DE102018007919A1 - Modulare Energiespeicher mit parallelgeschallen Batteriesträngen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher mit parallelgeschalten Batteriesträngen H1, H2 ... Hm, die aus verschalteten Batteriemodulen (1a-1, 1b-1, ... 1n-1, in H1), (1a-2, 1b-2, ... 1n-2, in H2), (1a-m, 1b-m, ... 1n-m, in Hm) bestehen. Diese Schaltung stellt eine Kombination von Gleichstromstellern, aktivem Ladungsausgleich und verteiltem Batteriemanagement dar. Die Sicherheit eines solchen Batteriespeichers ist viel höher als einer mit der herkömmlichen Technik. Lebensdauer und nutzbare Ladung des Batteriespeichers können durch aktiven Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriesträngen und zwischen den einzelnen Batterien innerhalb eines Batteriestrangs erhöht werden. Außerdem können Kreisströme zwischen den Batteriesträngen vermieden werden, sodass die Verluste des Speichers reduziert werden. Die Erfindung betrifft außerdem entsprechende Steuerungsverfahren für den aktiven Ladungsausgleich der Batterien im Rahmen der Spannungs- und Stromregelung.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher mit parallelgeschalten Batteriesträngen, die aus verschalteten Batteriemodulen bestehen. Die Erfindung betrifft außerdem entsprechende Steuerungsverfahren für den aktiven Ladungsausgleich der Batterien innerhalb eines Strangs und zwischen den Strängen.
  • Größere Batteriespeichersysteme können für die Stromversorgung oder für elektrische Antriebssysteme in Elektrobus, Elektrolastwagen oder Elektroschiff zum Einsatz kommen. In solchen Systemen werden hohe Batteriespannungen und -ströme bis zu mehreren hundert Volt bzw. Ampere benötigt. Da die Zellspannung einer Batterie jedoch lediglich einige Volt beträgt (z.B. 3,7 V bei der Lithium-Ionen-Batterie), müssen viele einzelne Batteriezellen zu einem Batteriestrang in Reihe geschaltet werden. Durch die Reihenschaltung werden alle Zellen in einem Batteriestrang mit einer gleichen Stromhöhe auf- und entladen. Fabrikationsbedingt weist jede Zelle eines solchen Batteriestrangs jedoch leichte Unterschiede in ihren Eigenschaften auf, wie zum Beispiel der Zellkapazität, der Selbstentladungsrate und der Temperaturcharakteristik. Im Laufe der Zeit werden diese Differenzen durch Alterungseffekte zusätzlich verstärkt. Dies hat zur Folge, dass beim Ladungsvorgang einige Zellen ihren maximal möglichen Ladungsstand noch nicht erreicht haben, während andere bereits vollständig aufgeladen sind. Das Überladen einzelner Zellen kann zur Schädigung bis hin zur Zerstörung führen. Um besagtes zu verhindern, muss der Ladevorgang vorzeitlich abgebrochen werden. Beim Entladungsvorgang verhält es sich ähnlich. Während einige Zellen bereits vollkommen entladen sind, speichern andere durchaus noch ausreichend Energie, um weiter arbeiten zu können. Der Betrieb muss allerdings eingestellt werden, da sonst die schwächeren Zellen zu tief entladen werden, was zur Zerstörung dieser Zellen führen kann. Um also einen reibungslosen Ladungs- und Entladungsvorgang zu gewährleisten, ist der Einsatz eines Batteriemanagementsystems für den Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen zwingend notwendig [1].
  • Das zurzeit am weitesten verbreitete Verfahren ist der passive Ladungsausgleich. Dabei werden bereits voll aufgeladene Batteriezellen über einen Widerstand wieder entladen, um das weitere Laden anderer Zellen zu ermöglichen. Ein Nachteil ist jedoch, dass hierbei wertvolle, elektrische Energie verloren geht und es zudem keine Lösung für den Entladungsvorgang bietet.
  • Diese Probleme können mithilfe eines aktiven Ladungsausgleichs behoben werden. Bei dieser Technik sind jedoch aufwendige Schaltungen mit leistungselektronischen Bauteilen und komplizierter Steuerung erforderlich [1]. Für induktive und kapazitive Ausgleichschaltungen werden beispielsweise zwei MOSFETs pro Batteriezelle benötigt. Weiter sind Drosseln, Transformatoren oder Kondensatoren als Energiespeicher notwendig.
