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Die Erfindung betrifft eine Prüfanlage zur Prüfung einer wieder aufladbaren Batterie, umfassend mindestens eine Speichereinheit zur Speicherung von elektrischer Energie, eine Eingangseinheit zur Zuführung von elektrischer Energie zu der Speichereinheit, und eine Ausgangseinheit zur Abgabe von elektrischer Energie von der Speichereinheit an eine zu prüfende Batterie. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Prüfanlage.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an welche hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer gestellt werden. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batterien, welche Lithium-Ionen-Batteriezellen enthalten. Diese wieder aufladbaren Batterien und Batteriezellen zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
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Eine Batteriezelle weist eine mit einem negativen Terminal verbundene Anode und eine mit einem positiven Terminal verbundene Kathode auf. Mehrere derartige Batteriezellen werden elektrisch insbesondere seriell miteinander verschaltet und zu Batteriemodulen oder Batteriepacks verbunden. Mehrere solcher Batteriemodule oder Batteriepacks werden miteinander verschaltet und bilden so die Batterie des Elektrofahrzeugs.
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Bei der Serienfertigung von Batteriezellen und Batterien, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, E-Bikes sowie Elektrowerkzeugen, muss eine elektrische Prüfung erfolgen. Diese Prüfung dient insbesondere zum Nachweis, dass die einzelnen Batteriezellen sowie elektrische Verbindungen in der Batterie in der Lage sind, mit den im Betrieb zu erwartenden hohen Ladeströmen und Entladeströmen umzugehen.
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Bei einer solchen Prüfung werden beispielsweise Ströme im Bereich zwischen 100 A und 1000 A und je nach Größe der Batterie höhere Ströme für eine Zeitspanne von etwa 10 Sekunden benötigt. Zur Durchführung solcher Prüfungen sind Prüfanlagen bekannt, welche die erforderlichen Ströme liefern können.
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Aus dem Dokument
US 2016/0363634 A1 ist eine gattungsgemäße Prüfanlage zur Prüfung von Batterien bekannt. Mittels dieser Prüfanlage können Ladeströme und Entladeströme für eine zu prüfenden Batterie erzeugt werden. Die Prüfanlage umfasst unter anderem eine Speichereinheit zur Speicherung von elektrischer Energie, welche während einer Prüfung beim Entladen der zu prüfenden Batterie entnommen wird. Die Speichereinheit umfasst dazu beispielsweise einen Superkondensator.
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Aus den Dokumenten
US 2015/0168259 A1 und
DE 10 2013 021 004 A1 ist ein System zum Entwickeln, Optimieren sowie Testen von Energiespeichern bekannt. Das System umfasst eine Testanordnung und eine Simulationsvorrichtung, wobei die einen Emulator eines hybriden Energiespeichers umfasst.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Prüfanlage zur Prüfung einer wieder aufladbaren Batterie vorgeschlagen. Die zu prüfende Batterie weist beispielsweise mehrere elektrisch verschaltete Batteriezellen auf, welche insbesondere als wieder aufladbare Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgeführt sind.
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Die Prüfanlage umfasst mindestens eine Speichereinheit zur Speicherung von elektrischer Energie. Die Prüfanlage umfasst auch eine Eingangseinheit zur Zuführung von elektrischer Energie zu der Speichereinheit. Die Prüfanlage umfasst weiter eine Ausgangseinheit zur Abgabe von elektrischer Energie von der Speichereinheit an die zu prüfende Batterie.
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Während einer Prüfung kann elektrische Energie von außen der Eingangseinheit der Prüfanlage zu geführt werden. Dazu ist die Eingangseinheit beispielsweise mit einem Versorgungsnetz, einem Energiespeicher oder einem Generator verbunden. Bei der Zuführung von elektrischer Energie von der Eingangseinheit zu der Speichereinheit wird die Speichereinheit geladen. Die zu prüfende Batterie ist während einer Prüfung mit der Ausgangseinheit verbunden. Bei der Abgabe von elektrischer Energie von der Speichereinheit an die zu prüfende Batterie wird die Speichereinheit entladen.
