), vorzugsweise mit einer integrierten Freilaufdiode, oder dergleichen.
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Die Halbleiterschalter, die vorzugsweise in die jeweilige Batteriezelle integriert angeordnet sind, können durch die jeweilige Batteriezellensteuereinheit gesteuert werden. Zu diesem Zweck werden sie vorzugsweise in einem Schaltbetrieb betrieben.
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Schaltbetrieb des Halbleiterschalters bedeutet, dass in einem eingeschalteten Zustand zwischen den eine Schaltstrecke bildenden Anschlüssen des Halbleiterschalters ein sehr geringer elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist. Im ausgeschalteten Zustand ist die Schaltstrecke des Halbleiterschalters hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, sodass auch bei hoher, an der Schaltstrecke anliegender Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer elektrischer Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb, der aber bei Halbleiterschaltern in der Regel nicht zum Einsatz kommt.
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Die Erfindung sieht zunächst vor, dass die Ladungszustände der Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet sind, ermittelt werden. Zu diesem Zweck kann eine separate Ladungszustandserfassungsschaltung vorgesehen sein, die entweder gleichzeitig oder auch selektiv die Ladungszustände der Batteriezellen ermittelt. Darüber hinaus kann natürlich auch eine Batteriezellensteuerungseinheit batteriezellenintern vorgesehen sein, die den jeweiligen Ladungszustand ihrer Batteriezelle ermittelt. Vorzugsweise stehen die Batteriezellensteuerungseinheiten miteinander in Kommunikationsverbindung, insbesondere über eine drahtlose Verbindung wie Funk, Ultraschall, Infrarot oder dergleichen. Natürlich kann auch eine drahtgebundene Verbindung vorgesehen sein, beispielsweise unter Nutzung eines Kommunikationsnetzwerkes basierend auf einem Schnittstellenprotokoll. Darüber hinaus kann ein Batteriemanagementsystem vorgesehen sein, welches mit den Batteriezellensteuerungseinheiten in Kommunikationsverbindung steht und welchem die Ladungszustände der jeweiligen Batteriezellen übermittelt werden.
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Sodann erfolgt eine Auswahl derjenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände eingestellt werden sollen. Das Auswählen erfolgt anhand einer vorgebbaren Auswahlvorschrift. Die Auswahlvorschrift kann beispielsweise eine Datei sein, in der Tabellen mit Ladungskombinationen der Batteriezellen hinterlegt sind und in der entsprechende Auswahlen zu den Ladungskombinationen zugeordnet sind. Sind die Batteriezellen ausgewählt, deren Ladungszustände eingestellt werden sollen, werden als nächstes diejenigen Batteriezellen aktiviert, die eingestellt werden, und zwar unter Einschalten der jeweiligen Halbleiterschalter der Batteriezellen. Die übrigen Batteriezellen werden mittels ihrer Halbleiterschalter entsprechend deaktiviert. Die Halbleiterschalter sind vorzugsweise in die jeweiligen Batteriezellen integriert angeordnet.
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Mit dem Aktivieren der jeweiligen Batteriezellen wird das Einstellen der Ladungszustände durchgeführt. Dabei werden vorzugsweise die Ladungszustände überwacht. Dies kann wiederum mittels der Batteriezellensteuereinheiten realisiert werden.
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Das Einstellen der Ladungszustände wird bei Erreichen eines vorgegebenen Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen beendet. Das Einstellen umfasst vorzugsweise ein Ausgleichen der Ladungszustände der aktivierten Batteriezellen. Das Beenden kann beispielsweise durch das Batteriemanagementsystem, aber auch durch die batteriezellenseitige Batteriezellensteuerungseinheit erfolgen. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Einstellen des Ladungszustands batteriezellenseitig selbst erfolgt. Der vorgegebene Ladungszustand ist vorzugsweise ein Ladungszustand, bei dem die aktivierten Batteriezellen im Wesentlichen den gleichen Ladungszustand aufweisen. Es kann aber auch ein anderer Ladungszustand sein, insbesondere wenn die aktivierten Batteriezellen unterschiedliche Bauarten beziehungsweise Kapazitäten aufweisen.