  • Um einen hohen Strom eines Batteriespeichers zu erreichen, werden die einzelnen Batteriestränge parallelgeschaltet. Der Gesamtstrom des Batteriespeichers ergibt sich somit aus der Summe der Ströme aller Batteriestränge. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Batteriezellen sind die inneren Spannungen der einzelnen Batteriestränge unterschiedlich. Dies führt, bedingt durch die niedrigen Innenwiderstände der Batterien, zu hohen Kreisströmen zwischen den Batteriesträngen und damit zu unterschiedlichen Lastströme der einzelnen Stränge. Solche Kreisströme können gemäß Messungen in einem großen Batteriespeicher [2] bis zu 50% des Stroms eines Batteriestrangs erreichen. Dadurch wird die nutzbare Kapazität des Batteriespeichers erheblich reduziert, da der maximaler Lade- und Entladestrom der Batteriezellen auf einen maximal zulässigen Wert begrenzt werden müssen. Außerdem führen die Kreisströme zu hohen zusätzlichen Verlusten und Erwärmung in den Batterien.
  • Um das Problem zu beseitigen werden die einzelnen Batteriestränge nicht direkt, sondern über Gleichstromsteller parallelgeschaltet [2][3]. Durch die Änderung der Ausgangsspannung des Gleichstromstellers kann der Strom eines Batteriestrangs gesteuert werden. Somit können die Kreisströme zwischen den einzelnen Batteriesträngen vermieden werden. Außerdem können die Ströme der einzelnen Batteriestränge gemäß ihren Ladungszuständen eingestellt werden. Damit ist ein aktiver Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriesträngen möglich. Nachteile dieser Lösung sind die hohe zusätzlichen Kosten und Verluste durch die Gleichstromsteller.
  • Ein Gleichstromsteller hat die Aufgabe, eine am Eingang zugeführte Batteriespannung in eine Gleichspannung am Ausgang mit einstellbarem Spannungsniveau umzuwandeln. Die Umsetzung erfolgt mithilfe von periodisch arbeitenden elektronischen Schaltern und induktiven Energiespeichern (Drosseln). In diesem Fall hat die Ausgangspannung jedoch hohe Störspannungen in den überlagerten Frequenzen. Um die Spannungsoberschwingungen zu reduzieren, müssen die Taktfrequenzen des Gleichstromstellers deshalb erhöht werden. In der Regel liegen die Taktfrequenzen im Bereich mehrerer kHz bis hin zu 100 kHz. Dadurch steigen aber auch die Schaltverluste des Gleichstromstellers proportional zu der Taktfrequenz. Außerdem entstehen hohe Verluste im induktiven Energiespeicher.
  • Aufgabe der Erfindung:
  • Die Aufgaben der Erfindung sind, Ausgleichsströme zwischen den parallel geschalteten Batteriesträngen zu vermeiden, Verluste zu reduzieren sowie aktiven Ladungsausgleich der Batterien innerhalb eines Strangs und zwischen den Strängen zu realisieren.
  • Neue Lösung und ihre Vorteile:
  • Zur Bewältigung dieser Aufgaben, können die sogenannten „kaskadierten Halbbrücken“ eingesetzt werden [4]. Die Schaltung einer solchen Halbbrücke wird in 1 dargestellt. Bei dieser Technik werden die einzelnen Batteriezellen nicht direkt, sondern über leistungselektronische Halbbrücken (2) in Reihe geschaltet. Somit können die einzelnen Batteriezellen eingeschaltet (3a ist eingeschaltet und 3b ausgeschaltet.) oder überbrückt (3a ist ausgeschaltet und 3b eingeschaltet.) werden. Beim Einschalten liegt am Ausgang (Anschlüsse a und b) die Spannung UBat an und beim Überbrücken ist die Ausgangsspannung gleich Null. Durch die Änderung der Anzahl der eingeschalteten Batteriezellen können daher die Ausgangsspannung eines Batteriestrangs und damit auch sein Strom eingestellt werden. Das hat die Vorteile, dass sowohl die Schaltfrequenz, als auch die geschaltete Spannung sehr niedrig sind. Da die Schaltverluste proportional zur Schaltfrequenz und zur geschalten Spannung sind, können diese Verluste deutlich reduziert werden. Außerdem wird hier keine Drossel benötigt. Dadurch entfallen die hohen Kosten und Verluste der Drossel.