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Erfindungsgemäß ist die Speichereinheit dabei derart mit der Eingangseinheit verschaltet, dass auch bei Abwesenheit einer zu prüfenden Batterie elektrische Energie von der Eingangseinheit zu der Speichereinheit zuführbar ist. Auch wenn keine zu prüfende Batterie mit der Ausgangseinheit verbunden ist, beispielsweise beim Wechseln der zu prüfenden Batterien, kann die Speichereinheit somit über die Eingangseinheit geladen werden.
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Die Zuführung von elektrischer Energie zu der Speichereinheit und die Abgabe von elektrischer Energie an die zu prüfende Batterie können somit zeitlich versetzt stattfinden. Ferner kann insbesondere eine erste Zeitspanne zur Zuführung von elektrischer Energie zu der Speichereinheit größer sein als eine zweite Zeitspanne zur Abgabe von elektrischer Energie an die zu prüfende Batterie.
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Um beispielsweise einen definierten Ladestrom zum Laden der zu prüfenden Batterie während einer definierten zweiten Zeitspanne zu erzeugen muss eine definierte Menge an elektrischer Energie in der Speichereinheit gespeichert sein. Die besagte Energiemenge wird zuvor der Speichereinheit zugeführt, indem die Speichereinheit mit einem Speicherstrom während der ersten Zeitspanne von der Eingangseinheit geladen wird. Bei einer konstanten Spannung der Speichereinheit ist dann das Verhältnis von Ladestrom zu Speicherstrom gleich dem Verhältnis von erster Zeitspanne zu zweiter Zeitspanne. Bei geeigneter Wahl der Zeitspannen ist also der Speicherstrom kleiner als der Ladestrom.
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Somit ist auch die erforderliche Anschlussleistung für die Eingangseinheit der Prüfanlage kleiner als die Ausgangsleistung zum Laden der zu prüfenden Batterie. Zudem ist die Qualität des Speicherladestromes zweitrangig, so dass hier kostengünstiges Netzteil verwendet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Speichereinheit mindestens eine Speicherzelle, welche als Superkondensator ausgebildet ist. Superkondensatoren weisen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte auf. Somit sind Superkondensatoren für leistungsintensive Anwendungen, insbesondere zur Erzeugung von hohen Ladeströmen, bevorzugt einsetzbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Eingangseinheit ein Netzteil und eine Eingangsschnittstelle. Das Netzteil und die Eingangsschnittstelle sind dabei derart verschaltet, dass elektrische Energie von der Eingangsschnittstelle dem Netzteil zuführbar ist, und dass elektrische Energie von dem Netzteil der Speichereinheit zuführbar ist.
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Das Netzteil umfasst beispielsweise einen Transformator und einen Gleichrichter. Die Eingangsschnittstelle kann beispielsweise zum Anschluss eines einphasigen Wechselstromsystems oder eines dreiphasigen Drehstromsystems ausgebildet sein. Das Netzteil liefert einen Gleichstrom mit einer definierten Spannung zum Laden der Speichereinheit.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Prüfanlage eine elektronische Last. Die elektronische Last ist derart verschaltet, dass bei Abgabe von elektrischer Energie von der Speichereinheit an die zu prüfende Batterie ein konstanter Ladestrom die elektronische Last durchfließt. Die elektronische Last regelt selbständig und konstant den Ladestrom exakt. Die Höhe des Ladestroms ist von dem eingestellten ohmschen Widerstand der elektronischen Last abhängig.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Prüfanlage Mittel zur Erzeugung eines Entladestroms zur Entnahme von elektrischer Energie aus der zu prüfenden Batterie.
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Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Prüfanlage vorgeschlagen. Während einer Prüfung einer zu prüfenden Batterie wird elektrische Energie von der Eingangseinheit zu der Speichereinheit zugeführt. Die von der Eingangseinheit zugeführte elektrische Energie wird in der Speichereinheit gespeichert, und die Speichereinheit wird dabei geladen. Anschließend wird die in der Speichereinheit gespeicherte elektrische Energie über die Ausgangseinheit an die zu prüfende Batterie abgegeben. Dabei wird die Speichereinheit entladen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung finden die Zuführung von elektrischer Energie zu der Speichereinheit und die Abgabe von elektrischer Energie an die zu prüfende Batterie zeitlich versetzt statt.
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Eine erste Zeitspanne zur Zuführung von elektrischer Energie zu der Speichereinheit ist größer als eine zweite Zeitspanne zur Abgabe von elektrischer Energie an die zu prüfende Batterie.
