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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum aktiven Energiebalancing oder aktiven Spannungsausgleich zwischen Zellen bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators oder Speichereinheiten.
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Im Rahmen der Bestrebungen, eine hohe Akzeptanz und damit eine breite Nutzung der Elektromobilität zu erreichen, ist es von essenzieller Bedeutung, Akkumulatorsysteme mit hoher Energie- und Leistungsdichte sowie hoher Kapazität zu entwickeln. Aber auch für stationäre Speicher, insbesondere bei der Nutzung von sog. „SecondLife“-Zelten, also Batterie- bzw. Akkumulator-Zellen, die bereits in einem anderen Batterie- bzw. Akkumulatorsystem genutzt wurden, kommt es auf eine effiziente Nutzung und Ausnutzung der einzelnen Zellen in dem Batterie- oder Akkumulatorsystem an. In beiden Fällen ist es u.a. erforderlich, mehrere Zellen in Reihe zu schalten, um hohe Spannungen bereitstellen zu können. Bei einer Reihenschaltung von mehreren Zellen ist für eine optimale Nutzung der Kapazität des Akkumulators und eine Vermeidung von unzulässigen Betriebszuständen, die gleichmäßige Aufteilung der verfügbaren gespeicherten Energie oder Spannung auf die einzelnen Zellen notwendig. Dies wird als Energiebalancing oder Energieübertragung und in einem Spezialfall als Spannungsausgleich bezeichnet.
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Verschiedene Ansätze und Konzepte für den Ausgleich der Energie oder der Spannung zwischen den Zellen eines Akkumulators wurden entwickelt und werden heute eingesetzt. In den meisten Fällen ist allerdings entweder der Aufwand sehr hoch oder die Effizienz und Ausgleichs- bzw. Balancing-Fähigkeit von verwendeten Batteriemanagementsystemen nicht ausreichend.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zum aktiven Energiebalancing oder aktiven Spannungsausgleich bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators oder bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Speichereinheiten vorzusehen, bei dem die vorstehenden Nachteile und Probleme nicht mehr auftreten.
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Die Aufgabe wird für ein System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest ein Energie- oder Transferspeicher, zumindest ein Spannungssensor und/oder zumindest ein Stromsensor und zumindest eine Anzahl von bidirektionalen Schaltern als Komponenten einer Schaltung zum aktiven Energiebalancing oder Spannungsausgleich vorgesehen sind, wobei ein Spannungs- und/oder Stromsensor zur Spannungserfassung in Bezug auf die Zellen oder Speichereinheiten dient und der Energie- oder Transferspeicher zur Energieübertragung zu und von den Zellen oder Speichereinheiten über die bidirektionalen Schalter an die Zellen oder Speichereinheiten individuell anschaltbar und von diesen abschaltbar ist. Für ein Verfahren zum aktiven Energiebalancing oder Spannungsausgleich bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators oder Speichereinheiten wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Spannung oder gespeicherte Energie einer Zelle oder Speichereinheit in Bezug auf die Spannungen oder gespeicherte Energie der anderen Zellen oder Speichereinheiten durch Schalten jeder der Zellen oder Speichereinheiten für eine vorbestimmbare oder vorbestimmte Zeit an einen Energie- oder Transferspeicher und dazu zeitgleiches oder anschließendes Ausmessen dieses Energie- oder Transferspeichers ausgeglichen wird. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Dadurch werden ein System und ein Verfahren zum aktiven Energiebalancing oder Spannungsaus bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators oder einer Anzahl von in Reihe geschalteten Speichereinheiten geschaffen, bei dem durch das Messverfahren und die Verwendung eines Strom- und/oder Spannungssensors für die Messwerterfassung eine Verbesserung gegenüber insbesondere der Verwendung eines im Stand der Technik bekannten, direkt an eine Zelle angeschlossenen oder anschließbaren Spannungsteilers herbeiführt werden kann. Grundsätzlich unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren von den bekannten Verfahren dadurch, dass die Spannung jeder Zelle oder Speichereinheit nicht an einem Energiespeicher bzw. der Speichereinheit bzw. der Zelle direkt, sondern indirekt durch das Schalten jeder Zelle oder jeder Speichereinheit für eine bestimmte Zeit an einen Energie- oder Transferspeicher, insbesondere Kondensator oder eine Induktivität, und das anschließende Ausmessen dieses Energie- oder Transferspeichers, insbesondere Kondensators oder einer Induktivität durchgeführt wird. Vorwiegend wird unter einem aktiven Energiebalancing eine Energieübertragung zwischen Energiespeichern zum Erreichen eines gleichmäßigen Energiezustandes, unter einem aktiven Spannungsausgleich eine Energieübertragung zum Angleichen der Spannung unterschiedlicher Energiespeicher, unter einem Energie- oder Transferspeicher ein Energiespeicher zum Zwischenspeichern der zu übertragenden oder zu transferierenden Energie und unter einer aktiven Energiebalancing-Schaltung eine Schaltung zur Energieübertragung mit Hilfe eines Energie- oder Transferspeichers zwischen zwei Zellen verstanden.
