DE112012002283T5

DE112012002283T5 - System und Verfahren zum Aufladen und Entladen einer Li-Ionen Batterie

Info

Publication number: DE112012002283T5
Application number: DE112012002283.1T
Authority: DE
Inventors: John F. Christensen; Jasim Ahmed; Aleksandar Kojic
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2014-03-13
Also published as: US8760118B2; US20120306275A1; WO2012167019A1

Abstract

Ein elektrochemisches Batteriesystem weist in einer Ausführungsform eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen, einen Speicher, in welchem Befehlsanweisungen gespeichert sind, und einen Prozessor auf, welcher dazu eingerichtet ist, der Reihe nach die Befehlsanweisungen des Verbindens eines ersten Satz von der Vielzahl von elektrochemischen Zellen mit einem elektrischen Verbraucher, des Trennens des ersten Satz von dem elektrischen Verbraucher, des Verbindens eines zweiten Satz der Vielzahl von elektrochemischen Zellen mit dem elektrischen Verbraucher, und des Trennens des zweiten Satzes von dem elektrischen Verbraucher auszuführen, wobei die elektrochemischen Zellen in dem ersten Satz und die elektrochemischen Zellen in dem zweiten Satz basierend auf einer Soll-Entladerate der elektrochemischen Zelle ausgewählt werden.

Description

Verweis auf zugehörige Anmeldungen
Es verfolgt der Verweis auf die US Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 12/463,092 mit dem Titel ”System and Method for Charging and Discharging a Li-ion Battery” durch Nalin Chaturvedi et al., welche am 8. Mai 2009 eingereicht wurde, wobei deren Gesamtheit durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen wird. Die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können mit Merkmalen kombiniert werden, welche in der oberhalb referenzierten Patentanmeldung offenbart sind.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft Batterien und genauer Lithium-Ionen Batterien.
Hintergrund
Batterien sind eine zweckmäßige Quelle für gespeicherte Energie, welche in einer Anzahl von Systemen eingebaut werden können. Wiederaufladbare Lithium-Ionen (”Li-Ionen”) Batterien sind wegen ihrer hohen spezifischen Energie im Vergleich zu anderen elektrochemischen Speichergeräten für Energie attraktive Speichersystem für Energie für tragbare elektronische Geräte und elektrische und hybrid-elektrische Fahrzeuge. Insbesondere Batterien mit einer Form von Lithium-Metall, welches in der negativen Elektrode eingearbeitet ist, bieten im Vergleich zu Batterien mit herkömmlichen kohlenstoffhaltigen negativen Elektroden eine außerordentlich hohe spezifische Energie (gemessen in Wh/kg) und Energiedichte (gemessen in Wh/L).
Wenn die negativen Elektroden mit einer hohen spezifischen Kapazität, wie zum Beispiel Lithium, in einer Batterie zum Einsatz kommen, dann wird der maximale Nutzen der Zunahme der Kapazität gegenüber herkömmlichen Systemen dann erreicht, wenn ebenfalls ein Aktivmaterial mit einer hohen Kapazität für die positive Elektrode verwendet wird. Herkömmliche lithium-interkalierende Oxide (zum Beispiel LiCoO₂, LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂, Li_1.1Ni_0.3C_0.3Mn_0.3O₂) sind für gewöhnlich auf eine theoretische Kapazität von ~280 mAh/g (basierend auf der Masse des lithiierten Oxids) und eine praktische Kapazität von 180 bis 250 mAh/g beschränkt. Im Vergleich dazu beträgt die spezifische Kapazität von Lithium-Metall ungefähr 3863 mAh/g. Die höchste theoretische Kapazität, welche für eine Lithium-Ionen positive Elektrode erreichbar ist, beträgt 1168 mAh/g (basierend auf der Masse des lithiierten Materials), welche sich Li₂S und Li₂O₂ teilen. Andere Materialen mit einer hohen Kapazität einschließlich BiF₃ (303 mAh/g, lithiiert) und FeF₃ (712 mAh/g, lithiiert) werden in Amatucci, G. G. und N. Pereira, Fluoride based electrode materials for advanced energy storage devices. Journal of Fluorine Chemistry, 2007. 128(4): p. 243–262 ermittelt. Sämtliche der vorangehenden Materialien reagieren jedoch mit Lithium im Vergleich zu herkömmlichen Oxid positiven Elektroden bei einer niedrigeren Spannung, und schränken somit die theoretische spezifische Energie ein. Die theoretischen spezifischen Energien der vorangehenden Materialien sind jedoch sehr hoch (> 800 Wh/kg, im Vergleich zu einem Maximum von ~500 Wh/kg für eine Zelle mit Lithium negativen und herkömmlichen Oxid positiven Elektroden).
