DE102020123864A1 - Verfahren und Vorrichtung zum aktiven Balancieren von Batteriezellen mehrzelliger Energiespeicherr - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum aktiven Balancieren von Batteriezellen mehrzelliger Energiespeicherr Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aktiven Balancieren von Batteriezellen (Z1..Z4) eines mehrzelligen Energiespeichers (2), bei dem durch das aktive Balancieren die Batteriezellen (Z1..Z4) wahlweise individuell geladen und entladen werden können. Ein Alterungszustand (SOH) der Batteriezellen (Z1..Z4) wird am Ende eines vollständigen Entladevorgangs des Energiespeichers (2) bestimmt und die Batteriezellen (Z1..Z4) werden durch Vergleich des jeweils bestimmten Alterungszustands (SOH) mit einem Zustandsvergleichswert in weniger stark gealterte und stärker gealterte Batteriezellen (Z1..Z4) eingeteilt, wobei bei einer nachfolgenden elektrischen Belastung des Energiespeichers (2) die Belastung der stärker gealterten Batteriezellen gegenüber den weniger stark gealterten Batteriezellen durch das aktive Balancieren wenigstens temporär verringert wird.Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemanagementsystem (1) mit wenigstens einem mehrere Batteriezellen (Z1..Z4) aufweisenden Energiespeicher (2) und mit einer elektronische Steuereinrichtung (3), die eingerichtet ist, die Batteriezellen (Z1..Z4) durch aktives Balancieren mit Hilfe von Sensormitteln und Steuermitteln wahlweise individuell zu laden und zu entladen sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum aktiven Balancieren von Batteriezellen eines mehrzelligen Energiespeichers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Batteriemanagementsystem zum aktiven Balancieren von Batteriezellen eines mehrzelligen Energiespeichers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Mehrzellige wiederaufladbare Energiespeicher (Akkumulatoren), beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien (Lithium-Ionen-Akkumulatoren), insbesondere z. B. für den Einsatz in Elektrokraftfahrzeugen (electric vehicles, EV), Hybridfahrzeugen (hybrid electric vehicles, HEV) oder Steckdosenhybridfahrzeugen (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV) als Traktionsbatterien oder auch in stationären elektrischen Speichereinrichtungen zum temporären Speichern bzw. Zwischenspeichern elektrischer Energie, sind allgemein bekannt. Hierbei sind gewöhnlich mehrere einzelne Batteriezellen oder verschiedene Zellebenen, die wiederum mehrere miteinander seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen aufweisen können, in Reihe geschaltet. Fertigungs- und alterungsbedingt gibt es Schwankungen beispielsweise der Kapazität und des Innenwiderstands dieser Zellen. Im praktischen Einsatz von mehrzelligen, in Reihe geschalteten Akkumulatoren (z. B. als Batteriepack zur Bereitstellung einer ausreichend hohen Gesamtspannung) führt dies ohne zusätzliche Maßnahmen dazu, dass die Zellen unterschiedlich ge- und entladen werden, wodurch es im Verbund bei einem Entladevorgang des Energiespeichers zu kritischer Tiefentladung, das heißt zum Unterschreiten der zulässigen Entladeschlussspannung für einzelne Batteriezellen, und bei einem Ladevorgang des Energiespeichers zu einer Überladung mit Überschreiten der zulässigen Ladeschlussspannung einzelner Zellen kommen kann. Dies kann zu einer nicht reversiblen Schädigung einzelner Batteriezellen führen, sodass der gesamte Energiespeicher an Kapazität verliert oder infolge eines Gesamtausfalls frühzeitig ersetzt werden muss.
  • Selbst wenn die Entlade- oder Ladeschlussspannung einzelner Batteriezellen zunächst nicht unter- bzw. überschritten werden, führt eine gleiche Belastung aller Batteriezellen beim Entladen oder Laden des Energiespeichers doch dazu, dass aufgrund der Streuung von Zellparametern einige Batteriezellen schneller altern als andere, wobei die Alterung insbesondere die Speicherkapazität einzelner Zellen erheblich reduziert. In einem Serienverbund von Batteriezellen bestimmt die schlechteste Zelle den Abschaltpunkt des gesamten Serienverbunds beim Entladen und Laden.
  • Zum Beispiel können Lithium-Ionen-Akkumulatoren für Elektro- bzw. Hybridfahrzeuge oder in (mobilen/stationären) elektrischen Speichersystemen, eine hohe Anzahl in Serie geschalteter einzelner Batteriezellen aufweisen. Je höher die Anzahl der Batteriezellen ist, desto höher ist auch die Wahrscheinlichkeit eines Ungleichgewichts bzw. einer Unausgewogenheit (disbalance) zwischen den einzelnen Zellen, die während des bestimmungsgemäßen Betriebs zu unterschiedlicher, ungleichmäßiger Zellalterung führt.