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Um beispielsweise einen definierten Ladestrom zum Laden der zu prüfenden Batterie während einer definierten zweiten Zeitspanne zu erzeugen muss eine definierte Menge an elektrischer Energie in der Speichereinheit gespeichert sein. Die besagte Energiemenge wird zuvor der Speichereinheit zugeführt, indem die Speichereinheit mit einem Speicherstrom während der ersten Zeitspanne von der Eingangseinheit geladen wird. Bei einer konstanten Spannung der Speichereinheit ist dann das Verhältnis von Ladestrom zu Speicherstrom gleich dem Verhältnis von erster Zeitspanne zu zweiter Zeitspanne. Bei geeigneter Wahl der Zeitspannen ist also der Speicherstrom kleiner als der Ladestrom. Somit ist auch die erforderliche Anschlussleistung für die Eingangseinheit der Prüfanlage kleiner als die Ausgangsleistung zum Laden der zu prüfenden Batterie.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durchfließt bei Abgabe von elektrischer Energie von der Speichereinheit an die zu prüfende Batterie ein Ladestrom eine elektronische Last der Prüfanlage. Die elektronische Last ist einstellbar. Die Höhe des Ladestroms ist von der Konfiguration der elektronischen Last abhängig.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Entladestrom zur Entnahme von elektrischer Energie aus der zu prüfenden Batterie erzeugt.
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Vorteile der Erfindung
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Mit einer erfindungsgemäßen Prüfanlage ist eine Prüfung von wieder aufladbaren Batterien in einer Serienproduktion mit verhältnismäßig hohen Ladeströmen möglich. Die Prüfanlage ist dabei kostengünstig herzustellen und zu betreiben. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dabei ein Ladestrom erzeugt werden, welcher größer als ein Speicherstrom zum Laden der Speichereinheit ist. Die erforderliche Anschlussleistung für die Prüfanlage ist somit vorteilhaft kleiner als die Ausgangsleistung zum Laden der zu prüfenden Batterie. Ferner ist der Ladestrom frei von störenden hochfrequenten Schwingungen. Der Ladestrom wird ausschließlich der Speichereinheit entnommen, welche eine Gleichspannung bereitstellt. Die verwendete Leistungselektronik zum Regeln des Stromes muss für eine wesentlich geringere Leistung ausgelegt werden, als dies bei herkömmlichen, direkt mit einem Versorgungsnetz verbundenen Anlagen mit gleichen Stromstärken notwendig ist. Dies ist ein weiterer, erheblicher Kostenvorteil. Zudem lassen sich mit der Erfindung erheblich steilere Flanken und damit sehr kurze Regelzeiten unter 1 ms erreichen, welche mit mit einem Versorgungsnetz verbundenen Anlagen nur kostenintensiv möglich sind. Diese Flankensteilheit und die kurzen Einregelzeiten lassen eine genaue Messung des Innenwiderstandes von Lithium-Ionen-Batterien zu. Auch ist die in der Prüfanlage verfügbare Energie durch die Kapazität der Speichereinheit begrenzt und über die Ladeendspannung des Speichers kann die verfügbare Energie zudem definiert eingestellt werden.
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Im Fall eines Fehlers an einer zu prüfenden Batterie kann lediglich die in der Speichereinheit gespeicherte Energie entnommen werden, wodurch thermische Auswirkungen begrenzt sind. Ferner ist die Erzeugung einer ungewollten Überspannung in der Prüfanlage verhindert. Es steht lediglich die Spannung zur Verfügung, bis auf welche die Speichereinheit aufgeladen ist. Eine Nachregelung der Spannung durch eine elektronische Schaltung, was zu einer ungewollten Überspannung führen könnte, ist nicht möglich. Die Prüfanlage ist auch einfach skalierbar und an die zu prüfenden Batterien anpassbar. Falls höhere Ladeströme benötigt werden, so kann einfach die Anzahl und/oder die Kapazität der Speichereinheiten erhöht werden. Auch kann durch das parallele Verbinden mehrerer erfindungsgemäßer Prüfanlage der erreichbare Strom einfach vervielfacht werden.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Prüfanlage.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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In 1 ist eine einer Prüfanlage 10 zur Prüfung einer wieder aufladbaren Batterie 5 schematisch dargestellt. Die Prüfanlage 10 weist mehrere Komponenten auf, auf welche im Folgenden näher eingegangen wird. Die Komponenten der Prüfanlage 10 sind annähernd vollständig in einem Schaltschrank 55 angeordnet.