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Unter einem passiven Balancing wird vorwiegend der Energieausgleich von Energiespeichern durch Übergang von Exergie, also für einen Prozess nutzbarer Energie, in Anergie, also für einen Prozess nicht nutzbare Energie, häufig Wärmeenergie, verstanden.
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Dadurch, dass ein einziger Energie- oder Transferspeicher, wie ein Kondensator, für die ganze Zellenreihe bzw. einen gesamten Stack an Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators bzw. einen gesamten Stack von Speichereinheiten verwendet wird, werden die Ungenauigkeiten auf Grund von Bauelementtoleranzen einerseits und andererseits auf Grund von Parameteränderungen durch Alterungsprozesse und Umwelteinflüsse, wie z.B. Temperatureinflüsse, vermieden.
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Der Energie- oder Transferspeicher, insbesondere Kondensator oder Induktivität, wird durch das Schalten an eine Zelle oder Speichereinheit auf deren Spannungsniveau aufgeladen. Durch das Schalten an die nächste oder eine andere beliebige Zelle oder Speichereinheit in der Reihe wird die Spannung dieser Zelle bzw. Speichereinheit durch Energiezufuhr oder -abnahme in Relation zum Spannungsniveau des Energie- oder Transferspeichers angepasst. Der Energie- oder Transferspeicher weist dabei das Spannungsniveau der vorherigen Zelle oder Speichereinheit auf. Während des Gesamtprozesses wird der Energie- oder Transferspeicher, insbesondere Kondensator, der Reihe nach oder einer bestimmten Priorität nach an die Zellen oder Speichereinheiten geschaltet. Somit wird im Falle eines Kondensators als Energie- oder Transferspeicher je nach Spannungsdifferenz zwischen Energie- oder Transferspeicher, wie Kondensator, und der aktuell an dem Energie- oder Transferspeicher, wie Kondensator, angeschlossenen Zelle bzw. Speichereinheit Energie vom Energie- oder Transferspeicher in die Zelle bzw. die Speichereinheit oder von der Zelle bzw. Speichereinheit in den Energie- oder Transferspeicher übertragen. Bei Ausbilden des Energie- oder Transferspeichers als Induktivität kann alternativ zum Ausgleich der Spannungsdifferenz auch eine Energieübertragung und damit ein Energieausgleich zwischen den Zellen stattfinden. Hierbei wird durch Zuschalten des Energie- oder Transferspeichers an die Zelle bzw. Speichereinheit der Energie- oder Transferspeicher geladen oder entladen und der Reihe nach oder nach vorgebbaren Prioritäten an die nächste Zelle bzw. Speichereinheit geschaltet, so dass diese Zelle oder Speichereinheit dem Energie- oder Transferspeicher Energie entsprechend nach festen Regeln oder Vorgabe eines übergeordneten Speicheinheitsmanagements zugeführt bzw. entnommen werden kann.Der vorstehend beschriebene jeweilige Ablauf wird z.B. mit einer Frequenz von 1 kHz wiederholt, so dass bei einem Hintereinanderschalten der Zellen bzw. Speichereinheiten an den Energie- oder Transferspeicher, wie einen Kondensator oder eine Induktivität, die Spannung jeder Zelle bzw. Speichereinheit alle K Sekunden in Richtung der mittleren Zellspannung bzw. mittleren Spannung der Speichereinheit oder eines vorgebbaren oder vergegebenen Energieniveaus angepasst wird, nach der Formel
wobei n die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen und f
S die Frequenz des Balancing-Durchlaufs ist, also eines einmaligen Durchlaufs des Balancing-Verfahrens, so dass jede Zelle oder Speichereinheit zumindest einmal ausgemessen wird/wurde.
