DE102019126692A9

DE102019126692A9 - Verfahren zum Laden und Entladen eines wiederaufladbaren Energiespeichers und Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102019126692A9
Application number: DE102019126692.0A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Benning CMS Technology GmbH
Current assignee: Benning CMS Technology GmbH
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2021-06-02
Also published as: DE102019126692A1

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Aufladen und Entladen eines Energiespeichers (1) sowie ein Energiespeicher vorgeschlagen. Der Energiespeicher (1) ist ausgestattet mit mindestens einem Zellblock (2) mit einer Anzahl J von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3 bis 10), von denen mindestens einige der Batteriezellen (3 bis 10) unterschiedliche Kapazitäten CNmit 1 ≤ N ≤ J aufweisen können, und jede Batteriezelle (3 bis 10) mit einer Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (11 bis 18) ausgestattet ist, wobei eine Anzahl M der Batteriezellen (3 bis 7), mit M < J, eine Puffereinheit (23) des Zellblocks (2) bilden. Zum Aufladen des Energiespeichers mit einem Ladestrom I0werden die Kapazitäten CNder einzelnen Batteriezellen (3 bis 10) bestimmt. Ferner werden die für die einzelnen Batteriezellen (3 bis 10) charakteristischen Ladeströme IN;maxaus der Kapazität CNunter Berücksichtigung eines vorgegebenen C-Faktors, welcher dem Quotient von maximalem Ladestrom IN;maxzur Kapazität CNentspricht, bestimmt. Die Batteriezellen (3 bis 10) werden gleichzeitig während einer vorgegebenen Zeit t aufgeladen mit den diesen Batteriezellen (3 bis 10) zugeordneten maximalen Ladeströmen IN;max, wobei für jede Batteriezelle (3 bis 10) die Differenz zwischen dem Ladestrom I0und ihrem maximalen Ladestrom IN;maxmittels der ihr zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (11 bis 18) durch die Puffereinheit (23) kompensiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Entladen eines wiederaufladbaren Energiespeichers, wobei der Energiespeicher mindestens einen Zellblock mit einer Anzahl J von in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Energiespeichersystem zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Energiespeicher umfasst mehrere in Reihe oder parallel geschaltete galvanische Zellen, die als Batteriezellen bezeichnet werden. Bei der Entladung der Batteriezellen wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie kann von einem Verbraucher genutzt werden, der vom elektrischen Stromnetz unabhängig ist, beispielsweise von einem Elektrofahrzeug. Darüber hinaus kann die elektrische Energie des Energiespeichers von einem Verbraucher genutzt werden, der in ein Stromnetz eingebunden ist, um eine Unterbrechung der Stromversorgung durch das Stromnetz zu überbrücken. Der mit wiederaufladbaren Batteriezellen ausgestattete Energiespeicher wird nach einer Entladung wieder aufgeladen, um für den erneuten Einsatz zur Verfügung zu stehen.
Bei Energiespeichern (Akkumulatoren), die aus mehreren seriell miteinander verbundenen wiederaufladbaren Batteriezellen bestehen, ist es unter anderem für die Lebensdauer des Energiespeichers wichtig, dass jede einzelne Zelle weder beim Aufladen des Energiespeichers überladen noch beim Entladen zu tief entladen wird und alle Zellen möglichst den gleichen Ladezustand aufweisen. Dieses gilt insbesondere für Energiespeicher, die aus mehreren seriell miteinander verbundenen Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien und/oder Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien bestehen.
In der Regel sind derartige Energiespeicher daher jeweils mit einer häufig auch als Batteriemanagement-System bezeichneten Vorrichtung verbunden, die einerseits mittels einer Ladekontrolleinrichtung den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen ständig überwacht und andererseits versucht, bei unterschiedlichen Ladezuständen der einzelnen Batteriezellen diese auszugleichen. Dabei kann der auch als Balancing bezeichnete Ausgleich der Ladezustände der Batteriezellen durch passives oder aktives Balancing erfolgen. Außerdem beginnt bei den bekannten Batteriemanagementsystemen der Ladungsausgleich erst, wenn mindestens eine der Batteriezellen voll geladen ist, so dass der gesamte Ladevorgang eines Zellblockes relativ zeitaufwendig ist.
Bei dem passiven Balancing wird bei derjenigen Batteriezelle, die ihre Ladeschlussspannung als erstes erreicht hat, die überschüssige Energie über einen Widerstand in Wärme umgewandelt und geht damit für den Ladevorgang verloren.
Bei dem aktiven Balancing wird hingegen die Energie, die man einer Batteriezelle mit zu hoher Zellspannung entnimmt, nicht in thermische Energie umgewandelt, sondern zum Laden der anderen Zellen des Energiespeichers verwendet. Allerdings beginnt auch bei dem aktiven Balancing der Ladungsausgleich erst wenn mindestens eine der Batteriezellen des Zellblockes ihre Ladeschlussspannung erreicht hat.