Somit liegt der Vorteil des Einsatzes einer Li Metall negativen Elektrode (manchmal als eine Anode bezeichnet) in der viel höheren Energiedichte der gesamten Zelle, im Vergleich zu Zellen mit einer graphitischen oder anderen einlagernden negativen Elektrode. Ein Nachteil der Verwendung des reinen Li Metalls liegt darin, dass Lithium hoch reaktiv ist. Demzufolge weist das metallische Lithium eine Neigung dazu auf, eine morphologische Veränderung durchzumachen, welche Strukturen bewirkt, welche einen hohen Oberflächenbereich aufweisen, welcher sich an und rund um die negative Elektrode bildet, wenn die Zelle aufgeladen wird. Beispielhafte Strukturen mit einem hohen Oberflächenbereich weisen Dendriten und klumpenartige (mossy) Strukturen auf. Die Strukturen mit einem hohen Oberflächenbereich können in manchen Fällen einen internen Kurzschluss der Zelle verursachen.
Darüber hinaus führen asymmetrische Auflade- und Entladeraten (das heißt, bei denen die Aufladerate schneller als die Entladerate ist) von einer metallischen Li-Zelle zu signifikanten morphologischen Änderungen. Das ursprünglich dichte metallische Lithium kann nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen eine ungleichmäßige metallische Morphologie entwickeln, welche eine Rauheit der Oberfläche und eine schwammartige Morphologie besitzt. Zusätzlich dazu erhöht der hohe Oberflächenbereich der ungleichmäßigen metallischen Morphologie die Chance auf und die Schwere von unkontrollierten Reaktionen im Inneren der Zelle.
Was deshalb benötigt wird ist ein Batteriesystem und ein Auflade/Entladeverfahren, welches das Potential für eine Bildung von Dendrit und die unerwünschten morphologischen Änderungen in der Anode der Batteriezellen verringert, welche metallische Anoden besitzen.
Zusammenfassung
Ein elektrochemisches Batteriesystem weist in einer Ausführungsform eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen, einen Speicher, in welchem Befehlsanweisungen gespeichert sind, und einen Prozessor auf, welcher dazu eingerichtet ist, der Reihe nach die Befehlsanweisungen des Verbindens eines ersten Satz von der Vielzahl von elektrochemischen Zellen mit einem elektrischen Verbraucher, des Trennens des ersten Satz von dem elektrischen Verbraucher, des Verbindens eines zweiten Satz der Vielzahl von elektrochemischen Zellen mit dem elektrischen Verbraucher, und des Trennens des zweiten Satzes von dem elektrischen Verbraucher auszuführen, wobei die elektrochemischen Zellen in dem ersten Satz und die elektrochemischen Zellen in dem zweiten Satz basierend auf einer Soll-Entladerate der elektrochemischen Zelle ausgewählt werden.
In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform weist ein elektrochemisches Batteriesystem eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen, einen Speicher, in welchem Befehlsanweisungen gespeichert sind, und einen Prozessor auf, welcher dazu eingerichtet ist, die Befehlsanweisungen des logischen in Verbindung Bringens der Vielzahl von elektrochemischen Zellen in einem erstem Satz von elektrochemischen Zellen und einem zweiten Satz von elektrochemischen Zellen, des Verbindens des ersten Satz von elektrochemischen Zellen mit einem elektrischen Verbraucher, des Trennens des verbundenen ersten Satz von elektrochemischen Zellen von dem elektrischen Verbraucher, des Verbindens des zweiten Satz von elektrochemischen Zellen mit dem elektrischen Verbraucher nach dem Trennen des ersten Satzes, und des Trennens des verbundenen zweiten Satzes von dem elektrischen Verbraucher auszuführen, wobei die elektrochemischen Zellen in dem ersten Satz und die elektrochemischen Zellen in dem zweiten Satz basierend auf einer Soll-Entladerate der elektrochemischen Zelle logisch verbunden sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt ein vereinfachtes Schaltbild eines Batteriesystems einschließlich mehrerer elektrochemischer Zellmodule dar, welches für Auflade- oder Entladevorgänge unabhängig gesteuert werden kann;
2 stellt ein vereinfachtes Schaltbild der Zellmodule von 1 dar, welches die unabhängig gesteuerten Verbindungsschalter für jede der elektrochemischen Zellen innerhalb der elektrochemischen Zellmodule zeigt;
3 stellt eine schematische Darstellung von einer der elektrochemischen Zellen von 1 dar, welche einen Ladungsmesser und ein Spannungsmessgerät zeigt, welche beim Ausführen einer Strategie für das Aufladen und Entladen verwendet werden können; und
4 stellt ein Ablaufdiagramm von einer beispielhaften Vorgehensweise dar, welche von dem Batteriesystem von 1 durchführt werden kann, um die Auflade- und Entladevorgänge des Systems von 1 zu steuern.