  • Da die einzelnen Batteriezellen jeweils über eine separate Halbbrücke geschaltet werden können, ist ein Ladungsausgleich der Batteriezellen innerhalb eines Strangs möglich. Beim Ausfall einzelner Batteriezellen kann der Batteriestrang mit den gesunden Zellen weiter betrieben werden. Die Verfügbarkeit ist hier viel höher als bei der konventionellen Technik mit der direkten Reihenschaltung der Batteriezellen. Defekte Batteriezellen werden ausgeschaltet und überbrückt und können daher sicher ausgewechselt werden. Diese Schaltung stellt also eine Kombination eines Gleichstromstellers, eines aktiven Ladungsausgleiches und eines verteilten Batteriemanagements dar.
  • Vorteilhaft für die Sicherheit ist, dass im Falle einer Störung nur eine Batteriezelle in der Schaltung kurzgeschlossen werden kann. Der Fehlerstrom und die dabei freigesetzte Energie sind deutlich geringer als in der konventionellen Beschaltung. Außerdem liegt nach Ausschalten des Batteriestrangs nur die Spannung einer Batteriezelle an. Dies erleichtert die Wartungsarbeit erheblich.
  • Weiter können Batterien unterschiedlichen Alters und unterschiedlichen Typs im selben Batterieblock eingesetzt werden. Dies ermöglicht den Ersatz von defekten Batteriezellen und erhöht damit die Nutzungsdauer eines Batterieblocks signifikant.
  • In einer vorteilhaften Schaltung (3) besteht ein Batteriestrang aus schaltbaren Modulen (1a, 1b, ... 1n) und Batterien (2a, 2b, ... 2n). Die Module sind Halbbrückenschaltungen gemäß 2 und werden gemäß 1 in Reihe geschaltet. Ein Batteriespeicher besteht aus derartigen Batteriesträngen (H1, H2, ... Hm), die parallelgeschaltet werden (3). Vorzugsweise haben alle Batteriestränge die gleiche Anzahl von Batterien (2a, 2b, ... 2n) und von Modulen (1a, 1b, ... 1n). Die Spannungen bzw. die Ströme der einzelnen Batteriestränge werden so gesteuert, dass der gesamte Strom IGes gemäß den Ladezuständen der Batteriestränge oder gleichmäßig auf die einzelnen Stränge verteilt wird. Somit können die Kreisströme zwischen den einzelnen Batteriesträngen vermieden werden. Außerdem ist der aktive Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriesträngen möglich.
  • Die Einstellung der Spannung bzw. Strom der einzelnen Batteriestränge erfolgt über die Anzahl der eingeschalteten Batteriemodule. Bei einem eingeschalteten Modul, wird die angeschlossene Batterie mit dem Strom des Batteriestrangs geladen oder entladen. Bei einem überbrückten Modul ist der Strom über die angeschlossene Batterie gleich Null. In diesem Fall bleibt der Ladungszustand der Batterie unverändert. Somit kann der Ladungsausgleich im Zuge der Spannungs- oder Stromsteuerung realisiert werden. Bei einer Entladung werden die Batterien mit den niedrigsten Ladungen überbrückt während bei einer Aufladung, umgekehrt, die Batterien mit den höchsten Ladungen überbrückt werden.
  • Als leistungselektronische Ventile in der Halbbrücke können MOSFETs mit niedrigen Sperrspannungen eingesetzt werden. Solche Bauelemente haben im Vergleich mit den anderen Leistungshalbleiterventilen keine Durchlassspannung und sehr niedrige Durchlasswiderstände (unter 1 mΩ). Des weiteren sind die Preise von solchen MOSFETs sehr niedrig. Daher werden keine hohen Durchlassverluste und keine hohen Kosten durch die Reihenschaltung von vielen MOSFETs hervorgerufen. Ein Beispiel für solche Bauteile ist der PSMN1R0-30YLC der Firma NXP mit Sperrspannung von 30V, Dauerstrom von 100A und Durchlasswiderstand von 0,85mΩ.
