DE102015116371A1 - BALANCING A BATTERY - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das Balancing einer Batterie (100) mit: – einer ersten Zelle (1) und einer zweiten Zelle (3), die in Serie verschaltet sind; – einer Messeinrichtung (14) zur Bestimmung von Ladezustandswerten (11, 12) der ersten und zweiten Zelle (1, 3) und eines Ladestroms (9) in die Batterie (100; – einer Steuereinrichtung (10), die einen Differenzwert (5) der Ladezustandswerte (11, 12) der ersten und der zweiten Zelle (1, 3) ermittelt, und – eine Ladeeinrichtung (15), die einen Ladungsausgleich zwischen der ersten Zelle (1) und der zweiten Zelle (3) einleitet, wenn – dieser Differenzwert (5) einen ersten Schwellwert (6) überschreitet und – der Ladezustandswert (11, 12) der zu entladenden ersten oder zweiten Zelle (1, 3) einen zweiten Schwellwert (7) überschreitet, und – der Ladestrom (9) in die Batterie (100) einen dritten Schwellwert (8) überschreitet.The present invention relates to the balancing of a battery (100) comprising: - a first cell (1) and a second cell (3) connected in series; - A measuring device (14) for determining state of charge values (11, 12) of the first and second cell (1, 3) and a charging current (9) in the battery (100) - a control device (10) having a difference value (5) the charge state values (11, 12) of the first and the second cell (1, 3), and - a charging device (15) which initiates a charge equalization between the first cell (1) and the second cell (3), if this Difference value (5) exceeds a first threshold value (6) and - the charge state value (11, 12) of the first or second cell (1, 3) to be discharged exceeds a second threshold value (7), and - the charge current (9) into the battery (100) exceeds a third threshold (8).

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die vorliegende Erfindung betrifft das Balancing einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie. The present invention relates to the balancing of a battery, in particular a lithium-ion battery.

Stand der Technik State of the art

Um die Nennspannung von Batterien zu erhöhen, werden in der Regel mehrere Einzelzellen in Serie geschaltet. Aufgrund von unterschiedlichen Alterungs- und Fertigungsmethoden der Einzelzellen einer Batterie gibt es jedoch bei den in Reihe geschalteten Einzelzellen Schwankungen in ihrer Kapazität, im Innenwiderstand und der Selbstentladung dieser Zellen. Bei seriell-verschalteten Batteriezellen führt dies neben einer unterschiedlichen Ladung bzw. Entladung dazu, dass die Zellen unterschiedlich ge- und entladen werden und deshalb jeweils kritische Ladezustände einnehmen können. Unterschiedliche Spannungslagen der einzelnen Batteriezellen innerhalb einer Reihenschaltung von Zellen einer Batterie führen jedoch bei einer Entladung von Zellen zu der Gefahr der Tiefenentladung einzelner Zellen. To increase the nominal voltage of batteries, usually several single cells are connected in series. Due to different aging and manufacturing methods of the single cells of a battery, however, there are fluctuations in the capacity, internal resistance and self-discharge of these cells in the series-connected single cells. In the case of series-connected battery cells, in addition to a different charge or discharge, this leads to the cells being charged and discharged differently and therefore each being able to assume critical states of charge. Different voltage levels of the individual battery cells within a series circuit of cells of a battery, however, lead to a risk of deep discharge of individual cells in a discharge of cells.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass in Serie geschaltete Zellen beim Aufladen der Batterie, zum Beispiel aufgrund von Fertigungstoleranzen, nicht gemeinsam die gleiche Ladeschlussspannung erreichen, was zu einem Überladen einzelner Zellen führen kann. Another problem is that cells connected in series when charging the battery, for example due to manufacturing tolerances, do not collectively reach the same end-of-charge voltage, which can lead to overloading of individual cells.

Um diesen bekannten Problemen zu begegnen, werden sogenannte Balancer im Stand der Technik eingesetzt. Als Balancer wird ein elektrisches Gerät bezeichnet, das alle Batteriezellen innerhalb eines Akkupacks auf dieselbe Ladeschlussspannung bringt und damit die vollständige Aufladung aller Zellen ermöglicht. To address these known problems, so-called balancers are used in the prior art. A balancer is an electrical device that brings all battery cells within a battery pack to the same end-of-charge voltage, thus enabling full charging of all cells.

Von großer Bedeutung ist der Einsatz dieser Balancing-Geräte bei Akkus, die auf einer Lithium-Ionen-Zellentechnologie basieren. Denn bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen besteht ein Problem darin, dass ein Überladen von einzelnen Zellen – was zum Beispiel durch unterschiedliche Ladezustände einzelner Zellen innerhalb der seriell-verschalteten Batteriezellen verursacht sein kann – sofort zu einer Zellschädigung durch Zersetzung des Elektrolyts, bei einigen Typen sogar zu starker Erwärmung bis hin zur Brandgefahr, führt. Of great importance is the use of these balancing devices in batteries based on lithium-ion cell technology. One problem with the use of lithium-ion cells is that overcharging of individual cells-which may be caused, for example, by different states of charge of individual cells within the series-connected battery cells-immediately leads to cell damage through decomposition of the electrolyte Some types even cause excessive heating up to the risk of fire.