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Das Verfahren ist nicht auf den selektiven Betrieb von zwei einzelnen Batteriezellen beschränkt, sondern kann auch bei mehreren Batteriezellen, insbesondere gleichzeitig, angewendet werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Batteriezelle permanent eingeschaltet ist, beispielsweise die Batteriezelle, die die Energie für den Ladungsausgleich bereitstellt, und eine andere Batteriezelle, die entsprechend Ladung aufnimmt, im Taktbetrieb betrieben wird. Dadurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad in Bezug auf den Ladungsausgleich erreicht werden. Natürlich kann dieses Szenario auch umgekehrt vorgesehen sein.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass wenigstens einer der Halbleiterschalter einer aktivierten Batteriezelle im Taktbetrieb betrieben wird. Der Taktbetrieb ist ein besonderer Betriebszustand des Schaltbetriebs, bei dem der Transistor gemäß einem Taktsignal periodisch oder nicht-periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Der Taktbetrieb kann vorsehen, dass der Halbleiterschalter mit einer vorgegebenen Frequenz ein- und ausgeschaltet wird. Dabei kann ein Tastverhältnis zwischen einem eingeschalteten Zustand sowie einem ausgeschalteten Zustand variabel sein und in Abhängigkeit des Ladungszustands und/oder eines Alterungszustands der jeweiligen Batteriezelle angepasst sein. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, wenn die Batteriezellen, die parallelgeschaltet sind, eine unterschiedliche Kapazität aufweisen, dass das Tastverhältnis entsprechend der jeweiligen Kapazitätsunterschiede eingestellt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass bei mehr als zwei aktivierten Batteriezellen die Halbleiterschalter von wenigstens zwei Batteriezellen im Zeitmultiplex betrieben werden. Diese Betriebsart sieht vor, dass wenigstens zwei Batteriezellen nicht gleichzeitig mit den weiteren Batteriezellen elektrisch leitend verbunden sind. Dadurch kann die Energieverteilung und der Ladungsausgleich insgesamt weiter optimiert werden. Vorteilhaft ist dies beispielsweise dann, wenn eine Batteriezelle genutzt wird, um zwei weitere Batteriezellen möglichst zeitgleich aufzuladen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mit dem Einstellen der Ladungszustände die Ladungszustände der Batteriezellen auf einen Ladungswert eingestellt werden, bei dem sich die Ladungszustände dieser Batteriezellen um weniger als einen vorgebbaren Wert voneinander unterscheiden, insbesondere weniger als 5 Prozent voneinander abweichen. Vorzugsweise wird zunächst ein mittlerer Ladungswert ermittelt. Dazu werden die Ladungswerte sämtlicher Batteriezellen ermittelt. Dieser mittlere Ladungswert kann dann zugrundegelegt werden, um durch Vergleich der jeweiligen Einzelladungswerte der jeweiligen einzelnen Batteriezellen mit dem mittleren Ladungswert zu ermitteln, welche der jeweiligen Batteriezellen ent- beziehungsweise aufgeladen werden soll und wieviel Ladung zu- beziehungsweise abgeführt werden soll. Sodann können die Batteriezellen, die einen höheren Ladungswert als den mittleren Ladungswert aufweisen, entladen werden, indem Ladung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auf Batteriezellen übertragen wird, die einen niedrigeren Ladungswert als den zuvor ermittelten mittleren Ladungswert aufweisen. Besonders vorteilhaft erweist sich dies, wenn die Abweichung der Ladungswerte der einzelnen Batteriezellen geringer ist als 5 Prozent. Dann kann eine gute Betriebsbereitschaft der die Batteriezellen umfassenden Batterie gewährleistet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Alterungszustand wenigstens einer der Batteriezellen ermittelt wird und der Ladungszustand unter Berücksichtigung des Alterungszustands eingestellt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine aktuelle verfügbare Ladungskapazität der Batteriezelle ermittelt wird. Diese kann für die Ermittlung eines aktuellen Ladungszustands zugrundegelegt werden, der insgesamt dann für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung dient. Dadurch kann batteriezellenspezifisch ein Einstellen des Ladungszustands erreicht werden. Darüber hinaus kann die verfügbare Ladungskapazität mit einer Kapazität bei einer Inbetriebnahme und/oder mit einem Herstellerwert verglichen werden. Das Vergleichsergebnis kann beispielsweise ergänzend für die Einstellung des Ladungszustands eingestellt werden. Ferner ist es möglich, auch einen Innenwiderstand zu ermitteln und dessen Wert für die Verfahrensdurchführung zu nutzen. Der Wert des Innenwiderstands kann sich mit zunehmender Alterung der Batteriezelle ändern, insbesondere erhöhen. Insgesamt lassen sich dadurch die Beanspruchung der jeweiligen Batteriezellen sowie auch deren weitere Alterung reduzieren.