  • Ein Batteriemanagementsystem (battery management system, BMS) kann Eigenschaften der einzelnen Batteriezellen und/oder eines die Batteriezellen aufweisenden Energiespeichers, zum Beispiel Spannung, Strom, Temperatur, Innenwiderstand und dergleichen, überwachen bzw. steuern. Durch das Überwachen und/oder Steuern dieser Zellen- bzw. Batterieparameter lassen sich die Sicherheit, Zuverlässigkeit und auch die Lebensdauer der Batteriezellen bzw. des Batteriesystems steigern und eine sichere, zuverlässige, langlebige Batteriefunktion gewährleisten. Dabei ist z. B. der Ladezustand („State of Charge“ oder kurz SoC) einzelner Batteriezellen ein wichtiger Paramater.
  • Um das Problem unterschiedlicher Ladungszustände zwischen einzelnen Batteriezellen und eine während der Betriebsdauer damit einhergehende zunehmende Divergenz der elektrochemischen Zellparameter, die mit der Zellalterung gleichzusetzen ist, abzumildern, sind bereits Verfahren zum Zellspannungs- bzw. Ladungsausgleich (auch als „Balancing“ bezeichnet, wobei sowohl passive als auch aktive Balancierungsverfahren bekannt sind) für derartige Energiespeicher beschrieben worden, beispielsweise in DE 10 2015 202 939 A1 .
  • Passives Balancieren von Batteriezellen wird im Bereich des Ladeschlusses durchgeführt, wenn die Zellen eines Energiespeichers fast vollgeladen sind. Dabei wird bei jenen Zellen, welche bereits die Ladeschlussspannung erreicht haben, durch den Balancer ein zusätzlicher Widerstand parallel zur Zelle geschaltet, wodurch die Spannung dieser Zelle auf die Ladeschlussspannung begrenzt wird. Diese Zelle wird dann nur gering weiter geladen oder sogar etwas entladen, während die Zellen in der Reihenschaltung, welche die Ladeschlussspannung noch nicht erreicht haben, weiterhin mit dem vollen Ladestrom versorgt werden. Die Leistung des Parallelwiderstandes muss dabei an den Ladestrom angepasst werden, da die überschüssige Energie zur Erwärmung des Widerstands führt.
  • Beim herkömmlichen aktiven Balancieren wird ein Ladungstransfer von benachbarten Batteriezellen untereinander realisiert, so dass die Energie von Zellen mit höherer Ladung auf Zellen mit niedrigerer Ladung übertragen werden kann. Eine Balancierschaltung weist prinzipiell mehrere speziell auf die Anwendung optimierte Schaltregler auf, welche pro Zelle arbeiten und aktiv Energie von einer Zelle mit höherer Kapazität auf eine benachbarte Zelle mit geringerer Kapazität übertragen. Zur Übertragung der Energie sind, wie bei Schaltreglern üblich, zusätzliche Energiespeicher nötig, die zwischen den einzelnen Zellen umgeschaltet werden. Bei kleineren Leistungen können Kondensatoren eingesetzt werden, bei größeren Leistungen vorzugsweise Spulen.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum aktiven Balancieren von Batteriezellen eines mehrzelligen Energiespeichers bereitzustellen, die einer vorzeitigen Zellalterung der einzelnen Batteriezellen noch effektiver entgegenwirken. Hierdurch sollen die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer aller Batteriezellen und damit des gesamten Energiespeichers für dessen bestimmungsgemäßen Betrieb erhöht werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Batteriemanagementsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 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.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum aktiven Balancieren von Batteriezellen eines mehrzelligen Energiespeichers, bei dem durch das aktive Balancieren die Batteriezellen wahlweise individuell geladen und entladen werden können, sieht vor, dass ein Alterungszustand (hierin auch als „State of Health“ oder SOH bezeichnet) der Batteriezellen am Ende eines vollständigen Entladevorgangs des Energiespeichers bestimmt wird und die Batteriezellen durch Vergleich des jeweils bestimmten Alterungszustands mit einem Zustandsvergleichswert in weniger stark gealterte und stärker gealterte Batteriezellen eingeteilt werden, wobei bei einer nachfolgenden elektrischen Belastung des Energiespeichers, das heißt beim Laden und Entladen des Energiespeichers, die Belastung der stärker gealterten Batteriezellen (hierin auch als „schlechte“ Zellen bezeichnet) gegenüber den weniger stark gealterten Batteriezellen (hierin auch als „gute“ Zellen bezeichnet) wenigstens temporär durch das aktive Balancieren verringert wird.