Aus der DE 10 2017 009 850 A1 ist ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Energiespeichers mit mindestens einem Zellblock aus mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen ohne aktives oder passives Balancing bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren erreichen alle Batteriezellen gleichzeitig ihre Ladeschlussspannung oder Entladeschlussspannung. Hierzu wird unter Berücksichtigung eines vorgegebenen C-Faktors, welcher dem Quotient von maximalem Ladestrom I_N;max zur Kapazität C_N jeder der Batteriezellen entspricht, aus der Kapazität C_N jeder Batteriezellen ihr charakteristischer maximaler Ladestrom I_N;max bestimmt. Während einer vorgegebenen Zeit t, welche kleiner oder gleich dem Kehrwert des C-Faktors ist, werden alle Batteriezellen gleichzeitig mit den ihnen jeweils zugeordneten maximalen Ladeströmen I_N;max geladen. Die Differenz zwischen dem zur Verfügung stehenden Ladestrom I₀ und dem maximalen Ladestrom I_N;max einer Batteriezelle wird über Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen als Hilfsladestrom von dem Zellblock entnommen oder diesem zugeführt. Das Entladen erfolgt entsprechend. Bei diesem bekannten Verfahren muss der Ausgleich an Hilfsladeströmen bzw. Hilfsentladeströmen entweder zwischen den Batteriezellen erfolgen oder die Hilfsladeströme bzw. Hilfsentladeströme müssen dem Energiespeichersystem von außen zugeführt bzw. nach außen abgegeben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Energiespeichers mit in Reihe geschalteten Batteriezellen zur Verfügung zu stellen, bei dem alle Batteriezellen gleichzeitig geladen werden und gleichzeitig ihre Ladeschlussspannung erreichen und bei dem überschüssige Energie der Batteriezellen, welche beim Laden oder Entladen der Batteriezellen anfällt, gespeichert und von den einzelnen Batteriezellen beim Laden oder Entladen zusätzlich benötigte Energie abgerufen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Laden nach Anspruch 1, durch ein Verfahren zum Entladen nach Anspruch 2 und durch einen Energiespeicher nach Anspruch 8 gelöst. Der Energiespeicher weist mindestens einen Zellblock mit einer Anzahl J von in Reihe geschalteten Batteriezellen auf. Die Batteriezellen können unterschiedliche Kapazitäten C_N mit 1 ≤ N ≤ J aufweisen. Jede Batteriezelle ist mit einer Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung ausgestattet. Ein Teil der Batteriezellen, nämlich eine Anzahl M der Batteriezellen, mit M < J, bilden eine Puffereinheit des Zellblocks. Alle Batteriezellen werden gleichzeitig mit den ihnen jeweils zugeordneten maximalen Ladeströmen I_N;max während einer vorgegebenen Zeit t geladen, welche kleiner oder gleich dem Kehrwert des C-Faktors ist. Im Unterschied zu dem bekannten Verfahren wird die Differenz zwischen dem zur Verfügung stehenden Ladestrom I₀ und dem maximalen Ladestrom I_N;max einer Batteriezelle über die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung der Batteriezelle nicht allen übrigen Batteriezellen entnommen oder zugeführt sondern der Puffereinheit. Die Puffereinheit ist in der Lage, überschüssige Energie zu speichern oder zusätzlich benötigte Energie bei Bedarf zur Verfügung zu stellen.
Die M Batteriezellen, welche die Puffereinheit bilden, sind in der elektrischen Schaltung des Zellblocks unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet.
Ein überschüssiger Hilfsladestrom einer Batteriezelle wird von der ihr zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung der Puffereinheit zur Verfügung gestellt. Diese erhält alle überschüssigen Hilfsladeströme, welche in den Batteriezellen der Puffereinheit gespeichert werden. Benötigt eine Batteriezellen beim Laden des Zellblocks einen Hilfsladestrom, so wird dieser von der ihr zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung nicht von beliebigen anderen Batteriezellen des Zellblocks abgerufen, sondern von der Puffereinheit.
Die Batteriezellen der Puffereinheit werden selbst auch beim Laden des Zellblocks geladen. Die Batteriezellen des Zellblocks können untereinander Hilfs-Lade-/Entladeströme austauschen. Dieser Austausch erfolgt über die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen der Batteriezellen der Puffereinheit.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben alle Batteriezellen beim Laden oder Entladen jeweils den gleichen Ladezustand bezogen auf ihre jeweilige Nutzkapazität. Damit ist es möglich, zu jedem Zeitpunkt, bezogen auf den maximal geladenen oder entladenen Zustand des Zellblockes, den jeweiligen Ladezustand jeder der Batteriezellen dieses Zellblockes anzugeben.
Die maximale Lade- oder Entladezeit ergibt sich bei diesem Verfahren aus der Beziehung t_max = 1/C-Faktor. Sie ist für alle Batteriezellen gleich und deutlich kürzer als bei bekannten Verfahren mit aktivem oder passivem Balancing. Bei Einhaltung dieser Lade- oder Entladezeit kommt es zur keiner Überladung oder Tiefentladung einzelner Batteriezellen.