  • Quellen:
    1. [1] J. Qi, D. Lu. Review of Battery Cell Balancing Techniques. Australasian Universities Power Engineering Conference, AUPEC 2014, Curtin University, Perth, Australia, 28 Sept. 1 Oct. 2014
    2. [2] LU Zhigang, WANG Ke, LIU Yi, DONG Xuzhu, DUAN Weiguo. Research and Application of Megawatt Scale Lithium-ion Battery Energy Storage Station and Key Technology. Automation of Electric Power Systems, Chinese Journal, Vol. 37, Nr. 1, Jan. 2013
    3. [3] G. Wang, G. Konstantinou, Ch. Townsend, J. Pou, S. Vazquez, G. Demetriades, V. Agelidis. A Review of Power Electronics for Grid Connection of Utility-Scale Battery Energy Storage Systems. IEEE TRANSACTIONS ON SUSTAINABLE ENERGY, VOL. 7, NO. 4, OCTOBER 2016
    4. [4] M. Malinowski, J. Rodriguez. A Survey on Cascaded Multilevel Inveters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 57, N. 7, July 2010
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:
    • 1: ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriestrangs mit verschalteten Batteriemodulen;
    • 2: ein Ersatzschaltbild eines beispielhaften Batteriemoduls;
    • 3: ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriespeichers mit parallelgeschalten Batteriesträngen, die aus verschalteten Batteriemodulen besteht;
  • 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriestrangs mit verschalteten Batteriemodulen. Der Batteriestrang weist verschaltete Batteriemodule 1a, 1b, ... 1n auf, welche im gezeigten Beispiel in Reihe geschaltet sind. Jedes Batteriemodul 1a, 1b, ... 1n weist dabei eine Batterie 2a, 2b, .... 2n auf. Eine Batterie besteht in der Regel aus vielen einzelnen Batteriezellen, die mit einander parallel und/oder in Reihe geschaltet sind. Der Batteriestrang weist zwei äußere Anschlüsse E und F auf. Der positive Anschluss E ist mit dem Anschluss a des ersten Batteriemoduls 1a verbunden und der negative Anschluss F mit dem zweiten Anschluss b des letzten Batteriemoduls verbinden.
  • In 2 ist ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriemoduls mit einer Batterie 2 dargestellt. Das Batteriemodul 1 weist zwei leistungselektronischen Schaltelementen 3a, 3b sowie einen ersten Anschluss a und einen zweiten Anschluss b auf. Der „+“ Anschluss der Batterie ist über das Schaltelement 3a von dem ersten Anschlusspol a trennbar oder koppelbar. Der „-“ Anschluss der Batterie ist mit dem zweiten Anschluss b verbunden und über das Schaltelement 3b von dem ersten Anschlusspol a trennbar oder koppelbar. In der gezeigten Ausführungsform sind die zwei Schaltelemente 3a, 3b Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
  • In 3 wird ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriespeichers mit parallelgeschalteten Batteriesträngen (H1, H2 ... Hm), die aus verschalteten Batteriemodulen (1a-1, 1b-1, ... 1n-1, in H1), (1a-2, 1b-2, ... 1n-2, in H2), (1a-m, 1b-m, ... 1n-m, in Hm) und Batterien (2a-1, 2b-1, .... 2n-1 in H1), (2a-2, 2b-2, ... 2n-2, in H2), (2a-m, 2b-m, ... 2n-m, in Hm) bestehen. Die Module in einem Batteriestrang werden im gezeigten Beispiel in Reihe geschaltet. Der erste Batteriestrang hat zwei Anschlüsse E1, F2, der zweite Strang E2, F2 und der letzte Em und Fm. Alle positiven Anschlüsse E1, E2 ... Em sind im gezeigten Beispiel mit einander verbunden. Ebenfalls sind alle negativen Anschlüsse F1, F2 ... Fm mit einander verbunden. I1 , I2 und Im sind die Ströme in den einzelnen Batteriesträngen und IGes der Strom des Batteriespeichers.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • J. Qi, D. Lu. Review of Battery Cell Balancing Techniques. Australasian Universities Power Engineering Conference, AUPEC 2014, Curtin University, Perth, Australia, 28 Sept. 1 Oct. 2014 [0015]