Zu unterschiedlichen Ladezuständen der seriell-verschalteten Batteriezellen kann es zum Beispiel kommen, wenn die seriellverschalteten Zellen sich durch unterschiedliche Anfangskapazitäten oder unterschiedliche kapazitive Alterung unterscheiden, aber auch weil sich die seriell-verschalteten Zellen unterschiedlich entladen, was zum Beispiel durch eine zusätzliche externe Beschaltung dieser Zellen verursacht sein kann. Different charge states of the series-connected battery cells can occur, for example, if the series-connected cells differ in terms of different initial capacitances or different capacitive aging, but also because the series-connected cells discharge differently, for example due to an additional external connection of these cells can be caused.

Der Ladezustand einer Batterie wird in der Regel über die Gesamtspannung an den Enden der Serienschaltung ermittelt. Ob sich dazwischen stärkere, also mehr aufgeladene oder schwächere, also weniger aufgeladene Zellen befinden, lässt sich auf diese Weise jedoch nicht feststellen. Dies führt dann oftmals zu folgendem Szenario: Bei Erreichen der Entladeschlussspannung können sich schwache Zellen bereits im Tiefenentladebereich befinden, während die stärkeren Zellen noch Energie enthalten. Beim Aufladen erreichen kapazitätsärmere Zellen und Zellen, die nicht vollständig entladen waren, früher die Ladeschlussspannung und werden deshalb überladen. Die restlichen Batteriezellen werden hingegen nicht vollständig aufgeladen. Generell ist bekannt, dass Batteriezellen, die über- oder tiefentladen werden, schneller altern und ihre Kapazität verlieren, was wiederum die Gesamtbatterie schädigt. Balancer sollen genau dies verhindern. The state of charge of a battery is usually determined by the total voltage at the ends of the series circuit. However, it is not possible to determine whether stronger, ie more charged or weaker, ie less charged, cells are present in between. This often leads to the following scenario: When reaching the final discharge voltage, weak cells may already be in the deep discharge area, while the stronger cells still contain energy. During charging, lower capacity cells and cells that were not fully discharged reach the end of charge end earlier and are therefore overcharged. The remaining battery cells, however, are not fully charged. Generally, it is known that over-or under-discharged battery cells age faster and lose their capacity, which in turn damages the overall battery. Balancers are designed to prevent this.

Ein Problem von Balancern, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, besteht darin, dass diese im Bereich des Batterieladeschlusses arbeiten, also in einem Bereich, in dem die einzelnen Zellen praktisch vollgeladen sind. Im Stand der Technik wird also ein Balancing bei Vollladung durchgeführt: Falls eine seriell-verschaltete Zelle also die Ladeschlussspannung oder eine bestimmte Schwellspannung erreicht, wird der Ladungsausgleich gestartet. Dies hat jedoch den Nachteil, dass, falls die Batterie nicht vollständig geladen wird, dies zu unsymmetrierten Zellen führen kann. Im Stand der Technik ist es deshalb nicht möglich, ein Balancing von Lithium-Ionen-Zellen über einen weiten Ladezustandsbereich durchzuführen. Zudem ist ein Rückschluss aus der Spannung der Zellen auf deren Ladezustand nur mit relativ hohen Ungenauigkeiten möglich. A problem of balancers, as known in the art, is that they operate near the battery end of charge, that is, in an area where the individual cells are practically fully charged. In the prior art, therefore, a full charge balancing is performed: If a series-connected cell thus reaches the end-of-charge voltage or a certain threshold voltage, the charge equalization is started. However, this has the disadvantage that, if the battery is not fully charged, this can lead to unsymmetrical cells. In the prior art, it is therefore not possible to perform a balancing of lithium-ion cells over a wide state of charge state. In addition, a conclusion from the voltage of the cells on their state of charge is possible only with relatively high inaccuracies.