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Die Prüfanlage 10 umfasst eine Ausgangseinheit 40 zur Abgabe von elektrischer Energie an die zu prüfende Batterie 5. Die Ausgangseinheit 40 weist dazu einen negativen Anschlusskontakt 41 und einen positiven Anschlusskontakt 42 auf. Die Anschlusskontakte 41, 42 sind beispielsweise als Schraubklemmen ausgeführt und an einer Außenseite des Schaltschranks 55 angeordnet. Die zu prüfende Batterie 5 ist elektrisch mit dem negativen Anschlusskontakt 41 und dem positiven Anschlusskontakt 42 verbunden.
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Die Prüfanlage 10 umfasst mehrere, vorliegend vier, Speichereinheiten 20 zur Speicherung von elektrischer Energie. Die Speichereinheiten 20 sind dabei innerhalb des Schaltschranks 55 angeordnet und elektrisch parallel miteinander verschaltet.
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Jede der Speichereinheiten 20 umfasst eine Speicherzelle 21, welche vorliegend als Superkondensator ausgebildet ist. Superkondensatoren weisen zwei Elektroden auf, die jeweils einen Stromableiter umfassen und durch einen Separator voneinander getrennt sind. Der Transport der elektrischen Ladungen zwischen den Elektroden und durch den Separator wird durch Elektrolyte oder Elektrolytzusammensetzungen gewährleistet.
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Jede der Speichereinheiten 20 umfasst auch ein negatives Terminal 23 und ein positives Terminal 24. Im Betrieb der Prüfanlage 10 und bei elektrisch geladenen Speichereinheiten 20 liegt zwischen dem negativen Terminal 23 und dem positiven Terminal 24 eine Zellspannung an, welche von der Speicherzelle 21 bereitgestellt wird.
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Jede der Speichereinheiten 20 umfasst ferner eine Zellsicherung 22. Die Zellsicherung 22 und die Speicherzelle 21 sind dabei zwischen dem negativen Terminal 23 und dem positiven Terminal 24 seriell verschaltet. Die Zellsicherung 22 löst bei einem zu hohen Strom aus und trennt dadurch die Speicherzelle 21 von mindestens einem Terminal 23, 24.
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Die negativen Terminals 23 der parallel geschalteten Speichereinheiten 20 sind mit einer negativen Sammelschiene 53 elektrisch verbunden. Die positiven Terminals 24 der parallel geschalteten Speichereinheiten 20 sind mit einer positiven Sammelschiene 54 elektrisch verbunden. Die negative Sammelschiene 53 und die positive Sammelschiene 54 sind auch innerhalb des Schaltschranks 55 angeordnet.
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Die Prüfanlage 10 umfasst auch eine Eingangseinheit 30 zur Zuführung von elektrischer Energie zu den Speichereinheiten 20. Die Eingangseinheit 30 umfasst dabei ein Netzteil 35 und eine Eingangsschnittstelle 38. Das Netzteil 35 und die Eingangsschnittstelle 38 sind dabei elektrisch derart verschaltet, dass elektrische Energie von der Eingangsschnittstelle 38 dem Netzteil 35 zuführbar ist, und dass elektrische Energie von dem Netzteil 35 den Speichereinheiten 20 zuführbar ist.
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Die Eingangsschnittstelle 38 ist vorliegend zum Anschluss eines einphasigen Wechselstromsystems ausgebildet und weist einen ersten Anschlusspol 31 und einen zweiten Anschlusspol 32 auf. Die Anschlusspole 31, 32 sind beispielsweise als Schraubklemmen ausgeführt und an einer Außenseite des Schaltschranks 55 angeordnet. Die Eingangsschnittstelle 38 kann auch zum Anschluss eines dreiphasigen Drehstromsystems ausgebildet sein.