  • Der Begriff „State of Health“ (SOH) beschreibt als Kennwert einer Batteriezelle deren Alterungszustand im Vergleich zu ihrem Nenn- beziehungsweise Neuwert und kann beispielsweise in Prozent angegeben werden. Ein SOH von 90 % bedeutet dann, dass eine Zelle im Vergleich zu ihrer Ursprungskapazität nur noch über einen maximalen Energiegehalt von 90 % verfügen kann. Mit anderen Worten weist in diesem Fall eine stärker gealterte (schlechte) Zelle einen niedrigeren SOH auf als eine weniger stark gealterte (gute) Zelle.
  • Vorzugsweise ist wenigstens ein Teil der Batteriezellen des Energiespeichers in Reihe geschaltet. Gegebenenfalls können einige Batteriezellen auch parallelgeschaltet sein und beispielsweise eine Zellebene bilden, wobei mehrere Zellebenen wiederum in Reihe geschaltet sein können. Dementsprechend ist der Begriff „Batteriezelle“ im Sinne der Erfindung breit auszulegen. Er umfasst gleichermaßen auch mehrzellige Zellebenen, die miteinander beispielsweise in Reihe verschaltet sein können. Derartige mehrzellige Zellebenen sollen somit im Sinne der Erfindung auch unter den Begriff der anspruchsgemäßen „Batteriezelle“ fallen können. Die Begriffe „Batteriezelle“ und „Zellebene“ werden hierin synonym verwendet, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes bestimmt wird.
  • Der Energiespeicher kann beispielsweise eine Traktionsbatterie (z. B. Lithium-Ionen-Batterie) eines Elektrofahrzeugs oder eine Batterie eines stationären Energiespeichersystems sein, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren verteilt die Belastung der einzelnen Batteriezellen beim Laden und/oder Entladen des Energiespeichers abhängig von ihrer Einteilung in gute und schlechte Zellen/Zellebenen möglichst gleichmäßig auf alle Batteriezellen/Zellebenen, wobei die schlechten Zellen gegenüber den guten Zellen geschont werden. Die Verringerung der Belastung kann wenigstens temporär oder auch bis zu einer neuen Einteilung in gute und schlechte Zellen dauerhaft vorgenommen werden. Bereits eine temporäre Verringerung der Zellenbelastung führt sicher zu einer während eines Lade- und/oder Entladevorgangs des Energiespeichers (= elektrische Belastung) durchschnittlich geringeren Belastung der schlechten Batteriezellen/Zellebenen.
  • Die Belastung der schlechten Batteriezellen bzw. Zellebenen wird durch die aktive Balancierung begrenzt. Durch die aktive Balancierung kann jede Zelle/Zellebene individuelle geladen oder entladen werden. Das individuelle Laden/Entladen kann zu jeder Zeit stattfinden. Dadurch können die schlechten Zellen/Zellebenen zum Beispiel während einer Entladungsphase des Energiespeichers durch die aktive Balancierung (geringfügig) geladen werden, wodurch die Gesamtbelastung für diese verringert wird.
  • Die aktive Balancierung der Batteriezellen/Zellebenen abhängig von ihrem jeweiligen Gesundheits-/Alterungszustand (SOH) bei Lade-/Entladevorgängen des Energiespeichers minimiert eine Streuung (Divergenz) der elektrochemischen Parameter der Zellen/Zellebenen über die gesamte Betriebsdauer des Energiespeichers.
  • Die Lebensdauer des Energiespeichers wird verlängert, indem die Streuung der Parameter der einzelnen Zellen/Zellebenen minimiert wird. Um diese Streuung zu minimieren, wird die Belastung der Zellen/Zellebenen durch die aktive Balancierung abhängig von ihrem Alterungszustand intelligent angepasst, indem die Zellen/Zellebenen in gute und schlechte Zellebenen eingeteilt werden. Sobald der Energiespeicher elektrisch belastet wird (Laden/Entladen), findet die Balancierung statt, die die Belastung der Zellen/Zellebenen in Abhängigkeit von ihrem Alterungszustand umverteilt. Die schlechten Zellen/Zellebenen werden im Vergleich zu den guten Zellen/Zellebenen im Mittel weniger belastet. Da die Alterung der Zellen in direktem Zusammenhang mit der Belastung steht, altern mit der aktiven Balancierung gemäß der Erfindung die schlechten Zellen/Zellebenen im Gegensatz zu den guten Zellen/Zellebenen weniger. Durch diese gleichmäßigere Alterung verringert sich der Effekt, dass die schlechteste Zelle/Zellebene die Kapazität des gesamten Energiespeichers beschränkt.
  • Insgesamt werden damit die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer aller Batteriezellen und damit des gesamten Energiespeichers für den bestimmungsgemäßen Betrieb erhöht.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die verringerte Belastung der stärker gealterten Batteriezellen durch eine während der elektrischen Belastung des Energiespeichers wenigstens temporär reduzierte, den stärker gealterten Batteriezellen zugeführte (Laden) bzw. entnommene (Entladen) Stromstärke gegenüber den weniger stark gealterten Batteriezellen mittels des aktiven Balancierens erzielt.