Beschreibung der Erfindung Description of the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Batterie für das Balancing von in Serie geschalteten Einzelzellen eines Akkumulators für einen Ladungsausgleich bzw. ein Balancing derart weiter zu entwickeln, dass ein Ladungsausgleich zwischen den seriell-verschalteten Zellen über einen weiten Ladezustandsbereich ermöglicht wird. The object of the present invention is to develop a battery for the balancing of series-connected single cells of a rechargeable battery or a balancing such that a charge equalization between the series-connected cells over a wide charge state range is made possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. This object is achieved by the features of independent claim 1.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterie mit einer ersten Zelle und einer zweiten Zelle, die in Serie verschaltet sind, einer Messeinrichtung zur Bestimmung Ladezustandswerten der ersten und zweiten Zelle und eines Ladestroms in die Batterie, einer Steuereinrichtung, die einen Differenzwert der Ladezustandswerte der ersten und der zweite Zelle ermittelt, und einer Ladeeinrichtung, die einen Ladungsausgleich zwischen der ersten Zelle und der zweiten Zelle einleitet, wenn dieser Differenzwert einen ersten Schwellwert überschreitet und der Ladezustandswert der zu entladenden ersten oder zweiten Zelle einen zweiten Schwellwert überschreitet, und der Ladestrom in die Batterie einen dritten Schwellwert überschreitet. This object is achieved by a battery having a first cell and a second cell, which are connected in series, a measuring device for determining state of charge values of the first and second cell and a charging current into the battery, a control device which determines a difference value of the state of charge values of the first and the second cell, and a charging device which initiates a charge equalization between the first cell and the second cell, if this difference value exceeds a first threshold value, and the state of charge value of the first or second cell to be discharged exceeds a second threshold value, and the charging current into the battery exceeds a third threshold value.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass für einen Ladungsausgleich (= Zellsymmetrierung) keine Vollladung der Batterie notwendig ist. Das Balancing kann also bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Batterie über einen weiten Ladezustandsbereich erfolgen. Ein Balancing wird also auch bei Zyklisierung in einem flachen Bereich der Spannungskennlinie der Zellen möglich. Auf diese Weise werden ein Überladen und ein Tiefentladen von einzelnen in Serie geschalteten Batteriezellen verhindert. An advantage of the present invention is that for a charge balance (= cell symmetry) no full charge of the battery is necessary. The balancing can thus take place in the present battery according to the invention over a wide state of charge state. Balancing is thus also possible with cyclization in a flat region of the voltage characteristic of the cells. In this way, overcharging and over-discharging of individual series-connected battery cells is prevented.

Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Batterie ein unterschiedliches kapazitives Altern der einzelnen Zellen aufgrund unterschiedlicher Ladezustände der einzelnen Zellen zumindest verlangsamt. Furthermore, a different capacitive aging of the individual cells due to different states of charge of the individual cells is at least slowed down by the battery according to the invention.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Batterie besteht darin, dass der Ladungsausgleich (=Balancing) schneller erfolgen kann. Another advantage of the battery according to the invention is that the charge balance (= balancing) can be done faster.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Batterie besteht darin, dass eine Kapazitätsabnahme der Batterie durch unterschiedliche Ladezustände der einzelnen Zellen der Batterie vermieden wird. Another advantage of the battery according to the invention is that a capacity decrease of the battery is avoided by different states of charge of the individual cells of the battery.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Batterie besteht darin, dass gerade Lithium-Ionen-Speicher im Automobilbereich eingesetzt werden können, die als Ersatz für die konventionellen Bleibatterien dienen können. Der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien eignet sich aufgrund ihrer flachen Spannungskennlinie über einen weiten Ladezustand gut für dieses Einsatzgebiet. Die Herausforderung beim Balancing von Lithium-Ionen-Zellen besteht nämlich darin, das Balancing in einem flachen Spannungskennlinienbereich der einzelnen Zellen über einen weiten Ladezustandsbereich durchzuführen. Dies ist mit der erfindungsgemäßen Batterie nun möglich. Another advantage of the battery according to the invention is that just lithium-ion memory can be used in the automotive sector, which can serve as a replacement for the conventional lead-acid batteries. The use of lithium-ion batteries is well suited for this application due to its flat voltage characteristic over a wide charge state. The challenge in the balancing of lithium-ion cells is namely to carry out the balancing in a flat voltage characteristic range of the individual cells over a wide charge state range. This is now possible with the battery according to the invention.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Preferred embodiments of the invention

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt der Ladungsausgleich zwischen der ersten Zelle und der zweiten Zelle dadurch, dass die Steuereinrichtung für eine Zellentladung einen Kondensator parallel zu der zu entladenden ersten Zelle schaltet und anschließend den geladenen Kondensator parallel zu der zu ladenden zweiten Zelle schaltet. Dadurch wird die zweite Zelle auf einen Ladezustandswert aufgeladen. In a preferred embodiment of the present invention, the charge balance between the first cell and the second cell occurs in that the cell discharge control means switches a capacitor in parallel with the first cell to be discharged and then switches the charged capacitor in parallel with the second cell to be charged. This charges the second cell to a state of charge state.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Ladezustandswert ein Spannungswert. In a preferred embodiment of the present invention, the state of charge value is a voltage value.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der zweite Schwellwert eine Ladeschlussspannung. Dadurch kann eine Schädigung der Zellen durch Überladung vermieden werden. Insbesondere bei Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen können durch Überladung irreparable Zellschädigungen auftreten, die auf diese Weise vermieden werden. In a preferred embodiment of the present invention, the second threshold value is a charge end voltage. As a result, damage to the cells can be avoided by overcharging. In particular, when using lithium-ion cells irreparable cell damage may occur by overcharging, which are avoided in this way.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt der Ladungsausgleich zwischen der ersten und zweiten Zelle dadurch, dass die zu entladende Zelle, also die Zelle mit dem höheren Ladezustand, parallel auf einen Balancerwiderstand geschalten und dadurch auf einen Ladezustandswert entladen wird. In a further preferred embodiment of the present invention, the charge balance between the first and second cell takes place in that the cell to be discharged, ie the cell with the higher state of charge, is connected in parallel to a balancing resistor and thereby discharged to a state of charge value.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt der zweite Schwellwert in einem Bereich zwischen 65 und 90 Prozent eines Ladezustands bei Vollladung. Dies hat den Vorteil, dass der Zeitpunkt für einen Beginn des Ladungsausgleichs nicht erst erfolgen muss, wenn die in Serie geschalteten Einzelzellen jeweils ihre Ladeschlussspannung erreicht haben, diese also praktisch vollgeladen sind. Aus diesem Grund kann ein Ladungsausgleich früher stattfinden, und muss nicht erst bei Vollladung der einzelnen Zellen stattfinden. In a preferred embodiment of the present invention, the second threshold is in a range between 65 and 90 percent of a full charge state of charge. This has the advantage that the time for a start of charge equalization does not have to be made until the series-connected individual cells each have reached their end-of-charge voltage, ie they are practically fully charged. For this reason, charge balancing can take place earlier and does not have to take place until the individual cells are fully charged.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beendet die Steuereinrichtung den Ladungsausgleich zwischen der ersten und der zweiten Zelle, wenn der Differenzwert von Ladezustandswerten der ersten und zweiten Zelle einen vierten Schwellwert unterschreitet, oder der Ladezustandswert der zu entladenden ersten oder zweiten Zelle einen fünften Schwellwert unterschreitet, oder der Ladestrom in die Batterie einen sechsten Schwellwert unterschreitet. In a preferred embodiment of the present invention, the control device terminates the charge compensation between the first and the second cell if the difference value of charge state values of the first and second cell falls below a fourth threshold value, or the charge state value of the first or second cell to be discharged falls below a fifth threshold value. or the charging current into the battery falls below a sixth threshold.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Batterie eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie. Die Verwendung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien hat den Vorteil, dass dieser Typ von Batterien eine sehr flache Spannungskennlinie über einen weiten Ladezustandsbereich aufweist. In a preferred embodiment of the present invention, the battery is a lithium iron phosphate battery or a lithium ion battery. The use of lithium iron phosphate batteries has the advantage that this type of battery has a very flat voltage characteristic over a wide charge state range.