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Funktionsbereitschaft wenigstens einer der Batteriezellen ermittelt wird und bei mangelnder Funktionsbereitschaft der wenigstens einen Batteriezelle diese deaktiviert wird. Dadurch kann erreicht werden, dass die die Batteriezellen umfassende Batterie in einem Notbetrieb weiterbetrieben werden kann. Gefährliche Zustände während des bestimmungsgemäßen Betriebs können damit weitgehend vermieden werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Auswahlvorschrift vorsieht, dass auf Basis von einer Mehrzahl, vorzugsweise sämtlichen, Batteriezellen ein mittlerer Ladungswert ermittelt wird, und wenigstens eine Batteriezelle mit einem größeren Ladungswert und eine Batteriezelle mit einem kleineren Ladungswert als der mittlere Ladungswert ausgewählt werden. Dies erlaubt eine weitere vorteilhafte Anpassung des Verfahrens der Erfindung.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Halbleiterschalter der Batteriezellen unter Berücksichtigung von nicht-elektrischen physikalischen Parametern der weiteren Batteriezellen betrieben werden. Die nicht-elektrischen physikalischen Parameter können beispielsweise ein Druck der Batteriezelle, eine Temperatur der Batteriezelle, eine Wichte eines Elektrolyten der Batteriezelle und/oder dergleichen sein. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit des erfinderischen Verfahrens weiter verbessert werden und batteriezellenspezifische Eigenschaften zur Optimierung des bestimmungsgemäßen Betriebs genutzt werden. Beispielsweise kann eine Taktfrequenz oder ein Tastverhältnis in Abhängigkeit von dem Parameter gewählt werden, um eine möglichst wirksame Einstellung des Ladungszustands erreichen zu können. Zum Beispiel kann das Tastverhältnis bei einem Taktbetrieb mit zunehmender Temperatur einer weiteren aktivierten Batteriezelle reduziert werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Berücksichtigung der beigefügten Figuren. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
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Es zeigen:
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1 in einer schematischen Schaltbildansicht vier parallelgeschaltete Batteriezellen einer Batterie gemäß dem Stand der Technik,
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2 vier parallelgeschaltete Batteriezellen einer Batterie mit integrierten Halbleiterschaltern gemäß der Erfindung, und
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3 in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Batteriezelle der Batterie gemäß 2.
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1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung vier parallelgeschaltete Batteriezellen 12, 14, 16, 18 einer Batterie 10, wobei deren nicht bezeichnete Plus-Pole mittels einer Stromschiene 20 elektrisch leitend verbunden sind. Die Minus-Pole der Batteriezellen 12, 14, 16, 18 sind entsprechend mit einer Stromschiene 22 elektrisch leitend verbunden. Jede der Batteriezellen 12, 14, 16, 18 weist, schematisch gemäß einer Modelldarstellung dargestellt, einen Innenwiderstand 24 sowie eine Spannungsquelle 26 auf. Die Werte für den Innenwiderstand 24 und die Spannungsquelle 26 ergeben sich anhand der elektrochemischen Eigenschaften der Batteriezellen 12, 14, 16, 18 unter Berücksichtigung des jeweiligen konstruktiven Aufbaus.
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Bei Parallelschaltung dieser Batteriezellen 12, 14, 16, 18 reichen bereits geringfügige Spannungsunterschiede der Spannungsquellen 26 aus, um während der Montage große Ausgleichsströme fließen zu lassen. Dies kann nicht nur gefährliche Zustände zur Folge haben, sondern führt darüber hinaus zu einer ungleichen Beanspruchung der Batteriezellen 12, 14, 16, 18, sodass die Batterie 10 nicht die optimal mögliche Betriebsbereitschaft bereitstellen kann, die sie bereitstellen würde, wenn die Batteriezellen 12, 14, 16, 18 identische physikalische Eigenschaften hätten.
