DE102019108579A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zellspanungsausgleich von Batteriezellen mehrzelliger Energiespeicher - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Zellspanungsausgleich von Batteriezellen mehrzelliger Energiespeicher Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen (Z) eines aus mehreren Batteriezellen (Z) bestehenden Energiespeichers (3), wobei der Zellspannungsausgleich zwischen den Batteriezellen (Z) von einer elektronischen Steuervorrichtung (2) gesteuert wird. Vor der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen werden vorab Gesamtwirkungsgrade (1) für den Zellspannungsausgleich durch die elektronische Steuervorrichtung (2) mit unterschiedlichen Anzahlen gleichzeitig ausgeglichener Batteriezellen (Z) ermittelt. Bei der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen durch die elektronische Steuervorrichtung (2) wird die Anzahl der gleichzeitig auszugleichenden Batteriezellen (Z) unter Berücksichtigung der vorab ermittelten Gesamtwirkungsgrade (1) so gewählt, dass der Gesamtwirkungsgrad (1) bei der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen durch die elektronische Steuervorrichtung (2) maximal wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine elektronische Steuervorrichtung (2) zum Steuern eines Zellspannungsausgleichs zwischen einzelnen Batteriezellen (Z) eines aus mehreren Batteriezellen (Z) bestehenden Energiespeichers (3).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen eines aus mehreren Batteriezellen bestehenden Energiespeichers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen eines aus mehreren Batteriezellen bestehenden Energiespeichers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
  • Mehrzellige wiederaufladbare Energiespeicher, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere für die Verwendung in Elektrofahrzeugen (z. B. als Traktionsbatterien) oder in stationären Speichereinrichtungen, sind allgemein bekannt. Hierbei sind gewöhnlich mehrere einzelne Batteriezellen in Reihe geschaltet. Fertigungs- und alterungsbedingt gibt es Schwankungen in der Kapazität und im Innenwiderstand dieser Zellen. Im praktischen Einsatz von mehrzelligen, in Reihe verschalteten Akkumulatoren (wie dies in Batteriepacks zur Herstellung einer ausreichend hohen Gesamtspannung üblich ist) führt dies ohne zusätzliche Maßnahmen dazu, dass die Zellen unterschiedlich ge- und entladen werden, wodurch es im Verbund bei Entladung des Energiespeichers zu kritischer Tiefentladung (Zellspannung einzelner Batteriezellen kleiner als Entladeschlussspannung) und bei Ladung des Energiespeichers zu einer Überladung mit Überschreiten der Ladeschlussspannung einzelner Zellen kommt. Dies kann zu einer nicht reversiblen Schädigung einzelner Batteriezellen führen, sodass der gesamte Energiespeicher an Kapazität verliert oder infolge seines Ausfalls ersetzt werden muss.
  • Um diese Probleme zu mildern, sind bereits unterschiedliche Verfahren zum Zellspannungsausgleich (hierin auch als „Balancing“ bezeichnet, wobei sowohl passive als auch aktive Balancing-Verfahren bekannt sind) während des Ladens und/oder Entladens solcher Energiespeicher vorgeschlagen worden, wie eines beispielhaft in der DE 10 2015 202 939 A1 beschrieben ist.
  • Ein Batteriemanagementsystem (battery management system, BMS) kann Eigenschaften bzw. Größen der Batteriezellen und/oder Batteriepacks, zum Beispiel Spannung, Strom, Temperatur und Isolationswiderstand, überwachen und/oder steuern. Durch das Überwachen und/oder Steuern dieser Größen lassen sich die Sicherheit, Zuverlässigkeit und/oder Lebensdauer der Batteriezellen bzw. des Batteriesystems steigern und eine sichere, zuverlässige und langlebige Funktion gewährleisten. Dabei ist der Ladezustand (Ladungszustand, State of Charge, SoC) der einzelnen Batteriezellen ein wichtiger Paramater.