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Bei einer starken Abweichung der Spannung zwischen zwei Zellen kann zunächst durch ein mehrmaliges Schalten des Energie- oder Transferspeichers, wie eines Kondensators, zwischen zwei Zellen bzw. Speichereinheiten die Energie oder die Spannung der beiden Zellen bzw. Speichereinheiten zumindest weitgehend oder vollständig ausgeglichen werden, um dann die Energie oder die Spannung der anderen Zellen bzw. Speichereinheiten auszugleichen. Hiermit wird eine höhere Effizienz im Balancing-Verfahren erreicht, da die größeren Energiemengen direkt über den Energie- oder Transferspeicher von einer Geberzelle mit höchstem Energiegehalt an eine Nehmerzelle mit niedrigstem Energiegehalt übertragen werden bzw. einer Geber-Speichereinheit an eine Nehmer-Speichereinheit.
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Durch das Vorsehen bidirektionaler Schalter kann Strom in beide möglichen Richtungen, also zu den Zellen bzw. Speichereinheiten und zu dem Energie- oder Transferspeicher geführt werden. Ein eingeschalteter bidirektionaler Schalter erlaubt einen Stromfluss in zwei Richtungen, während im ausgeschalteten Zustand ein Stromfluss in beide Richtungen verhindert wird. Mechanisch betrachtet entspricht dies einem regulären Schalter. Für Gase oder Flüssigkeiten kann analog ein Ventil vorgesehen werden. Die bidirektionalen Schalter können elektronische oder mechanische Schalter sein. Ferner ist vorteilhaft die Anzahl der bidirektionalen Schalter um zumindest eins höher als die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen oder Speichereinheiten. Hierdurch ist auch ein Überbrücken aller Zellen bzw. Speichereinheiten möglich, nicht nur ein separates Zusammen- und Abschalten der einzelnen Zellen bzw. Speichereinheiten mit dem Energie- oder Transferspeicher..
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Vorteilhaft ist zumindest eine Steuereinheit zum Ansteuern der Schaltvorgänge vorgesehen. Hierdurch ist eine zentrale Ansteuerung der einzelnen Schalter möglich. Weiter vorteilhaft ist zumindest eine Daten-Schnittstelle zu einer übergeordneten Auswerteeinheit, insbesondere einer Batteriemanagement-Einheit, vorgesehen. Hierdurch ist eine Auswertung der erhaltenen Messwerte, also Spannungswerte der einzelnen Zellen bzw. Speichereinheiten möglich.
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Zum Vermeiden von Strom- und/oder Spannungsspitzen im induktiven Energie- oder Transferspeicher und somit zu dessen Schutz kann zumindest eine Schutzschaltung des zumindest einen Energie- oder Transferspeichers vorgesehen sein. Der Energie- oder Transferspeicher kann mit der Schutzschaltung zusammen als Einheit vorgesehen werden. Diese Einheit kann ferner noch eine an den Energie- oder Transferspeicher angepasste Messschaltung umfassen.
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Vorteilhaft ist eine Anpassung des Systems an die jeweilige Kapazität oder das Spannungsniveau der Zelle oder Speichereinheit durch die Topologie der Schaltung von deren einzelnen Komponenten vorgesehen, also der Art und Weise der Zusammenschaltung der Komponenten, bezogen auf die angestrebte Funktion, und/ oder durch ein Softwaremanagement der Schaltung. Dieses Vorgehen erweist sich als sehr effizient.
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Weiter vorteilhaft werden die Zellen oder Speichereinheiten in einem Stack angeordnet, wobei ein direkter Energieaustausch zwischen zwei Zellen oder Speichereinheiten erfolgt. Es ist somit ein direkter Austausch von Energie zwischen jeweils lediglich zwei Zellen oder Speichereinheiten Schritt für Schritt vorgesehen. Durch die direkte Energieübertragung zwischen ggf. stark voneinander abweichenden Zellen oder Speichereinheiten kann vorteilhaft ein hocheffizientes und komponentenschonendes Balancing realisiert werden. Hierdurch kann vorteilhaft ein Durchreichen von Energie von Zelle zu Zelle bzw. Speichereinheit zu Speichereinheit innerhalb der Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen bzw. Speichereinheiten bis an eine Zielzelle bzw. Zielspeichereinheit vermieden werden.