Da alle Batteriezellen, unabhängig von ihrer jeweiligen Kapazität, nach der maximalen Ladezeit jeweils den gleichen Ladezustand bezogen auf ihre jeweilige Nutzkapazität besitzen, kann auf ein zusätzliches aktives oder passives Balancing verzichtet werden.
Damit zur Bestimmung der Batteriekapazitäten das bestimmungsgemäße Laden und Entladen des Energiespeichers ohne zeitaufwendige Unterbrechung erfolgt, werden die Kapazitätsmessungen vorzugsweise in bestimmten zeitlichen Abständen automatisch bei in Serie geschalteten Batteriezellen vorgenommen.
Das Entladen des Energiespeichers erfolgt entsprechend zum Laden. Anstelle eines Ladestroms I₀ fließt ein Entladestrom I₀'. Anstelle von Hilfsladeströmen fließen Hilfsentladeströme.
Die Spannung der Puffereinheit entspricht der Summe der Nennspannungen der Batteriezellen der Puffereinheit. Darüber hinaus entspricht die Spannung der Puffereinheit der Spannung auf der den Batteriezellen abgewandten Seite der Hilfs-Lade-/ Entladeeinrichtungen. Beim Bereitstellen eines Hilfsladestroms durch die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen entspricht die Spannung der Puffereinheit der Eingangsspannung der Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen. Beim Bereitstellen eines Hilfsentladestroms durch die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen entspricht die Spannung der Puffereinheit der Ausgangsspannung der Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen. Dank der Verwendung einer erfindungsgemäßen Puffereinheit können standardisierte Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen eingesetzt werden, deren Eingangs- bzw. Ausgangsspannung an die Spannung der Puffereinheit angepasst ist, unabhängig von der Anzahl J der Batteriezellen des Zellblocks des Energiespeichers.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zur Bestimmung der Kapazitäten C_N die Batteriezellen zunächst bis zum Erreichen ihrer Ladeschlussspannung durch den Ladestrom geladen. Dabei wird ein Überladen derjenigen Batteriezellen, die zunächst ihre Ladeschlussspannung erreicht haben, dadurch verhindert, dass der überschüssige Stromanteil über die ihnen zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen der Puffereinheit zugeführt wird. Anschließend werden dann die Batteriezellen mit einem bestimmten Entladestrom so lange entladen, bis die Entladeschlussspannung der Batteriezelle mit der größten Kapazität erreicht wird. Um eine Tiefentladung derjenigen Batteriezellen, die vor der Batterie mit der größten Kapazität ihre Entladeschlussspannungen erreicht haben, zu vermeiden, wird diesen Batteriezellen über die ihnen zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen nach Erreichen ihrer Entladeschlussspannungen aus der Puffereinheit Strom zugeführt. Aus dem zeitlichen Verlauf des Entladestromes zwischen dem geladenen Zustand der Batteriezellen und dem Erreichen der Entladeschlussspannung der jeweiligen Batteriezelle ergibt sich dann die Kapazität der entsprechenden Batteriezelle (Kapazität (C_N) = Entladestrom (I_N;max') x Entladezeit (t)), die anschließend für die weiteren optimalen Lade- und Entladevorgänge des Zellblockes verwendet wird.
Selbstverständlich kann zur Kapazitätsermittlung auch der zeitliche Verlauf des Ladevorganges herangezogen werden oder es kann ein Mittelwert zwischen den bei der Entladung und der Ladung der Batteriezellen ermittelten Kapazitätswerten benutzt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Bestimmung der Kapazitäten C_N berücksichtigt, dass bei einer Reihenschaltung von Batteriezellen die Ladeschlussspannung des gesamten Zellblocks in der Regel niedriger ist, als die Summe der Ladeschlussspannungen der einzelnen Batteriezellen. Bei der Kapazitätsbestimmung wird daher zunächst der Zellblock bis auf seine Ladeschlussspannung geladen und anschließend jede einzelne Batteriezelle mit Hilfe der ihr zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen bis zum Erreichen ihrer Ladeschlussspannung weiter geladen. Aus dem zeitlichen Verlauf des Entladestromes zwischen dem geladenen Zustand der Batteriezellen und dem Erreichen der Entladeschlussspannung der jeweiligen Batteriezelle ergibt sich dann wiederum die Kapazität der entsprechenden Batteriezelle. Dabei wird zunächst der gesamte Zellblock über den Reihenentladestrom bis zu einer Entladetiefe (DoD) von 80 % entladen (d.h. der Zellblock besitzt noch eine Restkapazität von 20 %). Anschließend wird wiederum jede einzelne Batteriezelle über die ihr zugeordnete Hilfs-Lade/Entladeeinrichtung auf ihre jeweilige Entladeschlussspannung entladen. Auch in diesem Fall kann zur Messung der Kapazitäten der Batteriezellen der zeitliche Verlauf des jeweiligen Ladevorganges herangezogen werden oder es kann ein Mittelwert zwischen den bei der Ladung und Entladung der Batterizellen ermittelten Kapazitätswerten benutzt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entspricht die Spannung der Puffereinheit U_{Puffereinheit} der Summe der Nennspannungen der M Batteriezellen der Puffereinheit. Sind die Spannung der Puffereinheit U_{Puffereinheit} und die Nennspannung U_{Nennspannung Batteriezelle Puffereinheit} der Batteriezellen der Puffereinheit vorgegeben, so ergibt sich die Anzahl M Batteriezellen der Puffereinheit aus dem Quotienten aus U_{Puffereinheit} und U_{Nennspannung Batteriezelle Puffereinheit} : $M = U_{Puffereinheit} / U_{Nennspannung Batteriezelle Puffereinheit}$