  • Beispielsweise weisen Lithium-Ionen-Traktionsbatterien eine große Anzahl von Batteriezellen in Serie auf, um die elektrischen Verluste beim Abrufen der in ihnen gespeicherten elektrischen Energie zu minimieren. Je höher die Anzahl der Zellen ist, desto höher ist aber auch die Wahrscheinlichkeit einer Disbalance unter den einzelnen Zellen. Je nach Anzahl der Zellen können mehrere Zellen untereinander ausgeglichen werden. Neben dem Ausgleich der Zellspannungen zwischen einzelnen Batteriezellen zur Erhaltung einer möglichst hohen Kapazität und Lebensdauer des Energiespeichers spielen bei der Durchführung des Zellspannungsausgleichs außerdem Lade- und/oder Entladezeiten des Energiespeichers eine wesentliche Rolle. Erreichen die Zellspannungen zum Beispiel nicht gemeinsam das Ende (= Ladeschlussspannung) bei einem Ladevorgang des Energiespeichers, hat dies eine verhältnismäßig lange, so genannte Top-Balancing-Phase (auch Konstantspannungsphase) zur Folge, in der die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen angeglichen werden.
  • Ebenfalls ist der elektrische Wirkungsgrad (elektrische Effizienz) besonders beim Laden des mehrzelligen Energiespeichers von erheblicher Bedeutung, besonders bei lediglich geringen auszugleichenden Energiemengen zwischen den einzelnen Batteriezellen, da dann die elektrischen Verluste einer das Laden des Energiespeichers sowie den Zellspannungsausgleich zwischen den Batteriezellen steuernden elektronischen Steuerschaltung bzw. Steuervorrichtung keinen vernachlässigbaren Anteil am Gesamtwirkungsgrad des Ladevorgangs mehr darstellen. Zudem verringert sich mit zunehmendem Wirkungsgrad beim Laden und Entladen des Energiespeichers das Problem von (übermäßiger) Wärmeentwicklung im Batteriesystem und einer hiermit einhergehender Wärmeabfuhr.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen eines aus mehreren Batteriezellen bestehenden Energiespeichers bereitzustellen, die die Sicherheit, Zuverlässigkeit und/oder Lebensdauer der Batteriezellen und damit des gesamten Energiespeichers erhöhen. Das Verfahren und die Vorrichtung sollen außerdem einen verbesserten Wirkungsgrad beim Laden und/oder Entladen des Energiespeichers bereitstellen, die Ladezeiten des Energiespeichers bis zur vollständigen Aufladung deutlich verkürzen und die Belastung der einzelnen Batteriezellen beim Laden und/oder Entladen des Energiespeichers möglichst gleichmäßig auf alle Batteriezellen verteilen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
  • Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin nachstehend verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
  • Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen, insbesondere in Reihe und/oder parallel geschalteten, Batteriezellen eines aus mehreren Batteriezellen bestehenden Energiespeichers, beispielsweise eine Traktionsbatterie (z. B. Lithium-Ionen-Batterie) eines Elektrofahrzeugs oder eine Batterie eines stationären Speichersystems, der Zellspannungsausgleich zwischen den Batteriezellen von einer elektronischen Steuervorrichtung gesteuert. Hierbei werden vor der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen, zum Beispiel einmalig vor dem regulären Einsatz, vorab Gesamtwirkungsgrade für den Zellspannungsausgleich durch die elektronische Steuervorrichtung mit unterschiedlichen Anzahlen gleichzeitig ausgeglichener Batteriezellen ermittelt. Bei der betriebsmäßigen, das heißt regelmäßigen, Durchführung von Zellspannungsausgleichen durch die elektronische Steuervorrichtung wird die Anzahl der gleichzeitig auszugleichenden Batteriezellen dann unter Berücksichtigung der vorab ermittelten Gesamtwirkungsgrade so gewählt, dass der Gesamtwirkungsgrad bei der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen durch die elektronische Steuervorrichtung maximal wird.
  • Die Gesamtwirkungsgrade können in an sich bekannter Weise durch Messen von der Steuervorrichtung zum Beispiel beim Laden des Energiespeichers zugeführter Spannung und Strom sowie der hierbei tatsächlich in dem Energiespeicher gespeicherten Energiemenge bestimmt werden. Dies kann zum Beispiel einmalig im Voraus nach der Festlegung der Kombination aus elektronischer Steuervorrichtung und dem von dieser zu steuernden Energiespeicher durchgeführt werden, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Der Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen des Energiespeichers kann in der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Weise bei Lade- und/oder Entladevorgängen des Energiespeichers durchgeführt werden.