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Eine Überwachung der Zellen oder Speichereinheiten ist durch Messen der Spannung oder durch Messen des Stroms am Energie- oder Transferspeicher möglich. Die Zellen oder Speichereinheiten können jedoch ebenfalls durch Messen von Spannung und Strom überwacht werden. Es kann also das Ausmessen des Energie- oder Transferspeichers zur Wertbestimmung der Zellen oder Speichereinheiten dienen.
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Es kann eine direkte Spannungsmessung durch zumindest einen Spannungssensor und/oder zumindest einen Stromsensor erfolgen. Ferner ist es ebenfalls möglich, dass eine indirekte Spannungsmessung durch zumindest einen Spannungssensor und/oder zumindest einen Stromsensor erfolgt, ggf. kann auch eine Kombination einer direkten und einer indirekten Spannungsmessung durch Spannungssensor und/oder Stromsensor vorgesehen werden.
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Die Frequenz der Zellspannungsmessung an einer Zelle oder am Energie- oder Transferspeicher oder der Energiezustandsmessung einer Speichereinheit und der Energieübertragung von einer Zelle oder Speichereinheit an eine andere Zelle oder Speichereinheit bzw. von oder zu dem Energie- oder Transferspeicher kann durch Verändern zumindest einer der folgenden Komponenten einer aktiven Energiebalancing-Schaltung variiert werden: des Energie- oder Transferspeichers, des Spannungssensors und/oder des Stromsensors, der Anzahl von bidirektionalen Schaltern eines übergeordneten Speichereinheitsmanagements sowie einer vorgegebenen Kontaktperiode, also einer Anschlusszeit oder Anschlussperiode des Energie- oder Transferspeichers an eine Zelle oder Speichereinheit eines Hauptenergiespeichers. Eine Änderung der Frequenz, mit der die Spannung der Zellen bzw. Speichereinheiten bzw. des Energie- oder Transferspeichers gemessen wird und Energie von einer Zelle bzw. Speichereinheit an eine andere oder den Energie- oder Transferspeicher übertragen wird, kann durch Anpassen der Komponenten in der aktiven Energiebalancing-Schaltung vorgenommen werden. Somit kann über das Ändern bzw. die Varianz dieser Komponenten bzw. zumindest einer dieser Komponenten die Frequenz der Spannungsmessung und der Energieübertragung in einer an die jeweilige Anwendung angepassten Art und Weise verändert und somit anwendungsspezifisch angepasst werden.
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Weiter vorteilhaft kann ein nach der jeweils verfügbaren Energie oder der Abweichung der gespeicherten Energie oder der Spannungsabweichung priorisiertes Umschalten zwischen den Zellen oder Speichereinheiten oder ein Umschalten zwischen den Zellen oder Speichereinheiten nach der Multiplex-Methode erfolgen. Bei einem Umschalten priorisiert nach der Spannungsabweichung wird zunächst die Zelle bzw. Speichereinheit mit der höchsten Spannungsabweichung mit dem Energie- oder Transferspeicher zusammengeschaltet und nachfolgend die Zelle oder Speichereinheit mit der entgegengesetzten höchsten Spannungsabweichung. Bei dem Umschalten nach der Multiplex-Methode werden die Zellen oder Speichereinheiten der Reihe nach an den Energie- oder Transferspeicher angeschlossen. Bei einem Umschalten priorisiert nach der verfügbaren Energie in den jeweiligen Zellen oder Speichereinheiten wird zunächst die Zelle bzw. Speichereinheit mit der höchsten Abweichung der verfügbaren Energie mit dem Energie- oder Transferspeicher zusammengeschaltet und nachfolgend die Zelle oder Speichereinheit mit der entgegengesetzt höchsten Abweichung der verfügbaren Energie.
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Das System kann für eine beliebige Anzahl von Zellen bzw. Speichereinheiten, die in Reihen geschaltet sind, bzw. eine beliebige Größe einer Batterie oder eines Akkumulators ausgelegt sein. Ferner ist es möglich, eine Anzahl von Energie- oder Transferspeichern zusammenzukoppeln, so dass auch eine systemübergreifende Energieübertragung möglich ist. Hierdurch ist ein Energieaustausch zwischen verschiedenen Stacks möglich und somit auch ein aktives Energiebalancing bzw. ein Spannungsausgleich bei Reihenschaltungen höherer Ordnung, bei denen innerhalb eines Stacks eine Reihenschaltung von Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators bzw. von Speichereinheiten vorgesehen ist, und eine Reihenschaltung dieser Stacks. Bei einem stackübergreifenden aktiven Energiebalancing bzw. einem Spannungsausgleich kann ein direkter Energietransfer zwischen den Stacks erfolgen oder ein Energietransfer über zumindest einen Energie- oder Transferspeicher.