  • Zum Beispiel können der Energiespeicher bei einem Entladevorgang mit -10 A belastet werden und die aktive Balancierung jede Zelle/Zellebene zusätzlich und individuelle mit +/-1 A belasten. Damit kann eine schlechte Zelle/Zellebene mit -9 A belastet werden und eine gute Zelle/Zellebene mit -11 A belastet werden.
  • Je nachdem wie schlecht bzw. gut eine Zelle/Zellebene ist kann die Dauer der aktiven Balancierung angepasst werden (= temporäre Belastungsverringerung). Die Dauer bestimmt damit die mittlere bzw. durchschnittliche Belastung der Zelle/Zellebene. Bei einer beispielhaft einstündigen Entladung des Energiespeichers mit -10 A kann die mittlere Belastung der schlechten Zelle/Zellebene dann bei -9,5 A liegen, falls die Zelle/Zellebene für 30 Minuten mit der aktiven Balancierung nur mit -9 A belastet wird.
  • Die Belastung der Zelle/Zellebene kann lediglich die ihr entnommene bzw. zugeführte Stromstärke (= elektrische Belastung) berücksichtigen. Die Belastung der Zellen/Zellebenen kann alternativ oder zusätzlich auch eine thermische Belastung, das heißt eine sich bei der elektrischen Belastung des Energiespeichers einstellende individuelle Zellentemperatur der Zellen/Zellebenen berücksichtigen, wobei einer hohen Zellentemperatur mit einer entsprechend größeren Verringerung der elektrischen Belastung (Stromstärke) der entsprechenden Zelle/Zellebene entgegengewirkt werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die den stärker gealterten Batteriezellen zugeführte bzw. entnommene Stromstärke (= Stromstärkebelastung) mit größerer Abweichung ihres Alterungszustands vom Zustandsvergleichswert gegenüber der den stärker gealterten Batteriezellen zugeführten bzw. entnommenen Stromstärke mit kleinerer Abweichung ihres Alterungszustands vom Zustandsvergleichswert stärker reduziert wird. Auf diese Weise werden innerhalb der Gruppe der stärker gealterten Zellen/Zellebenen die am stärksten gealterten Zellen/Zellebenen noch mehr entlastet und ihr Alterungsprozess noch weiter verlangsamt.
  • Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die den weniger stark gealterten Batteriezellen zugeführte (Laden) bzw. entnommene (Entladen) Stromstärke in dem Maß der Reduzierung der Stromstärke der stärker gealterten Batteriezellen mittels des aktiven Balancierens erhöht. Damit bleibt die vom Energiespeicher bereitstellbare elektrische Gesamtleistung wie bei einer gleichmäßigen Belastung aller Batteriezellen/Zellebenen im Wesentlichen konstant.
  • Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird der Alterungszustand SOH der Batteriezellen/Zellebenen am Ende jedes vollständigen Entladevorgangs des Energiespeichers neu bestimmt. Hierdurch wird eine quasi-kontinuierliche Bestimmung des Alterungszustands SOH der Batteriezellen/Zellebenen während der gesamten Lebens-/Betriebsdauer des Energiespeichers erzielt, die folglich eine automatische, intelligente Anpassung der Balancierungsstrategie ermöglicht, die einen Wechsel einer vormals schlechten Zelle/Zellebene in eine aktuell gute Zelle/Zellebene und umgekehrt berücksichtigen kann. Damit wird eine noch gleichmäßigere Verteilung der Belastung unter den Zellen/Zellebenen erzielt und folglich eine maximale Lebensdauer des Energiespeichers erreicht.
  • Es ist zu verstehen, dass eine Bestimmung des Alterungszustands der Zellen/Zellebenen alternativ auch in einem größeren Intervall, zum Beispiel nach jeder zweiten, dritten, vierten usw. vollständigen Entladung des Energiespeichers erfolgen kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands sieht vor, dass während des vollständigen Entladevorgangs des Energiespeichers eine Coulomb-Zählung der Batteriezellen/Zellebenen, insbesondere jeder Batteriezelle bzw. jeder Zellebene des Energiespeichers, durchgeführt wird, um am Ende des vollständigen Entladevorgangs des Energiespeichers anhand eines verbleibenden Ladezustands (SOC) der Batteriezellen/Zellebenen sowie dem Ergebnis der Coulomb-Zählung der Batteriezellen/Zellebenen den Alterungszustand (SOH) der Batteriezellen/Zellebenen zu bestimmen. Die Coulomb-Zählung stellt eine im Wesentlichen durchgehende Strommessung (Stromintegration) der Batteriezellen/Zellebenen während des gesamten Entladevorgangs des Energiespeichers dar. Der Ladezustand der Batteriezelle/Zellebene ist der augenblickliche Ladezustand im Verhältnis zur Kapazität der Batteriezelle/Zellebene. Der SOC kann in Prozent angegeben werden. Ein SOC von 100 % entspricht somit einer vollständig geladenen Batteriezelle/Zellebene. Es ist anzumerken, dass die Coulomb-Zählung stets ausgehend von einer vollständig geladenen Batteriezelle durchgeführt wird, um deren tatsächliche Kapazität und damit ihren wahren Alterungszustand bestimmen zu können. Mit anderen Worten bedingt ein vollständiger Entladevorgang bei der Coulomb-Zählung einen zuvor vollständig geladenen Energiespeicher, das heißt einen Energiespeicher, bei dem die Zellen/Zellebenen ihre Ladeschlussspannung erreicht haben.