Beschreibung von Ausführungsformen
Zum Zwecke des Förderns eines Verstehens der Prinzipien der Offenbarung wird nun auf die Ausführungsformen Bezug genommen, welche in den Zeichnungen veranschaulicht und in der folgenden schriftlichen Beschreibung erläutert sind. Es versteht sich, dass auf diese Weise keine Beschränkung des Schutzumfangs der Offenbarung beabsichtigt ist. Es versteht sich zudem, dass die vorliegende Offenbarung sämtliche Abänderungen und Modifikationen an den veranschaulichten Ausführungsformen umfasst, und umfasst weitere Anwendungen der Prinzipien der Offenbarung, so wie sie normalerweise für einen Fachmann auftreten, den diese Offenbarung betrifft.
1 stellt ein Batteriesystem 100 einschließlich mehrerer Module einer Batteriezelle 102 _x dar, welche negative Elektroden aus Metall besitzen. In der Ausführungsform von 1 sind fünf Module einer Batteriezelle 102 _1-5 dargestellt, welche jeweils negative Elektroden aus Lithium-Metall besitzen. In alternativen Ausführungsformen können mehr oder weniger Module einer Batteriezelle mit einer verschiedenen oder derselben Chemie vorgesehen sein. Jedes der Lithium-Ionen Module einer Batteriezelle 102 _x wird selektiv mit einem elektrischen Verbraucher/Spannungsquelle 104 oder mit einem anderen von dem/den Modul(en) einer Batteriezelle durch einen oder mehrere von den Schaltern 106 _x und den Schaltern 108 _x verbunden. Jeder von den Schaltern 106 _x und den Schaltern 108 _x ist verbunden mit und gesteuert durch einen Prozessor 110, welcher mit einem Speicher 112 betriebsbereit verbunden ist. Zusätzliche Verbindungen zu den dargestellten können in manchen Ausführungsformen vorgesehen sein.
Der Prozessor 110 kann die Schalter 106 _x und die Schalter 108 _x dazu einrichten, eines oder mehrere Module einer Batteriezelle 102 _x mit dem elektrischen Verbraucher/der Spannungsquelle 104 in irgendeiner gewünschten Anordnung zu verbinden. Demzufolge kann jedes Modul einer Batteriezelle 102 _x unabhängig aufgeladen oder entladen werden. Die Steuerung der Schalter wird durch die Verwendung von unterschiedlichen Befehlsanweisungen erreicht, welche in allen Einzelheiten unterhalb erörtert werden, welche in dem Speicher 112 abgespeichert sind. Der Prozessor 110 ist betriebsbereit, um diejenigen Befehlsanweisungen auszuführen, welche in dem Speicher 112 gespeichert sind.
Die Lithium-Ionen Module einer Batteriezelle 102 _x in dieser Ausführungsform sind identisch und werden in allen Einzelheiten mit Bezugnahme auf 2 und dem Lithium-Ionen Modul einer Batteriezelle 102 ₅ erörtert. Das Lithium-Ionen Modul einer Batteriezelle 102 ₅ weist fünf Lithium-Ionen Batteriezellen 114 _1-5 auf. In alternativen Ausführungsformen können mehr oder weniger Batteriezellen von unterschiedlicher oder derselben Chemie vorgesehen sein. Ein Verbindungsschalter 116 _1-5 hängt mit jeder von den Batteriezellen 114 _1-5 zusammen. Jeder der Verbindungsschalter 116 _1-5 ist mit dem Prozessor 110 verbunden (manche Verbindungsleitungen werden aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit in dem vereinfachten Schaltbild von 2 weggelassen). Jeder der Verbindungsschalter 116 _1-5 wird durch den Prozessor 110 unabhängig gesteuert, so dass der Prozessor 110 eine jeweilige aus den Batteriezellen 114 _1-5 mit einem internen Schaltkreis 118 der Batteriezelle selektiv verbinden kann, den internen Schaltkreis 118 der Batteriezelle umgeht, oder die jeweilige Batteriezelle mit einer anderen einzelnen oder mehreren von den Batteriezellen verbindet. Demzufolge kann der Prozessor 110 die Batteriezellen 114 _1-5 von dem Zellmodul 102 ₅ in einer Anzahl von unterschiedlichen Anordnungen einrichten.