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Bei Verwendung eines induktiven Energie- oder Transferspeichers ist ein kennlinienbasiertes aktives Energiebalancing von Zellen bzw. Speichereinheiten unterschiedlicher Speichertechnologien möglich, z.B. auch ein Energiebalancing von 1,5V auf 3,5V Zellen. Damit wird ein effizientes Energiebalancing auch von gemischten Stacks, also Stacks mit Zellen oder Speichereinheiten unterschiedlicher Speichertechnologien, möglich.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele von dieser näher anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:
- 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Systems zum aktiven Energiebalancing oder aktiven Spannungsausgleich bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators, wobei ein Kondensator als Energie- oder Transferspeicher vorgesehen ist,
- 2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Systems zum aktiven Energiebalancing bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators, wobei eine Induktivität als Energie- oder Transferspeicher und eine Sicherheitsschaltung für einen Freilauf vorgesehen sind,
- 3 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Systems zum aktiven Energiebalancing bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators, wobei eine Induktivität als Energie- oder Transferspeicher und eine Sicherheitsschaltung für einen Freilauf vorgesehen sind,
- 4 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Systems zum aktiven Energiebalancing bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Speichereinheiten, wobei eine Induktivität als Energie- oder Transferspeicher r und eine Sicherheitsschaltung für einen Freilauf vorgesehen sind,
- 5 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Systems zum aktiven Energiebalancing oder Spannungsausgleich bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators, wobei ein Energie- oder Transferspeicher zum aktiven Energiebalancing und eine an diesen angepasste Messschaltung vorgesehen sind,
- 6 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Systems zum aktiven Energiebalancing bei einer Anzahl von voneinander unabhängigen oder in Reihe geschalteten Speichereinheiten, das für mehrstufige Energie- oder Transferspeicher vorgesehen ist, mit einem Energie- oder Transferspeicher und einer zugehörigen Beschaltung,
- 7 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Systems zum aktiven Energiebalancing oder Spannungsausgleich bei einer Anzahl von voneinander unabhängigen oder in Reihe geschalteten Speichereinheiten, wie Batteriestackes, mit integrierten Energie- oder
- Transferspeichern für eine übergreifende Energieübertragung mit oder ohne übergeordnetem Energie- oder Transferspeicher und einer zugehörigen Beschaltung, und
- 8 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Systems zum aktiven Energiebalancing bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators, wobei eine Induktivität als Energie- oder Transferspeicher und zwei entgegengesetzt zusammengeschaltete Zenerdioden eine Freilauf-Sicherheitsschaltung bilden und ein Widerstand optional vorgesehen werden kann.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Systems zum aktiven Energiebalancing oder zum aktiven Spannungsausgleich. Dieses umfasst eine Energiebalancing-Schaltung 1. Die Energiebalancing-Schaltung 1 weist einen Energie- oder Transferspeicher 2 auf, der in dieser Ausführungsvariante durch einen Kondensator 20 realisiert ist, ferner einen Spannungssensor 3 und einen Stromsensor 4. Diese Komponenten des Energie- oder Transferspeichers 2 bzw. des Kondensators 20, des Spannungssensors 3 und des Stromsensors 4 bilden zusammen eine Speicher-Mess-Einheit 10. Diese wird nach einer vorbestimmbaren oder vorbestimmten Reihenfolge jeweils an Zellen 50, 51, 52, 53 einer Batterie oder eines Akkumulators, der in 1 nicht gezeigt ist, geschaltet, wobei die Zellen 50, 51, 52, 53 in einem String bzw. Stack 5 angeordnet sind. Um die Zellen 50, 51, 52, 53 an die Speicher-Mess-Einheit 10 und insbesondere den Energie- oder Transferspeicher 2, zu schalten, umfasst die Energiebalancing-Schaltung 1 elektronische Schalter 6, die den Strom in zwei Richtungen führen können. Anstelle der in 1 gezeigten vier Zellen 50 bis 53 kann der String bzw. Stack 5 auch mehr oder weniger Zellen umfassen. Dies ist in 1, jedoch auch in den nachfolgenden 2 bis 8 jeweils durch punktierte Linien angedeutet.