  • Mittels der während des gesamten Entladevorgangs des Energiespeichers erfolgten Coulomb-Zählung (Stromintegration, ∫I(t)dt) entspricht der Alterungszustand SOH der Batteriezelle/Zellebene der von ihr währenddessen abgegebenen Ladung Q und damit ihrer effektiven Kapazität wie folgt: Q = ( 1 − [ SOC/100% ] ) ∗ ∫ I ( t ) dt
    Figure DE102020123864A1_0001
  • Der Ladezustand SOC der Batteriezellen/Zellebenen kann bevorzugt nach dem vollständigen Entladevorgang des Energiespeichers durch Messen einer Leerlaufspannung (OCV) der Batteriezellen/Zellebenen bestimmt werden. Hierbei gibt OCV-Kurve die Leerlaufspannung im Verhältnis zum Ladezustand der Batteriezelle/Zellebene an. Sie kann einmalig vor dem bestimmungsgemäßen Betrieb des Energiespeichers ermittelt und während des Betriebs in der vorbeschriebenen Weise verwendet werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands wird als Zustandsvergleichswert ein Durchschnittswert der am Ende des Entladevorgangs des Energiespeichers bestimmten Alterungszustände SOH der Batteriezellen/Zellebenen gewählt. Damit sind diejenigen Batteriezellen mit einem SOH kleiner als dem Vergleichswert stärker gealtert (schlechte Zellen) als die Batteriezellen, deren SOH über dem Vergleichswert liegt (gute Zellen). Der Zustandsvergleichswert ist nicht zwingend auf den mittleren Alterungszustand aller Zellen/Zellebenen beschränkt. Andere Methoden zur Ermittlung eines Vergleichswerts, zum Beispiel Medianwert aller bestimmten Alterungszustände und dergleichen, sind ebenfalls denkbar.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Batteriemanagementsystem wenigstens einen mehrere Batteriezellen aufweisenden Energiespeicher und eine elektronische Steuereinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, die Batteriezellen durch aktives Balancieren mit Hilfe von Sensormitteln (z. B. Strom-, Spannungssensoren) und Steuermitteln (z. B. elektronische Schaltelemente wie Transistoren) wahlweise individuell zu laden und zu entladen. Die Steuereinrichtung ist ferner dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen auszuführen.
  • Die elektronische Steuereinrichtung kann beispielsweise eine elektronische Rechen- und Steuereinheit wie beispielsweise Mikroprozessor, Mikrocontroller und dergleichen, sowie eine elektronische Speichereinheit aufweisen, z. B. RAM, ROM, Flash und dergleichen. In der Speichereinheit können die Werte der zuvor erwähnten OCV-Kurve gespeichert sein.
  • Die Steuereinrichtung kann demnach einen Alterungszustand (SOH) der Batteriezellen/Zellebenen am Ende eines (vorzugsweise jedes) vollständigen Entladevorgangs des Energiespeichers bestimmen und die Batteriezellen/Zellebenen durch Vergleich des jeweils bestimmten Alterungszustands SOH mit einem Zustandsvergleichswert (z. B. Durchschnittswert aller ermittelten Alterungszustände der Zellen/Zellebenen) in weniger stark gealterte (gute) und stärker gealterte (schlechte) Batteriezellen/Zellebenen einteilen. Bei einer nachfolgenden elektrischen Belastung des Energiespeichers kann die Steuereinrichtung die Belastung der stärker gealterten Batteriezellen/Zellebenen gegenüber den weniger stark gealterten Batteriezellen/Zellebenen durch das aktive Balancieren wenigstens temporär verringern.
  • Vorzugsweise kann wenigstens ein Teil der Batteriezellen des Energiespeichers in Serie geschaltet sein.