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Insbesondere stellt sich aufgrund der Parallelschaltung und der geringfügig abweichenden physikalischen Eigenschaften ein ungleicher Ladungszustand der Batteriezellen 12, 14, 16, 18 ein. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Belastung im bestimmungsgemäßen Betrieb der Batterie 10. Eine erhöhte Alterung und eine mögliche Überlastung von leistungsschwächeren Batteriezellen sind möglich. Insgesamt reduzieren sich die Performance und die Lebensdauer.
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2 zeigt nunmehr eine Batterie 30 mit parallelgeschalteten Batteriezellen 32, 34, 36, 38 gemäß der Erfindung. Plus-Pole der Batteriezellen 32, 34, 36, 38 sind wieder mittels einer Stromschiene 20 elektrisch leitend verbunden. Entsprechend sind Minus-Pole der Batteriezellen 32, 34, 36, 38 mittels einer Stromschiene 22 elektrisch leitend verbunden. Auch hier sind elektrische Innenwiderstände 24 sowie Spannungsquellen 26 in jeder der Batteriezellen 32, 34, 36, 38 vorgesehen, die, wie zur 1 erläutert, die Funktion der jeweiligen Batteriezelle 32, 34, 36, 38 modellieren.
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Ergänzend sind in den Batteriezellen 32, 34, 36, 38 in Reihe zu den Innenwiderständen 24 und Spannungsquellen 26 Halbleiterschalter 42, 44, 46, 48 geschaltet, mittels denen die jeweilige Batteriezelle 32, 34, 36, 38 aktivierbar beziehungsweise deaktivierbar ist. Zu diesem Zweck werden die Halbleiterschalter 42, 44, 46, 48 im Schaltbetrieb betrieben. Dadurch ist es möglich, die Batteriezellen 32, 34, 36, 38 selektiv zu aktivieren. Die Halbleiterschalter 42, 44, 46, 48 sind in den jeweiligen Batteriezellen 32, 34, 36, 38 integriert angeordnet.
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Eine vergrößerte Darstellung in schematischer Schaltbildansicht von einer einzelnen der Batteriezellen zeigt 3, vorliegend die Batteriezelle 32. Wie aus 3 ersichtlich ist, weist die Batteriezelle 32 in Serie geschaltet die Spannungsquelle 26, den Innenwiderstand 24 sowie den Halbleiterschalter 42 auf. Diese Serienschaltung ist an einen negativen Anschlusskontakt 54 sowie an einen positiven Anschlusskontakt 52 angeschlossen, und zwar derart, dass zwischen den Anschlusskontakten 52, 54 eine elektrische Gleichspannung anliegt.
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Aus 3 ist ferner ersichtlich, dass die Batteriezelle 32 eine Batteriezellensteuerungseinheit 40 aufweist, die an eine Spannungssensoreinheit 50 angeschlossen ist. Auch die anderen Batteriezellen weisen eine Batteriezellensteuerungseinheit 40 und eine Spannungssensoreinheit 50 auf. Mit der Spannungssensoreinheit 50 kann die Spannung an den Anschlusskontakten 52, 54 ermittelt werden. Ferner umfasst die Batteriezellensteuerungseinheit 40 eine Treiberschaltung, die nicht separat dargestellt ist und die an den Halbleiterschalter 42 angeschlossen ist. Die Treiberschaltung dient zur Steuerung des Halbleiterschalters 42 im Schaltbetrieb. Die Batteriezellensteuerungseinheit 40 weist ferner eine Sende-/Empfangseinheit 56 auf, mit der sie eine Kommunikationsverbindung zu anderen Batteriezellensteuerungseinheiten der Batteriezellen 34, 36, 38 herstellen kann. Darüber hinaus kann sie mit der Sende-/Empfangseinheit 56 eine Kommunikationsverbindung zu einem nicht dargestellten Batteriemanagementsystem herstellen. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Kommunikationsverbindungen drahtlos auf Funkbasis hergestellt werden.
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Der Halbleiterschalter 42 ist vorliegend durch zwei antiseriell geschaltete MOSFETs gebildet, die bedarfsgerecht durch die Treiberschaltung der Batteriezellensteuerungseinheit 40 gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, die Batteriezelle 32 zu aktivieren beziehungsweise zu deaktivieren.