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Die im Folgenden beschriebenen Szenarien des Verfahrens zur Spannungsmessung und zum aktiven Energiebalancing bzw. zum aktiven Spannungsausgleichkönnen durch eine geeignete Wahl der Zeiten und der Reihenfolge des Schaltens, somit der Durchführung des Verfahrens, miteinander kombiniert oder mehrfach in Bezug auf andere Zellen durchgeführt und somit jeweiligen Anforderungen des betreffenden Akkumulator- bzw. Batteriesystems angepasst werden. Ein Messzyklus bzw. ein Messdurchlauf wird dabei als abgeschlossen angesehen, wenn jede Zelle des Stacks 5 zumindest einmal mit der Speicher-Mess-Einheit 10 verbunden war.
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Wenn keine oder eine geringe Spannungsabweichung zwischen den Spannungen der einzelnen Zellen 50, 51, 52, 53 vorliegt, kann der Kondensator 20 sukzessive, also nacheinander, an die Zellen des Strings bzw. Stacks 5 angeschlossen werden bzw. wird er sukzessive an die Zellen angeschlossen. Der Kondensator 20 erlaubt damit nacheinander die Messwerterfassung jeder einzelnen Zelle 50, 51, 52, 53. Die jeweils übertragene Energie ist in diesem Fall aufgrund der geringen Abweichung zwischen den Zellen minimal.
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Wenn eine der Zellen 50, 51, 52, 53 eine größere Spannungsabweichung aufweist, also über mehr oder weniger Energie als die anderen Zellen verfügt/gespeichert hat, , kann diese durch die anderen Zellen des Strings bzw. Stacks 5 ausgeglichen werden. Dabei ist es im Hinblick auf einen ausgeglichenen Stack 5 sinnvoll, diese gleichmäßig mit allen Zellen des Stacks 5 auszubalancieren bzw. auszugleichen. Daher wird die abweichende Zelle bei jedem Messzyklus zwischen zwei andere Zellen geschaltet, um ihren Messwert zu erfassen. Wenn eine vergleichsweise stärkere Abweichung auftritt, kann die Zelle auch mehrmals je Messzyklus zwischen zwei anderen Zellen angeschlossen werden. Diese Schritte werden vorteilhaft gleichmäßig oder in Abhängigkeit von der jeweiligen Zellspannung der anderen Zellen durchgeführt.
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Weichen zwei Zellen des Stacks 5 bezüglich der geladenen Energie bzw. der vorhandenen Spannung von den anderen Zellen und voneinander ab, wobei die eine eine höhere und die andere eine niedrigere Spannung aufweist, können diese beiden Zellen durch direktes Hintereinanderschalten, idealerweise alternierend je Durchlauf, schneller angeglichen werden, da die Spannungsdifferenz größer ist als in Bezug auf die anderen Zellen. Dieser Effekt kann durch mehrmaliges Wiederholen dieses Ablaufs innerhalb eines Messzyklus verstärkt werden.
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Je nach den jeweiligen Anforderungen kann auch der Energie- oder Transferspeicher 2 der Speicher-Mess-Einheit 10 durch eine Induktivität 21 anstelle des Kondensators 20, wie er in 1 gezeigt ist, realisiert werden, somit als induktiver Energie- oder Transferspeicher, wie in den 2 und 3 angedeutet, wobei das Verfahren dann als induktives Energiebalancing bzw. induktiver Spannungsausgleich bezeichnet wird. Hierzu ist die Energiebalancing-Schaltung 1 gegenüber der in 1 gezeigten Ausführungsform etwas modifiziert. Parallel zu der Induktivität 21 werden elektronische Schalter 22, 23 als Sicherheitsbeschaltung angeschlossen, um einen Freilauf des Stromes zu realisieren. Dies erweist sich während der Schaltvorgänge als sinnvoll, da sich die Induktivität 21 zu diesen Zeiten teilweise im Leerlauf befinden kann.