  • 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 ein Ausführungsbeispiel eines Batteriemanagementsystem zum aktiven Balancieren von Batteriezellen eines mehrzelligen Energiespeichers gemäß der Erfindung und
    • 2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum aktiven Balancieren von Batteriezellen eines mehrzelligen Energiespeichers gemäß der Erfindung.
  • 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.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines Batteriemanagementsystems 1 zum aktiven Balancieren von Batteriezellen, vorliegend beispielsweise von vier in Reihe geschalteten Zellen Z1..Z4, eines mehrzelligen Energiespeichers 2 gemäß der Erfindung ist schematisch in 1 dargestellt. Es ist zu verstehen, dass der Energiespeicher 2 nicht lediglich auf in Reihe geschaltete Batteriezellen beschränkt ist, sondern auch parallel geschaltete Batteriezellen (nicht dargestellt) aufweisen kann. Die parallelgeschalteten Zellen können eine Zellebene bilden, wobei dann mehrere Zellebenen beispielsweise ähnlich den in 1 gezeigten Einzelzellen Z1..Z4 in Reihe geschaltet sein können. Darüber hinaus ist zu verstehen, dass die Anzahl der Zellen/Zellebenen selbstverständlich nicht auf die in 1 dargestellten vier Zellen Z1..Z4 (bzw. Zellebenen) beschränkt ist. Der Energiespeicher 2 kann mehr oder weniger Zellen/Zellebenen als die in 1 gezeigten vier Zellen Z1..Z4 aufweisen.
  • Weiterhin ist 1 zu entnehmen, dass das Batteriemanagementsystem 1 eine elektronische Steuereinrichtung 3 aufweist, die eingerichtet ist, die Batteriezellen Z1..Z4 durch aktives Balancieren mit Hilfe von nicht weiter dargestellten Sensormitteln (z. B. Strom- und/oder Spannungssensoren) und Steuermitteln (z. B. elektronische Schalter wie Transistoren) wahlweise individuell zu laden und zu entladen, was in 1 durch gestrichelte Verbindungslinien zwischen der Steuereinrichtung 3 und en einzelnen Zellen Z1..Z4 angedeutet sein soll.
  • Vorliegend ist die elektronische Steuereinrichtung 3 als eine elektronische Rechen- und Steuereinheit mit einem Mikroprozessor, Mikrocontroller und dergleichen sowie mit einer elektronischen Speichereinheit 4 wie z. B. RAM, ROM, Flash und dergleichen ausgebildet. In der Speichereinheit sind Werte einer OCV-Kurve gespeichert, die einen Zusammenhang zwischen einer Leerlaufspannung einer einzelnen Batteriezelle Z1..Z4 und einem zugehörigen Ladezustand SOC beschreibt.
  • Der Energiespeicher 2 weist zwei externe Anschlussklemmen 5 zum Entnehmen (= Entladen) der im Energiespeicher 2 gespeicherten elektrischen Energie und zum Zuführen (= Laden) der im Energiespeicher 2 zu speichernden elektrischen Energie auf. Der Energiespeicher 2 ist im vorliegend dargestellten Fall eine Traktionsbatterie (z. B. Lithium-Ionen-Akkumulator) eines Elektrofahrzeugs, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Er kann zum Beispiel auch Teil eines stationären Energiespeichersystems sein, beispielsweise ein Zwischenspeicher für regenerativ erzeugte Energie (z. B. mittels Wasserkraft, Sonne, Wind u. dgl. Erzeugter Energie).
  • Die Steuereinrichtung 3 des in 1 gezeigten beispielhaften Batteriemanagementsystems 1 ist eingerichtet, ein Verfahren zum aktiven Balancieren der Batteriezellen Z1..Z4 des mehrzelligen Energiespeichers 2 auszuführen, wie es nun beispielhaft anhand eines in 2 dargestellten Flussdiagramms eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der Erfindung erläutert wird. Bei der Beschreibung des Verfahrens wird zum besseren Verständnis Bezug auf die Komponenten des Batteriemanagementsystems 1 aus 1 genommen. Es ist jedoch zu verstehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 beschränkt ist.
  • Wie bereits erwähnt, werden mit dem aktiven Balancieren die Batteriezellen Z1..Z4 wahlweise individuell geladen und entladen. Grundsätzlich wird weiterhin ein Alterungszustand SOH der Batteriezellen Z1..Z4 (= vorhandene Zellenkapazität) am Ende eines vollständigen Entladevorgangs des Energiespeichers 2 bestimmt. Anschließend werden die Batteriezellen Z1..Z4 durch Vergleich des jeweils bestimmten Alterungszustands SOH mit einem Zustandsvergleichswert, der z. B. ein Durchschnittswert der zuvor bestimmten Alterungszustände SOH aller Batteriezellen Z1..Z4 sein kann, in weniger stark gealterte und stärker gealterte Batteriezellen eingeteilt. Bei einer nachfolgenden elektrischen Belastung des Energiespeichers 2, d. h. beim Laden und Entladen des Energiespeichers 2, die übrigens nicht zwingend vollständig erfolgen müssen, wird die Belastung der stärker gealterten Batteriezellen gegenüber den weniger stark gealterten Batteriezellen durch das aktive Balancieren wenigstens temporär verringert, indem zum Beispiel die den stärker gealterten Batteriezellen zugeführte bzw. entnommene Stromstärke gegenüber den weniger stark gealterten Batteriezellen zugeführte bzw. entnommene Stromstärke reduziert wird.