  • Die Erfinder haben überraschend herausgefunden, dass der Gesamtwirkungsgrad während der Durchführung eines Zellspannungsausgleichs zwischen den einzelnen Batteriezellen des mehrzelligen Energiespeichers durch die den Zellspannungsausgleich steuernde elektronische Steuervorrichtung, zum Beispiel bei einem Lade- und/oder Entladevorgang, stark von der Anzahl der gleichzeitig ausgeglichenen Batteriezellen abhängt. Insbesondere sinkt der Gesamtwirkungsgrad überraschender Weise deutlich, wenn zu viele Batteriezellen gleichzeitig ausgeglichen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Weise, den optimalen, das heißt den maximal erzielbaren, Gesamtwirkungsgrad der Anordnung aus der den Zellspannungsausgleich steuernden elektronischen Steuervorrichtung und dem gesteuerten Energiespeicher vorab genau zu bestimmen und bei der betriebsmäßigen Durchführung von Lade- und/oder Entladevorgängen zu berücksichtigen, indem stets bzw. maximal die vorab bestimmte Anzahl an gleichzeitig ausgeglichenen Batteriezellen während des Ladens und/oder Entladens des Energiespeichers gewählt wird. Neben der Steigerung der Energieeffizienz führt der höhere elektrische Wirkungsgrad beim Laden und/oder Entladen des Energiespeichers ebenfalls zu einer Verringerung der hierbei entstehenden Wärme. Insgesamt lassen sich hierdurch die Sicherheit, Zuverlässigkeit und/oder Lebensdauer der Batteriezellen und damit des gesamten Energiespeichers verbessern.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die vorab ermittelten, die den unterschiedlichen Anzahlen gleichzeitig ausgeglichener Batteriezellen zugeordneten Gesamtwirkungsgrade für die betriebsmäßige Durchführung von Zellspannungsausgleichen in der Steuervorrichtung gespeichert werden. Die Steuervorrichtung kann hierzu eine entsprechende Speichereinheit aufweisen, z. B. RAM-, ROM-, Flash-Speicher und dergleichen. Dies ermöglicht während der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen auch (temporär) die automatische Wahl einer möglicherweise lediglich zu einem geringfügig geringeren Gesamtwirkungsgrad führenden Anzahl an gleichzeitig auszugleichenden Batteriezellen, sofern diese alternative Wahl für eine bestimmte, augenblicklich vorliegende Betriebsbedingung während des Ladens und/oder Entladens des Energiespeichers besonders vorteilhaft sein sollte. Das Zurückkehren zur Wahl der im Sinne des erzielbaren Gesamtwirkungsgrads optimalen Anzahl gleichzeitig auszugleichender Batteriezellen kann jederzeit wieder erfolgen. Das Verfahren kann somit während der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen flexibler und vollautomatisch auf besondere Betriebsbedingungen reagieren, wodurch die Sicherheit, Zuverlässigkeit und/oder Lebensdauer der Batteriezellen des Energiespeichers noch weiter gesteigert werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Gesamtwirkungsgrade für den Zellspannungsausgleich durch die elektronische Steuervorrichtung mit unterschiedlichen Anzahlen gleichzeitig ausgeglichener Batteriezellen in vorherbestimmten Zeitabständen neu ermittelt. Die Speicherung der den unterschiedlichen Anzahlen gleichzeitig ausgeglichener Batteriezellen zugeordneten Gesamtwirkungsgrade wird hierbei bevorzugt in der Steuervorrichtung vorgenommen, wie vorstehend bereits erwähnt wurde. Die Neuermittlung der Gesamtwirkungsgrade kann in einem von der betriebsmäßigen Durchführung der Zellspannungsausgleiche separaten Ermittlungsschritt durchgeführt werden (ähnlich dem erstmaligen Vorabermitteln der Gesamtwirkungsgrade vor der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen). Sie kann jedoch auch während der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen regelmäßig selbst durchgeführt werden, was das Vorsehen eines separaten Ermittlungsschritts zur Neuermittlung der Gesamtwirkungsgrade erspart. Jedenfalls können bei dieser Ausgestaltung der Erfindung zum Beispiel alterungsbedingte Effekte der Batteriezellen, die sich auf den Gesamtwirkungsgrad von Lade- und/oder Entladevorgängen des Energiespeichers auswirken, während der gesamten Lebenszeit des Energiespeichers vollautomatisch im Sinne eines optimalen Gesamtwirkungsgrads berücksichtigt werden.
  • Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass während eines Entladevorgangs des Energiespeichers der Zellspannungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen derart erfolgt, dass kapazitätsschwache Batteriezellen zeitgleich zu vergleichsweise kapazitätsstarken Batteriezellen ihre jeweilige Entladeschlussspannung erreichen, wobei eine bei dem Zellspannungsausgleich während des Entladevorgangs erfolgte Ladungsumverteilung zwischen den Batteriezellen bereits während eines sich an den Entladevorgang anschließenden Ladevorgangs des Energiespeichers rückgängig gemacht wird. Eine kapazitätsschwache Batteriezelle kann allgemein weniger elektrische Energie speichern als eine kapazitätsstärkere Batteriezelle. Indem die bei einem Entladevorgang des Energiespeichers durchgeführte, erforderliche Ladungsumverteilung zwischen einzelnen Batteriezellen verfolgt und gespeichert wird und dann bereits während eines sich anschließenden Ladevorgangs richtungs- und mengenmäßig genau umgekehrt wird, erreichen fast alle Batteriezellen gleichzeitig die Umschaltspannung in die Konstantspannungsphase (= Ladeschlussspannung). Ein sich herkömmlich erst an den Ladevorgang anschließendes Top-Balancing der Batteriezellen wird somit ganz wesentlich verkürzt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden vor der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen vorab Innenwiderstände aller bei der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen auszugleichenden Batteriezellen ermittelt. Bei der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen werden Zellklemmenspannungen Uz und Zelllastströme Iz der jeweiligen Batteriezellen gemessen und hieraus die tatsächlichen inneren Zellspannungen Ui der jeweiligen Batteriezellen bestimmt. Mit der so ermittelten tatsächlichen inneren Zellspannung Ui der Batteriezellen werden dann die tatsächlichen Ladeschlussspannungen der jeweiligen Batteriezellen während eines Ladevorgangs des Energiespeichers und/oder die tatsächlichen Entladeschlussspannungen der jeweiligen Batteriezellen während eines Entladevorgangs des Energiespeichers bestimmt. Die Ladeschlussspannung bezeichnet hier die maximale Zellklemmenspannung Uzmax, die während eines Ladevorgangs des Energiespeichers von den Batteriezellen höchstens erreicht werden soll, die Entladeschlussspannung die minimale Zellklemmenspannung Uzmin, die während eines Entladevorgangs des Energiespeichers von den Batteriezellen höchstens erreicht werden soll. Beispielsweise kann bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ein Ladeschluss nicht bereits bei Uz = 4,2 V Zellklemmenspannung, sondern beispielsweise erst bei Uz = 4,8 V oder höher erfolgen, da der Spannungsüberschuss vorliegend von 0,6 V am Innenwiderstand Ri der Batteriezelle abfällt und der Batteriezelle somit nicht schadet. Gleiches gilt beim Entladevorgang. Hier kann beispielsweise erst bei Uz = 2,5 V statt Uz = 2,95 V abgeschaltet werden (= Entladeschluss). Der Energiespeicher kann in vorteilhafter Weise im Wesentlichen ohne Konstantspannungsphase (beim Ladevorgang) vollständig, das heißt mit maximaler Kapazität, geladen werden. Beim Entladen kann der Energiespeicher die maximal in ihm gespeicherte elektrische Energie zur Verfügung stellen.
  • Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen die Kapazitätsunterschiede zwischen den einzelnen Batteriezellen ermittelt werden und bei der Wahl der gleichzeitig auszugleichenden Batteriezellen diejenigen Batteriezellen mit den höchsten Kapazitätsunterschiedenen zuerst berücksichtigt werden. Der Zellspannungsausgleich zwischen den gewählten Batteriezellen wird anschließend (lediglich) für eine vorher festgelegte Zeitdauer durchgeführt, das heißt der Zellspannungsausgleich erfolgt nicht zwingend in einem Stück bis zum vollständigen Spannungsausgleich zwischen den gewählten Batteriezellen. Vielmehr wird der Zellspannungsausgleich zwischen den zunächst gewählten Batteriezellen nach der festgelegten Zeitdauer beendet. Anschließend werden die Schritte des Ermittelns der Kapazitätsunterschiede zwischen den Batteriezellen, des Wählens der auszugleichenden Batteriezellen und des Zellspannungsausgleichs zwischen den gewählten Batteriezellen erneut und wiederholt ausgeführt, bis ein Ladevorgang und/oder ein Entladevorgang des Energiespeichers beendet wird. Dies kann durch das vollständige Laden und/oder Entladen des Energiespeichers festgelegt sein, es kann jedoch auch durch eine willkürliche Unterbrechung des Lade- und/oder Entladevorgangs verursacht sein. Die vorliegende Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt zu einer wesentlich gleichmäßigeren Belastung aller Batteriezellen, insbesondere auch bei willkürlich stattfindenden Unterbrechungen des Lade-/Entladevorgangs. Die Kapazitätsunterschiede zwischen den einzelnen Batteriezellen werden gleichmäßig zum Mittelwert geführt und somit die Zellenbelastungen beim Laden und/oder Entladen gleichmäßig unter allen Batteriezellen verteilt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine elektronische Steuervorrichtung zum Steuern eines Zellspannungsausgleichs zwischen einzelnen Batteriezellen eines aus mehreren Batteriezellen bestehenden Energiespeichers eine elektronische Rechen- und Speichereinheit und mit dieser verbundene elektronische Steuermittel zur wahlweisen Steuerung des Zellspannungsausgleichs zwischen einzelnen Batteriezellen auf. Die elektronische Rechen- und Speichereinheit ist dazu eingerichtet, ein Verfahren nach einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen auszuführen.
  • Bezüglich vorrichtungsbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile vorrichtungsgemäßer Merkmale wird vollumfänglich auf die vorstehenden Erläuterungen sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen. Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen in sinngemäßer Weise auch zur Definition der erfindungsgemäßen Vorrichtung herangezogen werden können, sofern dies hierin nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenso sollen Offenbarungen hierin bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden können, sofern dies hierin nicht ebenfalls ausdrücklich ausgeschlossen ist. Insofern wird hierin auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile bezüglich der hierin offenbarten erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des hierin offenbarten erfindungsgemäßen Verfahrens zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
    • 1 einen Wirkungsgradverlauf eines Ausführungsbeispiels einer elektronischen Steuervorrichtung zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen in Abhängigkeit von der Anzahl gleichzeitig ausgeglichener Batteriezellen,
    • 2 ein Ersatzschaltbild einer Batteriezelle und
    • 3 ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Steuervorrichtung zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen eines mehrere Batteriezellen aufweisenden Energiespeichers.
  • In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
  • 1 stellt einen Wirkungsgradverlauf 1 eines Ausführungsbeispiels einer elektronischen Steuervorrichtung 2 (vgl. 3) zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen Z (vgl. 2) in Abhängigkeit von der Anzahl gleichzeitig ausgeglichener Batteriezellen Z dar. In 1 sind in sechs verschiedenen Abschnitten a, b, c, d, e und f jeweils der erzielte Gesamtwirkungsgrad der Kombination aus der Steuervorrichtung 2 und einem insgesamt zwölf Batteriezellen Z1..12 aufweisenden Energiespeicher 3 (vgl. 3) in Abhängigkeit von der Anzahl gleichzeitig ausgeglichener Batteriezellen Z1..12 aufgetragen.
  • In dem in 1 gezeigten Abschnitt a) wurde ein gleichzeitiger Zellspannungsausgleich zwischen insgesamt zwei Batteriezellen durchgeführt (d. h. eine Ladungsumverteilung von einer einzigen Zelle auf genau eine andere Zelle, 1->1), in Abschnitt b) zwischen insgesamt vier beteiligten Batteriezellen (2→2: gleichzeitige Ladungsumverteilung von zwei Zellen auf zwei andere Zellen), in Abschnitt c) zwischen insgesamt sechs beteiligten Batteriezellen (3→3: gleichzeitige Ladungsumverteilung von drei Zellen auf drei andere Zeilen), in Abschnitt d) zwischen insgesamt acht beteiligten Batteriezellen (4→4: gleichzeitige Ladungsumverteilung von vier Zellen auf vier andere Zellen), in Abschnitt e) zwischen insgesamt zehn beteiligten Batteriezellen (5→5: gleichzeitige Ladungsumverteilung von fünf Zellen auf fünf andere Zellen) und in Abschnitt f) zwischen insgesamt zwölf beteiligten Batteriezellen (6->6: gleichzeitige Ladungsumverteilung von sechs Zellen auf sechs andere Zellen). Die linksseitige Ordinate in 1 gibt den Zellstrom in Ampere an, die rechtsseitige Ordinate den Gesamtwirkungsgrad in Prozent.