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Aus 2 ist ferner ersichtlich, dass in der aktuell dargestellten Situation die Halbleiterschalter 42 und 46 geschlossen sind, wohingegen die Halbleiterschalter 44 und 48 geöffnet sind. Die Batteriezellen 34 und 38 sind somit deaktiviert. Dagegen sind die Batteriezellen 32 und 36 als gemäß einer Auswahlvorschrift ausgewählte Batteriezellen aktiviert.
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Vorliegend ist eine Spannung U1 der Spannungsquelle 26 der Batteriezelle 32 größer als eine Spannung U3 der Spannungsquelle 26 der Batteriezelle 36. Die Auswahlvorschrift sieht hier vor, dass eine Leerlaufspannung der Batteriezellen berücksichtigt wird. Die Leerlaufspannung kann ein Maß für den Ladungszustand darstellen. Auf diese Weise kann durch Aktivierung der Batteriezellen 32 und 36 ein Energieausgleich realisiert werden. Zu diesem Zweck kann in den jeweiligen Batteriezellensteuereinheiten 40 ein Schaltalgorithmus hinterlegt sein, mittels dem die Halbleiterschalter 42, 46 in einem Taktbetrieb betrieben werden, um einen möglichst belastungsarmen Energieausgleich zu ermöglichen.
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Im Stand der Technik würde bei Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Batteriezellen 32, 36 ein sehr großer Impulsstrom unmittelbar bei Herstellung der Verbindung fließen. Mit einem entsprechenden Taktbetrieb der Halbleiterschalter 42 und/oder 46 kann diese Belastung reduziert werden. Dazu kann wenigstens einer der Halbleiterschalter im Taktbetrieb betrieben werden, wohingegen der andere Halbleiterschalter permanent eingeschaltet ist. Durch geeignetes Takten kann eine sanfte Ladungsüberführung von der Batteriezelle 32 zur Batteriezelle 36 erfolgen. Sobald der Ladungsausgleich abgeklungen ist, können die weiteren Batteriezellen 34, 38 durch Einschalten ihrer Halbleiterschalter 44, 48 ergänzend aktiviert werden, sodass die Batterie 30 für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb zur Verfügung steht. Der Taktbetrieb kann beendet werden und die Halbleiterschalter der Batteriezellen können permanent eingeschaltet werden.
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Dadurch, dass jede der Batteriezellen 32, 34, 36, 38 eine Batteriezellensteuereinheit 40 aufweist, können weitere Parameter berücksichtigt werden, um den jeweiligen Ladungszustand einzustellen. Beispielsweise kann eine Historie bezüglich des Ladungszustands, einer maximalen Strombelastung, einer maximalen thermischen Belastung und/oder dergleichen berücksichtigt werden. Dadurch kann für jede Batteriezelle vorzugsweise eine individuelle Einstellung des Ladungszustands erreicht werden, sodass ein möglichst optimaler zuverlässiger und wartungsarmer Betrieb erreicht werden kann.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch gezieltes Aktiveren beziehungsweise Deaktivieren einzelner Batteriezellen die Gesamtperformance beziehungsweise die Lebensdauer der Batterie 30 sinnvoll zu steigern. Insbesondere kann erreicht werden, dass bei Ausfall einer Batteriezelle diese mittels ihres jeweiligen Halbleiterschalters abgeschaltet wird, sodass ein Notbetrieb realisiert werden kann. Darüber hinaus können hierdurch gefährliche Zustände vermieden werden.
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Auch wenn die Erfindung anhand von Batterien von Kraftfahrzeugen erläutert worden ist, ist es für den Fachmann klar, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt ist. Die Erfindung kann natürlich auch bei stationären elektrischen Anlagen, insbesondere auch im Bereich von elektrischen Schaltanlagen, zum Einsatz kommen. Gerade hier kommt der erfindungsgemäße Vorteil besonders deutlich hervor, insbesondere dann, wenn die Erfindung bei unterbrechungsfreien Energieversorgungen, insbesondere für sicherheitsrelevante Funktionen, eingesetzt wird. Dies ist besonders bei elektrischen Anlagen in der Signaltechnik beziehungsweise der Kommunikationstechnik von großem Vorteil.
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Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkt.
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Die für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für entsprechende Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