Kurze Figurenbeschreibung Short description of the figures

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel beschrieben, das anhand einer Zeichnung näher erläutert wird. Hierbei zeigt: The invention will be described with reference to an embodiment which is explained in more detail with reference to a drawing. Hereby shows:

1 eine schematische Abbildung der erfindungsgemäßen Batterie. 1 a schematic illustration of the battery according to the invention.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie 100 mit einer ersten Zelle 1 und einer zweiten Zelle 3, die miteinander in Serie verschaltet sind. Die erfindungsgemäße Batterie 100 umfasst weiterhin eine Messeinrichtung 14 zur Bestimmung von Ladezustandswerten 11, 12 der ersten und zweiten Zelle 1, 3 und eines Ladestroms 9 in die Batterie 100. Weiterhin umfasst die Batterie 100 eine Steuereinrichtung 10, die einen Differenzwert 5 der Ladezustandswerte 11, 12 der ersten und der zweiten Zelle 1, 3 ermittelt. Zudem umfasst die erfindungsgemäße Batterie 100 eine Ladeeinrichtung 15, die einen Ladungsausgleich zwischen der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3 einleitet. Die Ladeeinrichtung 15 kann dabei als eine Ladungstransfereinrichtung oder eine Ladungsausgleichseinrichtung ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Batterie 100 umfasst weiterhin einen Spannungsanschluss 50, wie in 1 gezeigt. 1 shows a battery according to the invention 100 with a first cell 1 and a second cell 3 , which are interconnected in series. The battery according to the invention 100 further comprises a measuring device 14 for determining state of charge values 11 . 12 the first and second cell 1 . 3 and a charging current 9 in the battery 100 , Furthermore, the battery includes 100 a control device 10 that has a difference value 5 the state of charge values 11 . 12 the first and the second cell 1 . 3 determined. In addition, the battery according to the invention comprises 100 a charging device 15 that charge a balance between the first cell 1 and the second cell 3 initiates. The charging device 15 can be designed as a charge transfer device or a charge compensation device. The battery according to the invention 100 further includes a voltage connection 50 , as in 1 shown.

Es sei hierbei generell angemerkt, dass die Darstellung der erfindungsgemäßen Batterie 100 in der 1 das erfindungsgemäße Prinzip lediglich beispielhaft und vereinfacht illustriert. In der Praxis umfasst zum Beispiel eine 12Volt-Kraftfahrtzeug-Batterie vier Lithium-Ionen-Zellen, die miteinander in Serie geschaltet sind. Eine 24Volt-Batterie für einen Lastkraftwagen umfasst zum Beispiel acht Lithium-Ionen-Zellen oder Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen), die miteinander in Serie geschaltet sind. It should be noted here in general that the representation of the battery according to the invention 100 in the 1 the inventive principle illustrated by way of example and simplified. In practice, for example, a 12 volt automotive battery includes four lithium ion cells connected in series with one another. A 24 volt battery for a truck includes, for example, eight lithium-ion cells or lithium-iron-phosphate cells) connected in series with each other.