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Spannung U_{Puffereinheit} kleiner oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Spannung U_{Puffereinheit} eine berührungssichere Kleinspannung. Diese auch als Berührungsspannung bezeichnete Spannung gilt für erwachsene Menschen bei normalen Anwendungsfällen als nicht lebensbedrohlich. Für besondere Anwendungsfälle sind niedrigere Werte festgelegt. Eine berührungssichere Kleinspannung kann bei Gleichspannung kleiner 60 V sein. Sie kann bei Gleichspannung auch kleiner als 48 V sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird neben der Puffereinheit mindestens eine weitere Gruppe der Batteriezellen mit einer Anzahl H zu einer Batteriezellen-Einheit zusammengefasst, wobei H+M ≤ J. In der elektrischen Schaltung des Zellblocks sind diese H Batteriezellen aufeinanderfolgend angeordnet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Spannung U_{Batteriezellen-Einheit} der Gruppe mit H Batteriezellen gleich der Spannung U_{Puffereinheit}. Es können auch alle Batteriezellen des Zellblocks zu Batteriezellen-Einheiten zusammengeschlossen sein.
Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich dadurch aus, dass es einen Zellblock mit einer Anzahl J von in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweist, von denen mindestens einige der Batteriezellen unterschiedliche Kapazitäten C_N mit 1 ≤ N ≤ J aufweisen können. Der Zellblock ist mit einer Puffereinheit ausgestattet, welche durch eine Anzahl M < J der Batteriezellen des Zellblocks gebildet ist. Jede Batteriezelle ist mit einer Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung ausgestattet, welche beim Laden des Zellblocks mit dem Ladestrom I₀ die Differenz zwischen dem Ladestrom I₀ und dem aus der Kapazität C_N und einem vorgegebenen C-Faktor resultierenden maximalen Ladestrom I_N;max der Batteriezelle kompensiert. Hierzu führt die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung einen beim Laden überschüssigen Hilfsladestrom oder beim Entladen überschüssigen Hilfsentladestrom der Puffereinheit zu und entnimmt einen beim Laden fehlenden Hilfsladestrom oder beim Entladen fehlenden Hilfsentladestrom der Puffereinheit. Der C-Faktor entspricht dabei dem Quotient von maximalem Ladestrom I_N;max zur Kapazität C_N der Batteriezellen. Das Energiespeichersystem ist ferner mit einer Kontroll- und Steuerungseinrichtung ausgestattet, welche aus den Kapazitäten C_N der Batteriezellen ihren maximalen Entladestrom I_N;max bestimmt, und mit einem Speicher der Kontroll- und Steuerungseinrichtung, in welchem die Kapazitäten C_N der einzelnen Batteriezellen abgelegt ist. Dabei kann eine Kontroll- und Steuerungseinrichtung zentral für den gesamten Zellblock vorgesehen sein. Alternativ dazu kann jede Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung mit einer Kontroll- und Steuerungseinrichtung ausgestattet sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen mit jeweils einem steuerbaren bidirektionalen DC/DC-Wandler ausgestattet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Energiespeichersystem mit einer regelbaren Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung ausgestattet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Energiespeichersystem mit mindestens einem bidirektionalen DC/DC-Wandler ausgestattet, welcher an den Zellblock angeschlossen ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Energiespeichersystem mit einem bidirektionalen DC/AC-Wandler ausgestattet, welcher an den Zellblock angeschlossen ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entspricht die Spannung der Puffereinheit U_{Puffereinheit} der Summe der Nennspannungen der M Batteriezellen der Puffereinheit.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Spannung U_{Puffereinheit} eine berührungssichere Kleinspannung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist neben der Puffereinheit mindestens eine weitere Gruppe der Batteriezellen mit einer Anzahl H zu einer Batteriezellen-Einheit zusammengefasst, wobei H+M ≤ J.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Spannung U_{Batteriezellen-Einheit} der Gruppe mit H Batteriezellen gleich der Spannung U_{Puffereinheit}.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind alle J Batteriezellen zu insgesamt K Batteriezellen-Einheiten zusammengefasst, wobei eine der Batteriezellen-Einheiten der Puffereinheit entspricht und wobei alle Batteriezellen-Einheiten in Reihe geschaltet sind.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist für alle Batteriezellen-Einheiten die Spannung U_{Batteriezellen-Einheit} = U_{Puffereinheit}.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Figurenliste
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt:

1 Schaltplan eines Energiespeichers.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Schaltplan eines Energiespeichers 1 dargestellt, der beispielsweise zur Energieversorgung eines Versorgungsnetzes eines Gebäudes dient und durch eine Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie (Photovoltaikanlage, Windstromanlage, Biogasanlage etc.) beispielsweise über einen bidirektionalen AC/DC-Wandler 100 auf- und entladbar ist. Der Energiespeicher 1 umfasst bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Zellblock 2 mit mehreren seriell miteinander verbundenen, wiederaufladbaren Batteriezellen 3 bis 10. Jede der Batteriezellen 3 bis 10 ist mit einer ihr zugeordneten, regelbaren Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung 11 bis 18 ausgestattet. Bei den Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen 11 bis 18 handelt es sich um steuerbare bidirektionale DC/DC-Wandler.