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Die beiden elektronischen Schalter 22, 23 sind in zwei zueinander parallel geschalteten Schalterzweigen angeordnet. Sie weisen jeweils eine ihnen in Reihe vorgeschaltete Diode 220, 230 auf. In einer sensitiven Umgebung wird vorteilhaft die Beschaltung gemäß 2 verwendet, um Umladevorgänge sicher unabhängig von einer im Schalterzweig mit den elektronischen Schaltern 22, 23 verwendeten, zu den beiden elektronischen Schaltern 22, 23 in Reihe geschalteten Impedanz zu realisieren. Je nach Schalterwahl können die in 2 in Reihe zu den Schaltern 22, 23 vorgesehenen Dioden 220, 230 auch durch Schalter ausgebildet werden, die nur einen unidirektionalen Stromfluss, also einen Stromfluss in nur einer Richtung, zulassen. Bei robusten Anwendungen oder einer entsprechenden Auslegung der Impedanz im entsprechenden Schalterzweig kann auf eine Separierung der beiden elektronischen Schalter 22, 23 verzichtet werden und lediglich ein Schalter 25 verwendet werden, der einen bidirektionalen Stromfluss zulässt, wie in 3 gezeigt. Die Funktion eines Freilaufs kann ferner durch zwei antiparallel geschaltete Zenerdioden, wie in 8 gezeigt, realisiert werden, wodurch eine aktive Schalterbetätigung der vorstehend genannten Schalter nicht mehr erforderlich ist.
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Gegenüber der Balancing-Schaltung 1 mit dem Kondensator 20 lässt die Verwendung einer Induktivität 21 einen Energieaustausch unabhängig vom Spannungsniveau der Zellen 50, 51, 52, 53 zu und kann damit auch bei entsprechender Auslegung für dynamische Prozesse oder Energiespeicher mit Wechselstrom genutzt werden. Eine solche Ausführungsvariante ist in 4 gezeigt. Hierbei ist die Speicher-Mess-Einheit 10 entsprechend der in 2 gezeigten ausgebildet, wobei im Unterschied zu dieser lediglich der Stromsensor 4 zur Messwerterfassung vorgesehen ist. Anstelle der Zellen 50 bis 53 sind in der Ausführungsform nach 4 Speichereinheiten 55, die als Hauptenergiespeicher bezeichnet sind, in dem Stack 5 angeordnet. Auch das verstärkte Aufladen einer Zelle mit z.B. zusätzlicher Beschaltung, wie beispielsweise für Niederspannungsanwendungen, oder einer Hilfsbeschaltung kann durch die Beschaltung mit einer Induktivität 21 realisiert werden.
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Durch die Verwendung von Zenerdioden 26, 27, wie in 8 gezeigt, anstelle der elektronischen Schalter 22, 23 in der aktiven Energiebalancing-Schaltung 1 kann auf zusätzliche Schalter verzichtet werden. Im Moment des Umschaltens von einer Zelle zur anderen übernehmen die Zenerdioden 26, 27 den Stromfluss und erlauben somit einen sicheren Betrieb. Nach Beenden des Umschaltvorgangs kommutiert der Strom auf eine neu angeschlossene Zelle. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Energiebalancing-Schaltung 1 mit einer Induktivität als Energie- oder Transferspeicher, wie in 8 beispielhaft gezeigt, für den Einsatz von „SecondLife“-Zellen in beispielsweise stationären Speicheranwendungen. Durch die in dieser Energiebalancing-Schaltung flexibel einsetzbaren Spannungsniveaus der Zellen können Zellen unterschiedlicher Technologie und/oder mit unterschiedlichen Alterungszuständen beispielsweise hinsichtlich der maximalen Energiespeichernutzung eingesetzt werden.
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Die Energiebalancing-Schaltung 1 kann jedoch auch mit anderen als induktiven oder kapazitiven Energie- oder Transferspeicher 20, 21 realisiert werden, wie in den 5 und 6 gezeigt, und erlaubt dann mit Hilfe einer dem Energie- oder Transferspeicher 2 angepassten Schaltung und Messwerterfassung den Energieaustausch zwischen Hauptenergiespeichern, wie z.B. Batteriezellen, und eine Zustandsbestimmung von diesen. Diese Einheit aus Energie- oder Transferspeicher und einer diesem zugeordneten Schaltung sowie einer an diesen angepassten Messschaltung ist in den 5 und 6 mit dem Bezugszeichen 200 versehen. DC-Anwendungen lassen sich beispielhaft 5 entnehmen. Als Speichereinheiten sind in 5 Zellen 50, 51, 52, 53 einer Batterie skizziert. Ferner ist der Spannungssensor 3 zur Spannungserfassung der Zellenspannungen ebenfalls in der Speicher-Mess-Einheit 10 vorgesehen.