In der in 2 dargestellten beispielhaften Konfiguration sind die Verbindungsschalter 116 _{1,2,4, und 5} positioniert, um die Batteriezellen 114 _{1,2,4, und 5} mit dem Schaltkreis 118 der Batteriezelle zu verbinden, während der Verbindungschalter 116 ₃ in einer Position zur Überbrückung positioniert ist, wodurch die Batteriezelle 114 ₃ von dem Schaltkreis 118 der Batteriezelle effektiv elektrisch isoliert ist. Die Batteriezellen 114 _{1,2,4, und 5} sind somit in einer Reihenschaltung miteinander verbunden.
Die Lithium-Ionen Batteriezellen 114 _1-5 sind identisch mit und werden in allen Einzelheiten mit Bezugnahme auf diejenige Lithium-Ionen Batteriezelle 1141 erörtert, welche in 3 dargestellt ist. Die Lithium-Ionen Zelle 1141 weist eine negative Elektrode 120, eine positive Elektrode 122 und einen Separatorbereich 124 zwischen der negativen Elektrode 120 und der positiven Elektrode 122 auf. Die negative Elektrode 120 in dieser Ausführungsform weist eine dichte Li Folie 126 auf, welche an den Stromabnehmer 132 laminiert ist.
Die negative Elektrode 120 kann in unterschiedlichen alternativen Formen vorgesehen sein. Die negative Elektrode 120 kann ein dichtes Li Metall oder eine herkömmliche poröse Kompositelektrode (zum Beispiel Graphitpartikel mit einem Binder gemischt) umfassen. Der Einbau von Li Metall ist erwünscht, da das Li Metall eine höher spezifische Energie als Graphit bietet.
Der Separatorbereich 124 weist einen Elektrolyt mit einem Lithium Kation auf und dient als eine physikalische und elektrische Barriere zwischen der negativen Elektrode 120 und der positiven Elektrode 122, so dass die Elektroden innerhalb der Batteriezelle 1141 nicht elektronisch verbunden sind, während er die Übertragung von Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode 120 und der positiven Elektrode 122 zulässt.
Die positive Elektrode 122 weist ein Aktivmaterial 136, in welches Lithium eingebracht werden kann, ein inertes Material 138, den Elektrolyten 130 und einen Stromabnehmer 140 auf. Ein optionales Spannungsmessgerät 142 ist dazu eingerichtet, die Spannung zwischen der negativen Elektrode 120 und der positiven Elektrode 122 zu erhalten, und ein optionaler Ladungsmesser 144 ist vorgesehen, um den Stromfluss in die und heraus aus der Batteriezelle 114 ₁ zu erfassen. Falls gewünscht kann ein einzelner Ladungsmesser 144 dazu verwendet werden, den Stromfluss in und aus einem Zellenmodul 102 _x zu erfassen.
Die Lithium-Ionen Batteriezellen 114 _x arbeiten auf eine ähnliche Weise wie die Lithium-Ionen Batteriezelle, welche in der US Patentanmeldung Nr. 11/477,404 offenbart ist, eingereicht am 8. Juni 2006. Mit Bezugnahme auf die Batteriezelle 114 ₁, werden im Allgemeinen während dem Entladen Elektronen an der negativen Elektrode 120 erzeugt und Elektronen werden an der positiven Elektrode 122 als Lithium-Ionen verbraucht und die Elektronen bewegen sich in die Richtung des Pfeils 146 von 3. Die Elektronen werden an der negativen Elektrode 120 erzeugt, weil es eine Extraktion mittels Oxidation von Lithium-Ionen aus dem Li Metall der negativen Elektrode 120 gibt, und die Elektronen werden an der positiven Elektrode 122 verbraucht, weil es eine Reduktion von Lithium-Ionen in dem Aktivmaterial 136 der positiven Elektrode 122 gibt. Während des Wiederaufladens der Zelle 114 ₁ werden die Reaktionen umgekehrt, wobei sich die Lithium-Ionen und die Elektronen in der Richtung des Pfeils 148 von 3 bewegen.