Der Ladungsausgleich zwischen der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3 wird von der Ladeeinrichtung 15 eingeleitet, wenn der Differenzwert 5 einen ersten Schwellwert 6 überschreitet, und der Ladezustandswert 11, 12 der zu entladenden ersten oder zweiten Zelle 1, 3 einen zweiten Schwellwert 7 überschreitet, und der Ladestrom 9 in die Batterie 100 einen dritten Schwellwert 8 überschreitet. Der Differenzwert 5 wird also gebildet aus einer Spannungsdifferenz zwischen der zu symmetrierenden Zelle 1, 3 und einer Zelle 1, 3, die die niedrigste Zellspannung aufweist. The charge balance between the first cell 1 and the second cell 3 is from the charging device 15 initiated when the difference value 5 a first threshold 6 exceeds, and the state of charge value 11 . 12 the first or second cell to be unloaded 1 . 3 a second threshold 7 exceeds, and the charging current 9 in the battery 100 a third threshold 8th exceeds. The difference value 5 is thus formed from a voltage difference between the cell to be balanced 1 . 3 and a cell 1 . 3 which has the lowest cell voltage.

Der Ladungsausgleich zwischen der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3, also ein Balancing, erfolgt, indem die Steuereinrichtung 10 für die Zellentladung einen Kondensator 13 parallel zu der zu entladenden ersten Zelle 1 schaltet, um die zu entladende erste Zelle 1 auf einen Ladezustandswert 11 zu entladen. Dieser Ladezustandswert 11 der zu entladenden ersten Zelle 1 kann durch das Aktivieren des Balancing beispielsweise von 3,3 Volt auf einen Spannungswert von 2,8 Volt absinken. The charge balance between the first cell 1 and the second cell 3 So a balancing, done by the controller 10 for the cell discharge a capacitor 13 parallel to the first cell to be unloaded 1 switches to the first cell to be unloaded 1 to a state of charge value 11 to unload. This charge state value 11 the first cell to be unloaded 1 For example, by enabling balancing, it may drop from 3.3 volts to a voltage of 2.8 volts.

Um die Zelle mit dem niedrigeren Ladezustandswert zu laden, schaltet die Steuereinheit 10 den durch einen Entladevorgang der Zelle 1 aufgeladenen Kondensator 13 parallel zu der zu ladenden zweiten Zelle 3, um die zweite Zelle 3 auf einen Ladezustandswert 12 aufzuladen. Dadurch kann zum Beispiel die zweite Zelle 3 von einem ursprünglichen Ladezustandswert 2,3 Volt auf einen neuen Ladezustandswert von 2,8 Volt gebracht werden. To charge the cell with the lower state of charge value, the control unit switches 10 by a discharge of the cell 1 charged capacitor 13 parallel to the second cell to be charged 3 to the second cell 3 to a state of charge value 12 charge. This allows, for example, the second cell 3 from an initial state of charge of 2.3 volts to a new state of charge of 2.8 volts.

Auf diese Weise wird also erreicht, dass sich die Ladezustandswerte der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3 durch einen Ladungsausgleich einander anpassen. Somit wird ein Überladen der zu symmetrierenden ersten Zelle 1 verhindert, aber zugleich wird auch ein Tiefentladen der zweiten Zelle 3, die die Zelle mit der niedrigsten Zellspannung ist, ebenfalls verhindert. So wird eine Kapazitätsaufnahme der einzelnen Zellen der Batterie 100 durch voneinander unterschiedlicher Ladezustände der beiden Zellen vermieden. In this way it is thus achieved that the charge state values of the first cell 1 and the second cell 3 adjust each other by a charge balance. Thus, an overloading of the first cell to be balanced becomes 1 prevents, but at the same time also a deep discharge of the second cell 3 , which is the cell with the lowest cell voltage, also prevents it. This will be a capacity uptake of the individual cells of the battery 100 avoided by different charge states of the two cells.

Der Ladungsausgleich zwischen der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3 kann jedoch auch dadurch erfolgen, dass die zu entladende Zelle, also die Zelle mit dem höheren Ladezustand, parallel auf einen sogenannten Balancing-Widerstand (nicht dargestellt) geschalten und dadurch auf einen neuen oder anderen Ladezustandswert entladen wird. Diese Vorgehensweise wird auch als passives Balancing bezeichnet. The charge balance between the first cell 1 and the second cell 3 However, it can also take place in that the cell to be discharged, ie the cell with the higher state of charge, connected in parallel to a so-called balancing resistor (not shown) and thereby discharged to a new or different state of charge state. This approach is also referred to as passive balancing.

Bevorzugt liegt der zweite Schwellwert 7 in einem Bereich zwischen 65 und 90% eines Ladezustandes der Zellen 1, 3 bei Vollladung. Der zweite Schwellwert 7 ist eine Ladeschlussspannung. Preferably, the second threshold is 7 in a range between 65 and 90% of a state of charge of the cells 1 . 3 at full charge. The second threshold 7 is a charge end voltage.