Die Batteriezellen 3 bis 7 mit ihren Hilfs-Lade-/ Entladeeinrichtungen 11 bis 15 sind zu einer Puffereinheit 23 zusammengefasst. Die Puffereinheit 23 ist über elektrische Leitungen 19, 20 mit den Hilfs-Lade-/ Entladeeinrichtungen 16 bis 18 der übrigen Batteriezellen 8 bis 10 verbunden. Auf diese Weise können zwischen der Puffereinheit 23 und den übrigen Batteriezellen 8 bis 10 Hilfsladeströme und Hilfsentladeströme fließen.
Die Spannung der Puffereinheit 23 entspricht der Summe der Nennspannungen der Batteriezellen 3 bis 7 der Puffereinheit 23. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Spannung der Puffereinheit 48 V. Es handelt sich hierbei um eine berührungssichere Kleinspannung.
Die Spannung der Puffereinheit 23 entspricht der Spannung auf der den Batteriezellen abgewandten Seite der Hilfs-Lade-/ Entladeeinrichtungen 11 bis 15. Beim Bereitstellen eines Hilfsladestroms durch die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen entspricht die Spannung der Puffereinheit der Eingangsspannung der Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen. Beim Bereitstellen eines Hilfsentladestroms durch die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen entspricht die Spannung der Puffereinheit der Ausgangsspannung der Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen.
Eine Kontroll- und Steuereinrichtung 21 ist über eine Datenleitung 22 mit den Hilfs-Lade-/ Entladeeinrichtungen 11 bis 18 verbunden. Die Kontroll- und Steuereinrichtung 21 überwacht den Lade- bzw. Entladezustand der einzelnen Batteriezellen 3 bis 10.
Nachfolgend wird der Ladevorgang des Energiespeichers 1 beschrieben:

Zunächst werden die Kapazitäten C_N der einzelnen Batteriezellen 3 bis 10 bestimmt und in einem Speicher der Kontroll- und Steuereinrichtung 21 abgelegt. Dabei ist N eine natürliche Zahl zwischen 1 und J, wobei J der Anzahl der Batteriezellen des Zellblocks 2 entspricht. Im vorliegenden Beispiel betragen die Kapazitäten C₃, C₅, C₆ der dritten, fünften und sechsten Batteriezelle jeweils etwa 2 Ah, die Kapazität C₄ der vierten Batteriezelle etwa 2,5 Ah und die Kapazität C₇ der siebten Batteriezelle etwa 3 Ah.

Der C-Faktor bildet den Quotient des maximalen Ladungsstromes I_N;max zur Kapazität C_N. Sollen die einzelnen Batteriezellen 3 bis 10 später beispielsweise mit einem Ladestrom von 1C geladen werden, dann berechnet die Kontroll- und Steuereinrichtung 21 anschließend für die einzelnen Batteriezellen 3 bis 10 die maximalen Ladeströme I_N;max. Bei den oben genannten Kapazitäten betragen diese dann mit I_N;max = C× C_N für die dritte, fünfte und sechste Batteriezelle jeweils 2 A, für die vierte Batteriezelle 2,5 A und für die siebte Batteriezelle 3A. Die berechneten Werte I_N;max werden in einem entsprechenden Speicher abgelegt.
Sobald nun eine nicht dargestellte Kontrolleinrichtung ermittelt, dass die Energie beispielsweise einer Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie größer ist als die von dem Versorgungsnetz benötigte Energie, gelangt mindestens ein Teil der Überschussenergie über den AC/DC-Wandler 100 an den Energiespeicher 1. Als Folge fließt ein Ladestrom I₀.