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Das Netzteil 35 umfasst beispielsweise einen Transformator und einen Gleichrichter. Das Netzteil 35 liefert einen Gleichstrom mit einer definierten Spannung zum Laden der Speicherzellen 21 in den Speichereinheiten 20. Das Netzteil 35 ist innerhalb des Schaltschranks 55 angeordnet. Das Netzteil 35 umfasst einen negativen Anschlusspol 33, der mit den negativen Terminals 23 der parallel geschalteten Speichereinheiten 20 elektrisch verbunden ist, und einen positiven Anschlusspol 34, der über einen dritten Schalter K3 mit den positiven Terminals 24 der parallel geschalteten Speichereinheiten 20 elektrisch verbunden ist.
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Die Prüfanlage 10 umfasst ferner eine elektronische Last 45. Die elektronische Last 45 ist derart verschaltet, dass bei Abgabe von elektrischer Energie von den Speichereinheiten 20 an die zu prüfende Batterie 5 ein Ladestrom die elektronische Last 45 durchfließt. Die elektronische Last 45 ist innerhalb des Schaltschranks 55 angeordnet. Die elektronische Last 45 umfasst einen ersten Lastkontakt 47, der über einen ersten Schalter K1 mit dem positiven Anschlusskontakt 42 der Ausgangseinheit 40 elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Lastkontakt 48, der über eine erste Sicherung F1 mit der positiven Sammelschiene 54 elektrisch verbunden ist.
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Der erste Lastkontakt 47 der elektronischen Last 45 ist über einen zweiten Schalter K2 und eine dritte Sicherung F3 mit der negativen Sammelschiene 53 elektrisch verbunden. Der negative Anschlusskontakt 41 der Ausgangseinheit 40 ist mit der negativen Sammelschiene 53 elektrisch verbunden.
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Die Prüfanlage 10 umfasst auch einen Entladewiderstand 57, welcher zum Entladen der Speichereinheiten 20 nach Unterbrechung der Versorgungsspannung und nach dem Ausschalten der Prüfanlage 10 dient, und welcher vorliegend außerhalb des Schaltschranks 55 angeordnet ist. Der Entladewiderstand 57 ist mit dem negativen Anschlusspol 33 des Netzteils 35 und über einen vierten Schalter K4 und eine zweite Sicherung F2 mit der positiven Sammelschiene 54 elektrisch verbunden.
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Die Schalter K1, K2, K3, K4 sind vorliegend als elektrisch ansteuerbare Schütze oder Relais ausgeführt. Die Schalter K1, K2, K3, K4 können auch als elektronische Schalter, beispielsweise als Leistungstransistoren, ausgeführt sein. Der erste Schalter K1, der zweite Schalter K2 und der dritte Schalter K3 sind vorliegend als Schließer ausgebildet. Der vierte Schalter K4 ist vorliegend als Öffner ausgebildet.
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In einem regulären Betrieb der Prüfanlage 10 sind alle Sicherungen 22, F1, F2, F3 geschlossen, haben also nicht ausgelöst, und der vierte Schalter K4 ist geöffnet. Zu Beginn einer Prüfung einer Batterie 5 sind der erste Schalter K1, der zweite Schalter K2 und der dritte Schalter K3 geöffnet. Da der vierte Schalter K4 geöffnet ist kann keine Entladung der Speichereinheiten 20 über den Entladewiderstand 57 stattfinden.
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Zum Laden der Speichereinheiten 20 wird der dritte Schalter K3 geschlossen. Dadurch fließt ein Speicherstrom von dem Netzteil 35 zu den Speichereinheiten 20, welche daraufhin geladen werden. Nach einer ersten Zeitspanne, wenn die Speichereinheiten 20 ausreichend geladen sind, wird der dritte Schalter K3 geöffnet und es fließt kein Speicherstrom mehr. Zwischen der positiven Sammelschiene 54 und der negativen Sammelschiene 53 liegt nun eine definierte Spannung an.
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Nun wird der erste Schalter K1 geschlossen. Dadurch fließt ein Ladestrom von den Speichereinheiten 20 zu der zu prüfenden Batterie 5. Die Höhe des Ladestroms ist dabei insbesondere von einer entsprechenden Einstellung der elektronischen Last 45 abhängig. Nach einer zweiten Zeitspanne wird der erste Schalter K1 geöffnet und es fließt kein Ladestrom mehr.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2016/0363634 A1 [0006]
- US 2015/0168259 A1 [0007]
- DE 102013021004 A1 [0007]