Damit erfolgt beim Laden der Batterie der Start des Ladungsausgleiches (=Balancing) zwischen der in Serie geschalteten Zelle 1 und der Zelle 3 zu einem sehr frühen Zeitpunkt, das heißt, in einem flachen Bereich der Ruhespannungskennlinie der Zellen. Damit verlängert sich die mögliche Balancingzeit, wodurch ein ausreichender Ladungsausgleich vor Erreichen einer Ladeschlussspannung ermöglicht wird. Die hat den Vorteil, dass die Ladeeinrichtung 15 kleiner dimensioniert werden kann und somit weniger thermische Verluste in der Batterie 100 entstehen. Der Ladestrom 9 teilt sich beim Ladungsausgleich wie folgt auf: Bei der Zellentladung durch den Kondensator 13, der parallel zu der zu entladenen ersten Zelle 1 geschaltet wird, fließt ein Teil des Ladestroms durch die Zelle 1 und hin zu dem zu ihr parallel geschalteten Kondensator 13. Ein zweiter Teil des Ladestroms 9 fließt weiter zur zweiten Zelle 3 und lädt somit die zweite Zelle 3 auf. Thus, when charging the battery, the start of charge balancing (= balancing) takes place between the series-connected cell 1 and the cell 3 at a very early stage, that is, in a shallow region of the quiescent voltage characteristic of the cells. This lengthens the possible balancing time, allowing sufficient charge equalization before reaching a final charging voltage. The advantage is that the charging device 15 can be dimensioned smaller and thus less thermal losses in the battery 100 arise. The charging current 9 is divided during charge equalization as follows: During cell discharge through the capacitor 13 parallel to the first cell to be discharged 1 is switched, a portion of the charging current flows through the cell 1 and to the capacitor connected in parallel with it 13 , A second part of the charging current 9 continues to the second cell 3 and thus loads the second cell 3 on.

Bei der Zellladung hingegen fließt ein Teil des Ladestroms von dem Kondensator 13, der nun parallel zur zu ladenden zweiten Zelle 3 geschaltet ist, in die zweite Zelle 3. Auf diese Weise werden die Ladezustandswerte der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3 aneinander angeglichen. By contrast, during cell charging, part of the charging current flows from the capacitor 13 , now parallel to the second cell to be loaded 3 is switched to the second cell 3 , In this way, the state of charge values of the first cell become 1 and the second cell 3 aligned with each other.

Der Ladungsausgleich zwischen der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3 wird von der Steuereinrichtung 10 beendet, wenn der Differenzwert 5 von Ladezustandswerten 11, 12 der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3 einen vierten Schwellwert 16 unterschreitet, oder der Ladezustandswert 11, 12 der zu entladenden ersten oder zweiten Zelle 1, 3 einen fünften Schwellwert 17 unterschreitet, oder der Ladestrom 9 in die Batterie 100 einen sechsten Schwellwert 18 unterschreitet. The charge balance between the first cell 1 and the second cell 3 is from the controller 10 ended when the difference value 5 of state of charge values 11 . 12 the first cell 1 and the second cell 3 a fourth threshold 16 below or the state of charge value 11 . 12 the first or second cell to be unloaded 1 . 3 a fifth threshold 17 falls below, or the charging current 9 in the battery 100 a sixth threshold 18 below.

In der Praxis hat es sich bewährt, dass der Ladungsausgleich dann stattfindet oder von der Steuereinrichtung 10 initiiert wird, wenn die Ladezustandswerte der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 2 sich um ungefähr 1% voneinander unterscheiden. In diesem Fall wird also bei einer Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Zellen das Balancing aktiviert. Die Differenz der zugehörigen Ladezustandswerte der einzelnen Zellen ist zudem abhängig von dem Ladestrom und von dem Ladezustand der beiden Zellen. In practice, it has been proven that the charge equalization then takes place or by the control device 10 is initiated when the state of charge of the first cell 1 and the second cell 2 differ by about 1%. In this case, the balancing is activated if there is a voltage difference between the individual cells. The difference between the associated state of charge values of the individual cells is also dependent on the charging current and the state of charge of the two cells.

Der Ladestrom 9 kann dabei in seinem Betrag durchaus variieren. Dies tritt beispielsweise dann auf, wenn die zweite Zelle 3 einen sehr niedrigen Spannungswert aufweist. Dann läßt sich durch einen höheren Ladestrom 9 die zweite Zelle 3 schneller auf ihre Ladeendspannung bringen. Dabei ist jedoch sicherzustellen, dass bei der zu entladenden (=zu symmetrierenden) ersten Zelle 1 gewährleistet wird, dass der durch sie fließende Ladestrom 9 auch von dem Kondensator 13 abgeführt werden kann, um ein Überladen der Zelle 1 zu verhindern. Der Kondensator 13 muss also dafür entsprechend dimensioniert sein. The charging current 9 can vary in its amount. This occurs, for example, when the second cell 3 has a very low voltage value. Then can be by a higher charging current 9 the second cell 3 bring faster to their final charge voltage. However, it must be ensured that the first cell to be unloaded (= to be symmetrized) 1 it is ensured that the charging current flowing through them 9 also from the capacitor 13 can be dissipated to overload the cell 1 to prevent. The capacitor 13 must therefore be dimensioned accordingly.