Um nun gleichzeitig alle Batteriezellen 3 bis 10 mit den diesen Zellen zugeordneten maximalen Ladeströmen I_N;max aufzuladen, sorgt die Kontroll- und Steuereinrichtung 21 aufgrund des Ladestromes I₀ dafür, dass die Batteriezellen 3 bis 10, deren maximaler Ladestrom I_N;max dem Ladestrom I₀ entspricht, nur von dem Ladestrom I₀ geladen werden. Die Batteriezellen 3 bis 10, deren maximaler Ladestrom I_N;max hingegen größer als der Ladestrom I₀ ist, werden gleichzeitig von dem Ladestrom I₀ und von den der Puffereinheit 23 mittels entsprechender Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen 11 bis 18 entnehmbaren Hilfs-Ladeströmen I_N geladen, für die gilt: I_N = I_N;max - I₀. Schließlich werden die Batteriezellen 3 bis 10, deren maximaler Ladestrom I_N;max kleiner als der Ladestrom I₀ ist, von dem Ladestrom I₀ geladen, wobei gleichzeitig die die maximalen Ladeströme I_N;max übersteigenden Ströme: I_N = I₀ - I_N;max als Hilfsladestrom I_N der Puffereinheit 23 zugeführt werden.
Wird also beispielsweise der Ladestrom I₀ derart gewählt, dass die Batteriezellen mit der geringsten Kapazität (bei dem oben genannten Beispiel jeweils 2 Ah) mit ihrem maximalen Ladestrom (I_N;max = 2 A) geladen werden (I₀ beträgt also 2 A), so müssen die weiteren Batteriezellen zusätzlich zu dem Ladestrom I₀ jeweils mit einem maximalen Hilfs-Ladestrom (von 0,5 A bzw. 1 A) aus der ihnen zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung 11 bis 18 geladen werden, der sich aus der Differenz zwischen der Kapazität der jeweiligen Batteriezelle und der Batteriezelle mit der geringsten Kapazität ergibt.
Durch Überwachung der Ladeschlussspannungen an den Batteriezellen 3 bis 10 überwacht die Kontroll- und Steuereinrichtung 21 die Ladezeit, während der die Batteriezellen 3 bis 10 mit ihrem maximalen Ladestrom geladen werden können, ohne dass es zu einer Überladung der jeweiligen Batteriezelle kommt.
Überschüssige Hilfsladeströme und Hilfsentladeströme werden in der Puffereinheit 23 gespeichert und stehen allen Batteriezellen 3 bis 10 zur Verfügung.
Um die Kapazitäten der Batteriezellen 3 bis 10 in vorgegebenen zeitlichen Abständen (z.B. nach jeweils 100 Lade-/Entladezyklen) automatisch zu ermitteln, wird zunächst der Zellblock 2 bis auf seine Ladeschlussspannung geladen und anschließend jede einzelne Batteriezelle 3 bis 10 mit Hilfe der ihr zugeordneten Hilfs-Lade/Entladeeinrichtungen 11 bis 18 bis zum Erreichen ihrer Ladeschlussspannung weiter geladen.
Nach dem Aufladen aller Batteriezellen 3 bis 10 erfolgt dann ein definiertes Entladen der Batteriezellen 3 bis 10. Dabei wird zunächst der gesamte Zellblock 2 mit einem vorgegebenen Entladestrom I₀' bis zu einer Entladetiefe (DoD) von 80 % entladen. Anschließend wird jede einzelne Batteriezelle 3 bis 10 über die ihr zugeordnete Hilfs-Lade/Entladeeinrichtung 11 bis 18 auf ihre jeweilige Entladeschlussspannung entladen. Aus dem gemessenen Verlauf des Entladestromes I_N;max' zwischen dem Beginn der Entladung einer der Batteriezellen 3 bis 10 und dem Erreichen der Entladeschlussspannung der jeweiligen Batteriezelle kann dann die Kapazität C_N der entsprechenden Batteriezelle ermittelt werden.
Allerdings kann zur Messung der Kapazitäten der Batteriezellen 3 bis 10 auch der zeitliche Verlauf des jeweiligen Ladevorganges herangezogen werden, oder es kann ein Mittelwert zwischen den bei der Ladung und Entladung der Batterien ermittelten Kapazitätswerten benutzt werden.
Alternativ dazu kann beispielsweise die Ermittlung der Kapazitäten der Batteriezellen 3 bis 10 auch dadurch erfolgen, dass zunächst alle Batteriezellen 3 bis 10 bis zum Erreichen ihrer Ladeschlussspannung mit Hilfe eines Ladestroms I₀ geladen werden. Um dabei ein Überladen der Batteriezellen 3 bis 10 zu verhindern, wird ein gegebenenfalls überschüssiger Ladestrom über die ihnen jeweils zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung 11 bis 18 der Puffereinheit 23 zugeführt.
Nach dem Aufladen aller Batteriezellen 3 bis 10 erfolgt dann ein definiertes Entladen der Batteriezellen 3 bis 10. Hierzu erfolgt die Entladung der Batteriezellen 3 bis 10 mit einem vorgegebenen Entladestrom I₀', und zwar so lange, bis die Entladeschlussspannungen einer Batteriezelle erreicht ist. Um zu vermeiden, dass diese Batteriezelle tiefentladen wird, wird dieser Batteriezelle nach Erreichen ihrer Entladeschlussspannung mittels der ihr zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung aus der Puffereinheit 23 ein Hilfsladestrom zugeführt.