    • LU Zhigang, WANG Ke, LIU Yi, DONG Xuzhu, DUAN Weiguo. Research and Application of Megawatt Scale Lithium-ion Battery Energy Storage Station and Key Technology. Automation of Electric Power Systems, Chinese Journal, Vol. 37, Nr. 1, Jan. 2013 [0015]
    • G. Wang, G. Konstantinou, Ch. Townsend, J. Pou, S. Vazquez, G. Demetriades, V. Agelidis. A Review of Power Electronics for Grid Connection of Utility-Scale Battery Energy Storage Systems. IEEE TRANSACTIONS ON SUSTAINABLE ENERGY, VOL. 7, NO. 4, OCTOBER 2016 [0015]
    • M. Malinowski, J. Rodriguez. A Survey on Cascaded Multilevel Inveters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 57, N. 7, July 2010 [0015]

Claims (2)

  1. Energiespeicher mit parallelgeschalten Batteriesträngen, die aus verschalteten Batteriemodulen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass - der Batteriespeicher aus Batteriesträngen (H1, H2 ... Hm) besteht, die aus verschalteten Batteriemodulen (1a-1, 1b-1, ... 1n-1, in H1), (1a-2, 1b-2, ... 1n-2, in H2), (1a-m, 1b-m, ... 1n-m, in Hm) gebildet werden. - alle Batteriemodule in einem Batteriestrang vorzugsweise in Reihe geschaltet sind, - jedes Batteriemodul (1a-1, 1b-1, ... 1n-1, in H1), (1a-2, 1b-2, ... 1n-2, in H2), (1a-m, 1b-m, ... 1n-m, in Hm) eine Batterie (2a-1, 2b-1, .... 2n-1 in H1), (2a-2, 2b-2, ... 2n-2, in H2), (2a-m, 2b-m, ... 2n-m, in Hm) aufweist, welche in der Regel aus einzelnen Batteriezellen besteht, die mit einander parallel und/oder in Reihe geschaltet sind, - jedes Batteriemodul zwei leistungselektronische Schaltelementen 3a, 3b sowie einen ersten Anschluss a und einen zweiten Anschluss b aufweist, - der „+“ Anschluss der Batterie in jedem Batteriemodul über das Schaltelement 3a von dem ersten Anschlusspol a trennbar oder koppelbar ist, - der „-“ Anschluss der Batterie in jedem Batteriemodul mit dem zweiten Anschluss b verbunden und über das Schaltelement 3b von dem ersten Anschlusspol a trennbar oder koppelbar ist. - jeder Batteriestrang (H1, H2 ... Hm) zwei Anschlüsse E1, F1 für H1; E2, F2 für H2 und Em, Fm für Hm aufweist, - alle positiven Anschlüsse E1, E2 ... Em entweder, direkt oder über Bauelementen, wie Schalter oder Drosseln mit einander verbunden und alle negativen Anschlüsse F1, F2 ... Fm entweder direkt, oder über Bauelementen, wie Schalter oder Drosseln mit einander verbunden sind.
  2. Energiespeicher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass - ein Batteriemodul durch das Einschalten des Schaltelements 3a und das Ausschalten des Schaltelements 3b eingeschaltet wird, - ein Batteriemodul durch das Ausschalten des Schaltelements 3a und das Einschalten des Schaltelements 3b überbrückt wird, - die Ausgangsspannungen oder Strome I1 für H1, I2 für H2 und Im für Hm der Batteriestränge H1, H2 ... Hm durch die Änderung der Anzahl der eingeschalten Batteriemodule (1a-1, 1b-1, ... 1n-1, in H1), (1a-2, 1b-2, ... 1n-2, in H2), (1am, 1b-m, ... 1n-m, in Hm) in den einzelnen Batteriesträngen geregelt werden, wobei die nicht eingeschalteten Module überbrückt werden, - bei Entladung der Batterien die Batteriemodule mit den niedrigsten Landungen zum Zweck des Ladungsausgleiches der Batterien innerhalb eines Batteriestrangs überbrückt werden, - bei Aufladung der Batterien die Batteriemodule mit den höchsten Landungen zum Zweck des Ladungsausgleiches der Batterien innerhalb eines Batteriestrangs überbrückt werden, - der Strom IGes des Batteriespeichers zum Zweck des Ladungsausgleiches zwischen den Batteriesträngen gemäß ihren Ladungszuständen auf die einzelnen Batteriestränge verteilt wird.
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