Es sei hierbei angemerkt, dass der Ladestrom durch das Ladegerät bzw. den an der Batterie angeschlossenen Generator begrenzt wird. Falls die Zellen stark unsymmetrische Ladezustände besitzen, und mit einem hohen Strom geladen werden muss, muss die Ladeeinrichtung entsprechend dimensioniert sein, um die Ladung schnell genug ausgleichen zu können oder alternativ sollte eine Abschalteinheit vorhanden sein, die ein Überladen einer Zelle verhindert. Durch die erfindungsgemäße Batterie 100 soll aber gerade vermieden werden, dass zu große Unsymmetrien in den Ladezuständen der in Serie geschalteten Zellen entstehen. It should be noted here that the charging current is limited by the charger or connected to the battery generator. If the cells have strong non-symmetrical states of charge and must be charged with a high current, the charging device must be dimensioned accordingly in order to be able to compensate the charge quickly enough or, alternatively, there should be a turn-off device which prevents an overcharging of a cell. By the battery according to the invention 100 But should just be avoided that arise too large asymmetries in the charge states of the cells connected in series.

Durch die erfindungsgemäße Batterie 100 wird also der Vorteil erzielt, dass ein Balancing auch bei Zyklisierung der einzelnen Zellen 1, 3 in einem flachen Bereich der jeweiligen Spannungskennlinien der Zellen 1, 3 ermöglicht wird. Es ist also keine (intervallmäßige) Vollladung der einzelnen Zellen 1, 3 notwendig, um eine Zellsymmetrierung durchzuführen. Der Ladungsausgleich zwischen der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3 erfolgt außerdem vorzugsweise nur stromrichtungsabhängig, das bedeutet, dass der Ladungsausgleich vorzugsweise bei einem Ladevorgang der Batterie 100 erfolgt. By the battery according to the invention 100 So the advantage is achieved that a balancing even with cyclization of the individual cells 1 . 3 in a shallow region of the respective voltage characteristics of the cells 1 . 3 is possible. It is therefore no (interval) full charge of the individual cells 1 . 3 necessary to perform a cell symmetry. The charge balance between the first cell 1 and the second cell 3 In addition, it is preferably only dependent on the direction of the current, which means that the charge balance is preferably during a charging process of the battery 100 he follows.

Im Folgenden werden einige Beispiele für mögliche Schwellwerte angegeben werden, wie sie insbesondere bei der Zellsymmetrierung von LFP-Zellen (=Lithium-Eisen-Phosphat), auftreten können:
Der erste Schwellwert 6 stellt, wie bereits erwähnt, einen Differenzwert 5 aus Ladezustandswerten 11, 12 der ersten und der zweiten Zelle 1, 3 dar. Dieser Differenzwert 5, der eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3 abbildet, kann dabei zwischen 1 mVolt und 200 mVolt liegen.
In the following, some examples of possible threshold values are given, as they may occur in particular in the cell symmetrization of LFP cells (= lithium iron phosphate):
The first threshold 6 provides, as already mentioned, a difference value 5 out of state of charge values 11 . 12 the first and the second cell 1 . 3 dar. This difference value 5 , which is a voltage difference between the first cell 1 and the second cell 3 can be between 1 mVolt and 200 mVolt.

Der zweite Schwellwert 7, der einen Ladezustandswert 11, 12 der zu entladenden ersten oder zweiten Zelle 1, 3 angibt, und bei dem eine Zellsymmetrierung eingeleitet wird, wenn dieser zweite Schwellwert 7 überschritten wird, kann bei ungefähr 3,0 Volt bis 3,8 Volt liegen. The second threshold 7 , which is a state of charge value 11 . 12 the first or second cell to be unloaded 1 . 3 indicates, and in which a cell symmetry is initiated when this second threshold 7 can be at about 3.0 volts to 3.8 volts.

Der dritte Schwellwert 8 kann ein Wert von ungefähr 200mAmpere sein. Vorzugsweise kann der dritte Schwellwert 8 in einem Bereich zwischen 20mA und 1 Ampere liegen. Überschreitet der Ladestrom diesen dritten Schwellwert 8, dann soll die Zellsymmetrierung zwischen der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3 gestartet werden. The third threshold 8th can be a value of about 200mAmpere. Preferably, the third threshold 8th in a range between 20mA and 1 Amps lie. The charging current exceeds this third threshold 8th , then let the cell balance between the first cell 1 and the second cell 3 to be started.

Die Zellsymmetrierung wird beendet, wenn entweder die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Zelle 1 und der zweiten Zelle 3 einen vierten Schwellwert 16 unterschreitet, der bei ungefähr 5mVolt liegen kann, oder wenn der fünfte Schwellwert 17 unterschritten wird, der bei ungefähr 3,3 Volt liegen kann, oder wenn der sechste Schwellwert 18, also der Ladestrom in die Batterie, einen Wert unterschreitet, der bei ungefähr 500mAmpere oder kleiner liegt, um die Zellsymmetrierung zu beenden, wenn nur noch ein sehr kleiner Ladestrom in die Batterie fließt. The cell balancing is terminated when either the voltage difference between the first cell 1 and the second cell 3 a fourth threshold 16 falls below about 5mVolt, or if the fifth threshold 17 is below, which may be at about 3.3 volts, or if the sixth threshold 18 , that is, the charging current into the battery, falls below a value that is at about 500mAmpere or less, to end the cell balancing when only a very small charging current flows into the battery.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
erste Zelle first cell
3 3
zweite Zelle second cell
5 5
Differenzwert difference value
6 6
erster Schwellwert first threshold
7 7
zweiter Schwellwert second threshold
8 8th
dritter Schwellwert third threshold
9 9
Ladestrom charging current
10 10
Steuereinrichtung control device
11, 12 11, 12
Ladezustandswert State of charge value
13 13
Kondensator capacitor
14 14
Messeinrichtung measuring device
15 15
Ladeeinrichtung loader
16 16
vierter Schwellwert fourth threshold
17 17
fünfter Schwellwert fifth threshold
18 18
sechster Schwellwert sixth threshold
50 50
Batteriespannung battery voltage
100100
Batterie  battery