Aus dem gemessenen Verlauf des Entladestromes I_N;max' zwischen dem Beginn der Entladung einer der Batteriezellen 3 bis 10 und dem Erreichen der Entladeschlussspannung der jeweiligen Batteriezelle kann dann die Kapazität C_N der entsprechenden Batteriezelle ermittelt werden.
Ferner brauchen die Kapazitäten nicht aller Batteriezellen in einem Lade-/Entladezyklus ermittelt werden. Vielmehr kann es auch vorteilhaft sein, die Kapazitäten der Batteriezellen nacheinander in mehreren Lade-/Entladezyklen zu bestimmen.
Außerdem muss der Lade- oder Entladestrom selbstverständlich nicht zwingend derart gewählt werden, dass er dem maximalen Lade- oder Entladestrom der Batteriezelle mit der geringsten Kapazität entspricht. Vielmehr kann er beispielsweise auch derart gewählt werden, dass er dem maximalen Lade- oder Entladestrom einer Batteriezelle mit einer mittleren Kapazität oder einer Batteriezelle mit der höchsten Kapazität entspricht etc.
Schließlich kann der Energiespeicher auch aus mehreren, serielle Batteriespeicher umfassenden Zellblöcken bestehen.
Sämtliche Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher
2: Zellblock
3: Batteriezelle
4: Batteriezelle
5: Batteriezelle
6: Batteriezelle
7: Batteriezelle
8: Batteriezelle
9: Batteriezelle
10: Batteriezelle
11: Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
12: Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
13: Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
14: Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
15: Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
16: Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
17: Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
18: Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung
19: Elektrische Leitung
20: Elektrische Leitung
21: Kontroll- und Steuereinrichtung
22: Datenleitung
23: Puffereinheit
100: AC/DC-Wandler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017009850 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Aufladen eines Energiespeichers (1) mit einem Ladestrom I₀, wobei der Energiespeicher (1) mindestens einen Zellblock (2) mit einer Anzahl J von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3 bis 10) aufweist, von denen mindestens einige der Batteriezellen (3 bis 10) unterschiedliche Kapazitäten C_N mit 1 ≤ N ≤ J aufweisen können, und jede Batteriezelle (3 bis 10) mit einer Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (11 bis 18) ausgestattet ist, wobei eine Anzahl M der Batteriezellen (3 bis 7), mit M < J, eine Puffereinheit (23) des Zellblocks (2) bilden, mit folgenden Verfahrensschritten: - Bestimmen der Kapazitäten C_N der einzelnen Batteriezellen (3 bis 10) und Ablegen der Kapazitäten in einem Speicher, - Bestimmen der für die einzelnen Batteriezellen (3 bis 10) charakteristischen Ladeströme I_N;max aus der Kapazität C_N unter Berücksichtigung eines vorgegebenen C-Faktors, welcher dem Quotient von maximalem Ladestrom I_N;max zur Kapazität C_N entspricht, - Aufladen der Batteriezellen (3 bis 10) gleichzeitig während einer vorgegebenen Zeit t, welche kleiner oder gleich dem Kehrwert des C-Faktors ist, mit den diesen Batteriezellen (3 bis 10) zugeordneten maximalen Ladeströmen I_N;max, wobei für jede Batteriezelle (3 bis 10) die Differenz zwischen dem Ladestrom I₀ und ihrem maximalen Ladestrom I_N;max mittels der ihr zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (11 bis 18) durch die Puffereinheit (23) kompensiert wird, derart dass bei Batteriezellen (3 bis 10) mit I_N;max < I₀ die zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (11 bis 18) einen überschüssigen Hilfsladestrom I₀ - I_N;max der Puffereinheit (23) zuführt und bei Batteriezellen (3 bis 10) mit I_N;max > I₀ die zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (11 bis 18) einen fehlenden Hilfsladestrom I_N;max - I₀ der Puffereinheit (23) entnimmt.