  • Anhand des ermittelten Verlaufs des Gesamtwirkungsgrads 1 lässt sich in 1 deutlich erkennen, dass der Gesamtwirkungsgrad in Abschnitt c) sein Maximum erreicht. Das heißt, dass bei der zur Ermittlung des Wirkungsgradverlaufs 1 verwendeten Steuervorrichtung 2 und dem von dieser gesteuerten mehrzelligen Energiespeicher 3 ein optimaler Gesamtwirkungsgrad für den Zellspannungsausgleich erreicht wird, wenn gleichzeitig maximal drei Batteriezellenpaare am Zellspannungsausgleich beteiligt sind. Der Zellspannungsausgleich zwischen weniger oder mehr Batteriezellen Z führt zu einer deutlichen Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrads.
  • 2 stellt ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Batteriezelle Z dar. Diese Weist einen Innenwiderstand Ri und eine Zellkapazität C auf. Eine an den Klemmen der Batteriezelle Z messbare Zellklemmenspannung Uz teilt sich im Inneren der Batteriezelle Z in eine innere Zellspannung Ui und eine am Innenwiderstand Ri abfallende Spannung URi auf, die sich aus dem Produkt aus dem von der Batteriezelle Z gelieferten Zelllaststrom Iz und dem Innenwiderstand Ri ergibt. Es ist 2 zu entnehmen, dass die innere Zellspannung Ui, die für den Lade- und/oder Entladeschluss der Batteriezelle Z tatsächlich entscheidend ist, stets kleiner ist, als die von außen zugängliche, messbare Zellklemmenspannung Uz.
  • 3 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel der elektronischen Steuervorrichtung 2 zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen in Reihe geschalteten Batteriezellen Z des mehrere Batteriezellen ZI..12 aufweisenden Energiespeichers 3 dar. Es ist zu verstehen, dass der Energiespeicher 3 nicht lediglich auf in Reihe geschaltete Batteriezellen beschränkt ist, sondern auch parallel geschaltete Batteriezellen (nicht dargestellt) aufweisen kann. Die Batteriezellen Z1..12 weisen alle im Wesentlichen die im Ersatzschaltbild der 2 dargestellten Elemente auf. Die Steuervorrichtung 2 weist eine elektronische Rechen- und Speichereinheit 4 und mit dieser verbundene elektronische Steuermittel (nicht dargestellt) zur wahlweisen Steuerung des Zellspannungsausgleichs zwischen den einzelnen Batteriezellen ZI..12 auf. Der Energiespeicher 3 weist weiterhin zwei externe Anschlussklemmen 5 zur Entnahme der im Energiespeicher 3 gespeicherten und zur Zuführung der im Energiespeicher zu speichernden elektrischen Energie auf. Der Energiespeicher 5 ist im vorliegend dargestellten Fall eine Traktionsbatterie (z. B. Lithium-Ionen-Batterie) eines Elektrofahrzeugs. Er kann jedoch beispielsweise auch Teil eines stationären Speichersystems sein.
  • Die Anordnung bzw. Kombination aus der elektronischen Steuervorrichtung 2 und dem Energiespeicher 3 bilden vorliegend gemeinsam ein Batteriemanagementsystem 6 des Elektrofahrzeugs (nicht dargestellt).
  • Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen eines mehrzelligen Energiespeichers sind nicht auf die hierin jeweils offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen jeweils auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens ergeben. Insbesondere sind die hierin vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • In besonders bevorzugter Ausführung werden sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen eines mehrere Batteriezellen aufweisenden Energiespeichers als Teil eines Batteriemanagementsystems für eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs und/oder einer stationären Speichereinrichtung verwendet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wirkungsgradverlauf
    2
    Elektronische Steuervorrichtung
    3
    Mehrzelliger Energiespeicher
    4
    Rechen- und Speichereinheit
    5
    Anschlussklemme
    6
    Batteriemanagementsystem
    C
    Zellkapazität
    Iz
    Zeillaststrom
    Ri
    Innenwiderstand
    Ui
    Innere Zellspannung
    URi
    Spannung über Ri
    Uz
    Zellklemmenspannung
    Z
    Batteriezelle
    Z1..12
    Batteriezellen 1 bis 12
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015202939 A1 [0003]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Zellspannungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen (Z) eines aus mehreren Batteriezellen (Z) bestehenden Energiespeichers (3), wobei der Zellspannungsausgleich zwischen den Batteriezellen (Z) von einer elektronischen Steuervorrichtung (2) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen vorab Gesamtwirkungsgrade (1) für den Zellspannungsausgleich durch die elektronische Steuervorrichtung (2) mit unterschiedlichen Anzahlen gleichzeitig ausgeglichener Batteriezellen (Z) ermittelt werden und bei der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen durch die elektronische Steuervorrichtung (2) die Anzahl der gleichzeitig auszugleichenden Batteriezellen (Z) unter Berücksichtigung der vorab ermittelten Gesamtwirkungsgrade (1) so gewählt wird, dass der Gesamtwirkungsgrad (1) bei der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen durch die elektronische Steuervorrichtung (2) maximal wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorab ermittelten, den unterschiedlichen Anzahlen gleichzeitig ausgeglichener Batteriezellen (Z) zugeordneten Gesamtwirkungsgrade (1) für die betriebsmäßige Durchführung von Zellspannungsausgleichen in der Steuervorrichtung (2) gespeichert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtwirkungsgrade (1) für den Zellspannungsausgleich durch die elektronische Steuervorrichtung (2) mit unterschiedlichen Anzahlen gleichzeitig ausgeglichener Batteriezellen (Z) in vorherbestimmten Zeitabständen neu ermittelt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Entladevorgangs des Energiespeichers (3) der Zellspannungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen (Z) derart erfolgt, dass kapazitätsschwache Batteriezellen (Z) zeitgleich zu vergleichsweise kapazitätsstarken Batteriezellen (Z) ihre jeweilige Entladeschlussspannung erreichen, wobei eine bei dem Zellspannungsausgleich während des Entladevorgangs erfolgte Ladungsumverteilung zwischen den Batteriezellen (Z) bereits während eines sich an den Entladevorgang anschließenden Ladevorgangs des Energiespeichers (3) rückgängig gemacht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen vorab Innenwiderstände (Ri) aller bei der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen auszugleichenden Batteriezellen (Z) ermittelt werden, wobei bei der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen Zellklemmenspannungen (Uz) und Zelllastströme (Iz) der jeweiligen Batteriezellen (Z) gemessen und hieraus die tatsächlichen inneren Zellspannungen (Ui) der jeweiligen Batteriezellen (Z) bestimmt werden, mit denen die tatsächlichen Ladeschlussspannungen der jeweiligen Batteriezellen (Z) während eines Ladevorgangs des Energiespeichers (3) und/oder die tatsächlichen Entladeschlussspannungen der jeweiligen Batteriezellen (Z) während eines Entladevorgangs des Energiespeichers (3) bestimmt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der betriebsmäßigen Durchführung von Zellspannungsausgleichen die Kapazitätsunterschiede zwischen den einzelnen Batteriezellen (Z) ermittelt werden und bei der Wahl der gleichzeitig auszugleichenden Batteriezellen (Z) diejenigen Batteriezellen (Z) mit den höchsten Kapazitätsunterschiedenen zuerst berücksichtigt werden, wobei der Zellspannungsausgleich zwischen den gewählten Batteriezellen (Z) anschließend für eine vorher festgelegte Zeitdauer durchgeführt wird und anschließend die Schritte des Ermittelns der Kapazitätsunterschiede zwischen den Batteriezellen (Z), des Wählens der auszugleichenden Batteriezellen (Z) und des Zellspannungsausgleichs zwischen den gewählten Batteriezellen (Z) wiederholt ausgeführt werden, bis ein Ladevorgang und/oder ein Entladevorgang des Energiespeichers (3) beendet wird.
  7. Elektronische Steuervorrichtung zum Steuern eines Zellspannungsausgleichs zwischen einzelnen Batteriezellen (Z) eines aus mehreren Batteriezellen (Z) bestehenden Energiespeichers (3), aufweisend eine elektronische Rechen- und Speichereinheit (4) und mit dieser verbundene elektronische Steuermittel (3) zur wahlweisen Steuerung des Zellspannungsausgleichs zwischen einzelnen Batteriezellen (Z), dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Rechen- und Speichereinheit (4) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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