  • In 2 wird dementsprechend in Schritt S100 überprüft, ob der Energiespeicher 2 vollständig geladen ist, das heißt der Energiespeicher 2 bzw. die Zellen Z1..Z4 ihre Ladeschlussspannung erreicht haben und ein Ladestrom im Wesentlichen Null ist. Wenn der Energiespeicher 2 vollständig geladen ist, fährt das Verfahren mit Schritt S110 fort.
  • In Schritt S110 wird eine Coulomb-Zählung gestartet und mit Schritt S120 fortgefahren.
  • In Schritt S120 wird überprüft, ob ein Entladevorgang des Energiespeichers 2 begonnen hat. Sobald ein Entladevorgang des Energiespeichers 2 einsetzt, fährt das Verfahren mit Schritt S130 fort.
  • In Schritt S130 wird eine kontinuierliche Stromintegration (= Coulomb-Zählung) der beim Entladevorgang den Batteriezellen Z1..Z4 individuell entnommenen Ladung durchgeführt. Diese wird solange durchgeführt, bis der Energiespeicher 2 vollständig entladen ist, das heißt wenigstens eine Zelle Z1..Z4 ihre Entladeschlussspannung erreicht hat. Diese Überprüfung findet in Schritt S140 statt. Ist der Energiespeicher 2 vollständig entladen, fährt das Verfahren mit Schritt S150 fort.
  • In Schritt S150 wird die Leerlaufspannung jeder Zelle Z1..Z4 gemessen. Aus der gemessenen Leerlaufspannung wird im nachfolgenden Schritt S160 mittels der in der Speichereinheit 4 hinterlegten OCV-Kurve der Ladezustand SOC jeder Zelle Z1..Z4 bestimmt.
  • Im nachfolgenden Schritt S170 wird dann die Kapazität, das heißt der Alterungszustand SOH, jeder Zelle Z1..Z4 anhand der im allgemeinen Teil dieser Beschreibung angegeben Berechnungsvorschrift bestimmt (siehe Gleichung 1).
  • In Schritt S180 wird vorliegend aus allen zuvor bestimmten Alterungszuständen SOH der Batteriezellen Z1..Z4 ein Mittelwert als Zustandsvergleichswert ermittelt und dieser für eine Einteilung der Batteriezellen Z1..Z4 in gute (Schritt S200) und schlechte (Schritt S210) Zellen, das heißt in weniger stark gealterte Zellen und stärker gealterte Zellen durchgeführt. Liegt der individuelle Alterungszustand SOH einer der Zellen Z1..Z4 oberhalb des mittleren Alterungszustands aller Zellen Z1..Z4, wird die Zelle in Schritt S200 als gute, weniger stark gealterte Zelle bestimmt. Liegt der individuelle Alterungszustand SOH einer der Zellen Z1..Z4 allerdings unterhalb des zuvor ermittelten Zustandsvergleichswerts, wird die Zelle in Schritt S210 als schlechte, stärker gealterte Zelle bestimmt.
  • Bei einer nachfolgenden elektrischen Belastung (Laden und Entladen) des Energiespeichers 2 werden zumindest die schlechten Zellen wie hierin beschrieben weniger stark belastet. Die nachfolgende elektrische Belastung, das heißt der Ladevorgang und Entladevorgang, müssen hierbei nicht zwingend vollständig erfolgen. Beispielsweise kann der nachfolgende Ladevorgang des Energiespeichers 2 vor Erreichen der Ladeschlussspannung des Energiespeichers 2 abgebrochen werden. Es kann sich danach ein Entladevorgang anschließen, der vollständig oder nicht vollständig erfolgen kann. Jedenfalls wird bei der Belastung des Energiespeichers 2 stets die hierin beschriebene Entlastung der schlechten Zellen durchgeführt. Nach einer vollständigen Entladung des Energiespeichers 2, bevorzugt nach jeder vollständigen Entladung, wird eine erneute Einteilung der Zellen Z1..Z4 in gute und schlechte Zellen vorgenommen, so dass die Einteilung automatisch stets die zu diesem Zeitpunkt stärker gealterten Zellen gegenüber den weniger stark gealterten Zellen berücksichtigt. Da diese Einteilung über die gesamte Betriebsdauer des Energiespeichers 2 durchgeführt wird, wird die Alterung der Zellen bzw. Zellebenen optimal auf alle Zellen/Zellebenen gleichmäßig verteilt und damit eine lange Lebensdauer des Energiespeichers erzielt.
  • Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem zum aktiven Balancieren von 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 das Batteriemanagementsystem zum aktiven Balancieren von Batteriezellen eines mehrzelligen Energiespeichers wie beispielsweise eine Traktionsbatterie für ein Elektro-/Hybridfahrzeug und/oder für eine stationäre Energiespeichereinrichtung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie verwendet. Der Energiespeicher kann ein Lithium-Ionen-Akkumulator sein, ohne jedoch zwingend auf einen solchen Akkumulatortyp beschränkt zu sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriemanagementsystem
    2
    Energiespeicher
    3
    Elektronische Steuereinrichtung
    4
    Elektronische Speichereinheit
    5
    Anschlussklemme
    OCV
    Open circuit voltage / Leerlaufspannung
    SOC
    Ladezustand (State of Charge)
    SOH
    Alterungszustand (State of Health) / Kapazität
    Z1..Z4
    Batteriezellen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015202939 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zum aktiven Balancieren von Batteriezellen (Z1..Z4) eines mehrzelligen Energiespeichers (2), bei dem durch das aktive Balancieren die Batteriezellen (Z1..Z4) wahlweise individuell geladen und entladen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass ein Alterungszustand (SOH) der Batteriezellen (Z1..Z4) am Ende eines vollständigen Entladevorgangs des Energiespeichers (2) bestimmt wird und die Batteriezellen (Z1..Z4) durch Vergleich des jeweils bestimmten Alterungszustands (SOH) mit einem Zustandsvergleichswert in weniger stark gealterte und stärker gealterte Batteriezellen (Z1..Z4) eingeteilt werden, wobei bei einer nachfolgenden elektrischen Belastung des Energiespeichers (2) die Belastung der stärker gealterten Batteriezellen gegenüber den weniger stark gealterten Batteriezellen durch das aktive Balancieren wenigstens temporär verringert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verringerte Belastung der stärker gealterten Batteriezellen durch eine während der elektrischen Belastung des Energiespeichers (2) wenigstens temporär reduzierte, den stärker gealterten Batteriezellen zugeführte bzw. entnommene Stromstärke gegenüber den weniger stark gealterten Batteriezellen mittels des aktiven Balancierens erzielt wird.
  3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die den stärker gealterten Batteriezellen zugeführte bzw. entnommene Stromstärke mit größerer Abweichung ihres Alterungszustands (SOH) vom Zustandsvergleichswert gegenüber der den stärker gealterten Batteriezellen zugeführten bzw. entnommenen Stromstärke mit kleinerer Abweichung ihres Alterungszustands (SOH) vom Zustandsvergleichswert stärker reduziert wird.
  4. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den weniger stark gealterten Batteriezellen zugeführte bzw. entnommene Stromstärke in dem Maß der Reduzierung der Stromstärke der stärker gealterten Batteriezellen mittels des aktiven Balancierens erhöht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand (SOH) der Batteriezellen (Z1..Z4) am Ende jedes vollständigen Entladevorgangs des Energiespeichers (2) neu bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des vollständigen Entladevorgangs des Energiespeichers (2) eine Coulomb-Zählung der Batteriezellen (Z1..Z4) durchgeführt wird, um am Ende des Entladevorgangs des Energiespeichers (2) anhand eines verbleibenden Ladezustands (SOC) der Batteriezellen (Z1..Z4) sowie dem Ergebnis der Coulomb-Zählung der Batteriezellen (Z1..Z4) den Alterungszustand (SOH) der Batteriezellen (Z1..Z4) zu bestimmen.
  7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der verbleibende Ladezustand (SOC) der Batteriezellen (Z1..Z4) nach dem vollständigen Entladevorgang des Energiespeichers (2) durch Messen einer Leerlaufspannung (OCV) der Batteriezellen (Z1..Z4) bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsvergleichswert ein Durchschnittswert der am Ende des Entladevorgangs des Energiespeichers (2) bestimmten Alterungszustände (SOH) der Batteriezellen (Z1..Z4) bestimmt wird.
  9. Batteriemanagementsystem (1) mit wenigstens einem mehrere Batteriezellen (Z1..Z4) aufweisenden Energiespeicher (2) und mit einer elektronische Steuereinrichtung (3), die eingerichtet ist, die Batteriezellen (Z1..Z4) durch aktives Balancieren mit Hilfe von Sensormitteln und Steuermitteln wahlweise individuell zu laden und zu entladen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
  10. Batteriemanagementsystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Batteriezellen (Z1..Z4) in Serie geschaltet ist.
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