Verfahren zum Entladen eines wiederaufladbaren Energiespeichers (1) mit einem Entladestrom I₀', wobei der Energiespeicher (1) mindestens einen Zellblock (2) mit einer Anzahl J von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3 bis 10) aufweist, von denen mindestens einige der Batteriezellen (3 bis 10) unterschiedliche Kapazitäten C_N mit 1 ≤ N ≤ J aufweisen können, und jede Batteriezelle (3 bis 10) mit einer Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (11 bis 18) ausgestattet ist, wobei eine Anzahl M der Batteriezellen (3 bis 7), mit M < J, eine Puffereinheit (23) des Zellblocks (2) bilden, mit folgenden Verfahrensschritten: - Bestimmen der Kapazitäten C_N der einzelnen Batteriezellen (3 bis 10) und Ablegen der Kapazitäten in einem Speicher, - Bestimmen der für die einzelnen Batteriezellen (3 bis 10) charakteristischen Entladeströme I_N;max' aus der Kapazität C_N unter Berücksichtigung eines vorgegebenen C-Faktors, welcher dem Quotient von maximalem Entladestrom I_N;max' zur Kapazität C_N entspricht, - Entladen der Batteriezellen (3 bis 10) gleichzeitig während einer vorgegebenen Zeit t, welche kleiner oder gleich dem Kehrwert des C-Faktors ist, mit den diesen Batteriezellen (3 bis 10) zugeordneten maximalen Entladeströmen I_N;max', wobei für jede Batteriezelle (3 bis 10) die Differenz zwischen dem Entladestrom I₀' und ihrem maximalen Entladestrom I_N;max' mittels der ihr zugeordneten Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (11 bis 18) durch die Puffereinheit (23) kompensiert wird, derart dass bei Batteriezellen (3 bis 10) mit I_N;max' < I₀' die zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (11 bis 18) einen fehlenden Hilfsentladestrom I₀' - I_N;max' der Puffereinheit (23) entnimmt und bei Batteriezellen (3 bis 10) mit I_N;max' > I₀' die zugeordnete Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (11 bis 18) einen überschüssigen Hilfsentladestrom I_N;max' - I₀' der Puffereinheit (23) zuführt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung der Puffereinheit (23) U_{Puffereinheit} der Summe der Nennspannungen der M Batteriezellen (3 bis 7) der Puffereinheit (23) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass U_{Puffereinheit} kleiner oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass U_{Puffereinheit} eine berührungssichere Kleinspannung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Puffereinheit (23) mindestens eine weitere Gruppe der Batteriezellen (8 bis 10) mit einer Anzahl H zu einer Batteriezellen-Einheit zusammengefasst werden, wobei H+M ≤ J.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung U_{Batteriezellen-Einheit} der Gruppe mit H Batteriezellen (8 bis 10) gleich der Spannung U_{Puffereinheit} ist.
Energiespeichersystem mit einem wiederaufladbaren Energiespeicher (1), welcher mit einem Zellblock (2) ausgestattet ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Anzahl J von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3 bis 10) des Zellblocks (2), von denen mindestens einige der Batteriezellen (3 bis 10) unterschiedliche Kapazitäten C_N mit 1 ≤ N ≤ J aufweisen können, mit einer Puffereinheit (23) des Zellblocks (2), wobei die Puffereinheit (23) durch eine Anzahl M < J der Batteriezellen (3 bis 10) gebildet ist, wobei jede Batteriezelle (3 bis 10) mit einer Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtung (11 bis 18) ausgestattet ist, welche beim Laden des Zellblocks (2) mit dem Ladestrom I₀ die Differenz zwischen dem Ladestrom I₀ und dem aus der Kapazität C_N und einem vorgegebenen C-Faktor resultierenden maximalen Ladestrom I_N;max der Batteriezelle (3 bis 10) kompensiert, indem sie einen überschüssigen Hilfsladestrom der Puffereinheit (23) zuführt und einen fehlenden Hilfsladestrom der Puffereinheit (23) entnimmt, und wobei der C-Faktor dem Quotient von maximalem Ladestrom I_N;max zur Kapazität C_N der Batteriezellen (3 bis 10) entspricht, mit einer Kontroll- und Steuerungseinrichtung (21), welche aus den Kapazitäten C_N der Batteriezellen (3 bis 10) ihren maximalen Ladestrom I_N;max bestimmt, und mit einem Speicher der Kontroll- und Steuerungseinrichtung (21), in welchem die Kapazitäten C_N der einzelnen Batteriezellen (3 bis 10) abgelegt ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfs-Lade-/Entladeeinrichtungen (11 bis 18) mit jeweils einem steuerbaren bidirektionalen DC/DC-Wandler ausgestattet sind.
Energiespeichersystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer regelbaren Haupt-Lade-/Entladeeinrichtung ausgestattet ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es mit mindestens einem bidirektionalen DC/DC-Wandler ausgestattet ist, welcher an den Zellblock (2) angeschlossen ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem bidirektionalen DC/AC-Wandler ausgestattet ist, welcher an den Zellblock (2) angeschlossen ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung der Puffereinheit (23) U_{Puffereinheit} der Summe der Nennspannungen der M Batteriezellen (3 bis 7) der Puffereinheit (23) entspricht.
Energiespeichersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass U_{Puffereinheit} eine berührungssichere Kleinspannung ist.
Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Puffereinheit (23) mindestens eine weitere Gruppe der Batteriezellen (8 bis 10) mit einer Anzahl H zu einer Batteriezellen-Einheit zusammengefasst ist, wobei H+M ≤ J.
Energiespeichersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung U_{Batteriezellen-Einheit} der Gruppe mit H Batteriezellen (8 bis 10) gleich der Spannung U_{Puffereinheit} ist.
Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle J Batteriezellen (3 bis 10) zu insgesamt K Batteriezellen-Einheiten zusammengefasst sind, wobei eine der Batteriezellen-Einheiten der Puffereinheit (23) entspricht, wobei alle Batteriezellen-Einheiten in Reihe geschaltet sind.
Energiespeichersystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Batteriezellen-Einheiten die Spannung U_{Batteriezellen-Einheit} = U_{Puffereinheit} ist.