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Die jeweilige Spannung bzw. der Energiezustand der in 6 gezeigten Speichereinheiten 55, die wiederum als Hauptenergiespeicher bezeichnet sind, wird bei dem aktiven Energiebalancing-Verfahren wahlweise quasi-direkt, also im Wesentlichen direkt, unter Berücksichtigung der einbezogenen elektronischen Schalter 6, oder aber indirekt über die Einheit 200 mit dem angeschlossenen Energie- oder Transferspeicher gemessen.
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Im Falle der Beschaltung durch einen Kondensator 20 kann in Abhängigkeit von der Auslegung die Spannung von diesem direkt abgegriffen und genutzt werden. In anderen Fällen, jedoch auch in diesem, kann die Genauigkeit durch ein mathematisches Modell oder die Auslegungstoleranz weiter erhöht werden. So kann zum Beispiel die Einschaltzeit am Kondensator 20 deutlich kleiner gewählt werden als die Zeit, die notwendig ist, um eine Annäherung der Kondensatorspannung an die Spannung der jeweiligen Zelle 50, 51, 52, 53 zu gewährleisten, ohne dass dies die Messgenauigkeit in besonderem Maße beeinflusst.
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Durch Koppeln der Energie- oder Transferspeicher 2 wird auch ein systemübergreifender Energietransfer ermöglicht, wie dies in 7 angedeutet ist. So kann zum Beispiel ein Energieausgleich zwischen verschiedenen Stacks 5 von Speichereinheiten, wie Batteriemodulen oder Batteriestacks, durchgeführt werden, wobei auch diese wiederum als Stack 500 angeordnet sind, so dass ein Energiebalancing bzw. ein Spannungsausgleich, auch bei einer Reihenschaltung höherer Ordnung ermöglicht wird. Die Beschaltung kann dabei analog zur in 1 gezeigten und vorstehend beschriebenen Zellbeschaltung erfolgen oder durch eine potentialgetrennte elektronische Beschaltung, wie zum Beispiel mittels eines Sperrwandlers. Dabei kann ein direkter Energietransfer zwischen den Stacks 5 erfolgen, oder ein Energietransfer mit Hilfe eines optionalen Energie- oder Transferspeichers 202, wie er in 7 angedeutet ist. Zum Energietransfer ist zwischen dem optionalen Energie- oder Transferspeicher 202 und den Stacks 5 jeweils eine elektronische Schaltung 204 angeordnet.
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Neben den im Vorstehenden beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsvarianten von Systemen und Verfahren zumaktiven Energiebalancing oder aktivenSpannungsausgleich bei einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie oder eines Akkumulators oder von in Reihe geschalteten Speichereinheiten können noch zahlreiche weitere gebildet werden, auch beliebige Kombinationen der beschriebenen und gezeigten Varianten, bei denen jeweils zumindest ein Energie- oder Transferspeicher, zumindest ein Spannungssensor und/oder zumindest ein Stromsensor zur Messwerterfassung und zumindest eine Anzahl von bidirektionalen Schaltern als Komponenten einer Energiebalancing-Schaltung bzw. Balancing-Schaltung zum aktiven Energiebalancing oder Spannungsausgleich vorgesehen sind, wobei ein Spannungs- und/oder Stromsensor zur Spannungserfassung in Bezug auf die Zellen oder Speichereinheiten dient und der Energie- oder Transferspeicher zur Energieübertragung zu und von den Zellen oder Speichereinheiten über die bidirektionalen Schalter an die Zellen oder Speichereinheiten anschaltbar und von diesen abschaltbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiebalancing-Schaltung
- 2
- Energie- oder Transferspeicher
- 3
- Spannungssensor
- 4
- Stromsensor
- 5
- Stack
- 6
- elektronischer Schalter
- 10
- Speicher-Mess-Einheit
- 20
- Kondensator
- 21
- Induktivität
- 22
- elektronischer Schalter
- 23
- elektronischer Schalter
- 25
- Schalter
- 26
- Zenerdiode
- 27
- Zenerdiode
- 50
- Zelle
- 51
- Zelle
- 52
- Zelle
- 53
- Zelle
- 55
- Hauptenergiespeicher
- 200
- Einheit aus Energie- oder Transferspeicher mit Schaltung und Messschaltung
- 202
- Energietransferspeicher
- 204
- elektronische Schaltung
- 220
- Diode
- 230
- Diode
- 500
- Stack