Claims (7)

Batterie (100) mit: – einer ersten Zelle (1) und einer zweiten Zelle (3), die in Serie verschaltet sind; – einer Messeinrichtung (14) zur Bestimmung von Ladezustandswerten (11, 12) der ersten und zweiten Zelle (1, 3) und eines Ladestroms (9) in die Batterie (100); – einer Steuereinrichtung (10), die einen Differenzwert (5) der Ladezustandswerte (11, 12) der ersten und der zweiten Zelle (1, 3) ermittelt, und – einer Ladeeinrichtung (15), die einen Ladungsausgleich zwischen der ersten Zelle (1) und der zweiten Zelle (3) einleitet, wenn – dieser Differenzwert (5) einen ersten Schwellwert (6) überschreitet, und – der Ladezustandswert (11, 12) der zu entladenden ersten oder zweiten Zelle (1, 3) einen zweiten Schwellwert (7) überschreitet, und – der Ladestrom (9) in die Batterie (100) einen dritten Schwellwert (8) überschreitet. Battery ( 100 ) with: - a first cell ( 1 ) and a second cell ( 3 ), which are connected in series; - a measuring device ( 14 ) for determining state of charge values ( 11 . 12 ) of the first and second cells ( 1 . 3 ) and a charging current ( 9 ) into the battery ( 100 ); A control device ( 10 ), which has a difference value ( 5 ) of the state of charge values ( 11 . 12 ) of the first and second cells ( 1 . 3 ), and - a charging device ( 15 ), which charge balance between the first cell ( 1 ) and the second cell ( 3 ), if - this difference value ( 5 ) a first threshold ( 6 ), and - the state of charge value ( 11 . 12 ) of the first or second cell to be discharged ( 1 . 3 ) a second threshold ( 7 ), and - the charging current ( 9 ) into the battery ( 100 ) a third threshold ( 8th ) exceeds. Batterie (100) nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei der Ladungsausgleich zwischen der ersten Zelle (1) und der zweiten Zelle (3) dadurch erfolgt, dass die Steuereinrichtung (10) für eine Zellentladung einen Kondensator (13) parallel zu der zu entladenden ersten Zelle (1) schaltet und anschließend den geladenen Kondensator (13) parallel zu der zu ladenden zweiten Zelle (3) schaltet. Battery ( 100 ) according to the preceding claim, wherein the charge balance between the first cell ( 1 ) and the second cell ( 3 ) is effected in that the control device ( 10 ) for a cell discharge a capacitor ( 13 ) parallel to the first cell to be unloaded ( 1 ) and then the charged capacitor ( 13 ) parallel to the second cell to be charged ( 3 ) switches. Batterie (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Ladezustandswert (11, 12) ein Spannungswert ist. Battery ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the state of charge value ( 11 . 12 ) is a voltage value. Batterie (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der zweite Schwellwert (7) eine Ladeschlussspannung ist. Battery ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the second threshold value ( 7 ) is a charge end voltage. Batterie (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der zweite Schwellwert (7) in einem Bereich zwischen 65 und 90 Prozent eines Ladezustands bei Vollladung liegt. Battery ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the second threshold value ( 7 ) is in a range between 65 and 90 percent of a full charge state of charge. Batterie (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (10) den Ladungsausgleich zwischen der ersten und der zweiten Zelle (1, 3) beendet, – wenn der Differenzwert (5) von Ladezustandswerten (11, 12) der ersten und zweiten Zelle (1, 3) einen vierten Schwellwert (16) unterschreitet, oder – der Ladezustandswert (11, 12) der zu entladenden ersten oder zweiten Zelle (1, 3) einen fünften Schwellwert (17) unterschreitet, oder – der Ladestrom (9) in die Batterie (100) einen sechsten Schwellwert (18) unterschreitet. Battery ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the control device ( 10 ) the charge balance between the first and the second cell ( 1 . 3 ), if the difference value ( 5 ) of state of charge values ( 11 . 12 ) of the first and second cells ( 1 . 3 ) a fourth threshold ( 16 ), or - the state of charge value ( 11 . 12 ) of the first or second cell to be discharged ( 1 . 3 ) a fifth threshold ( 17 ), or - the charging current ( 9 ) into the battery ( 100 ) a sixth threshold ( 18 ) falls below. Batterie (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Batterie (100) eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie ist. Battery ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the battery ( 100 ) is a lithium iron phosphate battery or a lithium ion battery.
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