Nun wieder zurück zu 1, die elektrochemischen Module einer Batteriezelle 102 _1-5 können dazu verwendet werden, dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 während normaler Entladevorgängen durch das selektive Steuern der Schalter 106 _1-5 und der Schalter 108 _1-5 elektrische Energie bereitzustellen. In ähnlicher Weise können die elektrochemischen Module einer Batteriezelle 102 _1-5 durch den Verbraucher/die Spannungsquelle 104 während normaler Aufladevorgänge durch das selektive Steuern der Schalter 106 _1-5 und der Schalter 108 _1-5 aufgeladen werden. Das Aufladen und Entladen der Lithium-Ionen Batteriezellen 114 _x innerhalb der Zellmodule 102 _x, welche mit dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 verbunden sind, kann des Weiteren durch das selektive Steuern der Verbindungsschalter 116 _x gesteuert werden.
In der Praxis laden und entladen die Benutzer elektrochemische Batteriezellen häufig asymmetrisch. Zum Beispiel wünschen sich Benutzer im Allgemeinen ein Batteriesystem 100, welches innerhalb von Minuten (oder Stunden) aufgeladen werden kann, und welches im Verlaufe von Tagen (oder Wochen) entladen werden kann. Eine solche Praxis mit einer schnellen Aufladerate und einer vergleichsweise langsamen Entladerate, derweil es komfortabel für den Benutzer ist oder notwendig gemacht durch betriebliche Erwägungen, erhöht das Potential für die Bildung von Dendrit, ungleichmäßige morphologische Änderungen und die Bildung von anderen Strukturen mit einem hohen Oberflächenbereich (diese Prozesse werden insgesamt als morphologische Änderungen bezeichnet) in der negativen Elektrode. Morphologische Änderungen treten in größerem Umfang bei hohen Aufladeraten auf, weil bei den hohen elektrischen Strömen, welche mit hohen Aufladeraten verbunden sind, die Stromverteilung aufgrund von dem hohen Spannungspotential und Gradienten der Ionenkonzentration in dem Elektrolyten weniger gleichmäßig wird. Diese hohen Gradienten der Ionenkonzentration führen zu einer begünstigten Abscheidung des leitfähigen Metalls an den Oberflächen in der negativen Elektrode 120, welche näher an dem Stromabnehmer 132 sind, und auf diese Weise treten die morphologischen Änderungen auf.
Das Batteriesystem 100 ist dazu eingerichtet, um die oberhalb beschriebenen morphologischen Änderungen durch das Realisieren eines symmetrischen Aufladungs- und Entladungsprofil für die elektrochemischen Batteriezellen 114 _x in den Zellmodulen 102 _x abzumildern. Das Batteriesystem 100 entlädt speziell eine bestimmte Batteriezelle 114 _x mit einer Entladerate, welche vorzugsweise ungefähr gleich groß wie oder größer als die normale oder nominale Aufladerate der Batteriezelle ist, um die morphologischen Änderungen abzuschwächen, welche während des Aufladens der Batteriezelle auftreten sein könnten, was auf diese Weise die metallischen Oberflächen der negativen Elektrode 120 flach macht. Dieses Aufladungs-/Entladungsprofil wird hierin als ein ”symmetrisches Aufladungs- und Entladungsprofil” bezeichnet. Das Agieren eines symmetrischen Aufladungs- und Entladungsprofils verhindert nicht die morphologischen Änderungen, welche während des Aufladens der Batteriezellen 114 _x auftreten; stattdessen führt das symmetrische Aufladungs- und Entladungsprofil zu einer Entladerate, welche (das heißt mit Hilfe eines Prozesses des elektrochemischen Abstreifens (stripping) von Li) die morphologischen Änderungen umkehrt, welche während des Aufladens der Batteriezelle präsentiert werden können. Während ein symmetrisches Aufladungs- und Entladungsprofil auf der Ebene der Batteriezelle 114 _x erreicht wird, kann eine gesamte Entladerate des Batteriesystems 100 viel niedriger als die Aufladerate der Ansammlung von Zellen verbleiben.
Der Prozessor 110 in einer Ausführungsform verarbeitet Befehlsanweisungen, welche innerhalb des Speichers 112 gespeichert sind, in Übereinstimmung mit einer Prozedur 150, welche in dem Ablaufdiagramm von 4 dargestellt ist, um die elektrochemischen Batteriezellen 114 _x symmetrisch aufzuladen und zu entladen. Zuerst werden an dem Block 152 die Kriterien für das tätig sein des Systems 100 in dem Speicher 112 gespeichert. Die Kriterien können in der Form eines Algorithmus mit unterschiedlichen Gewichtungen gespeichert sein, welche für unterschiedliche Gesichtspunkte vorgesehen sind.
Mehrere Algorithmen können mit jedem Zellmodul 102 _x verknüpft werden, in Abhängigkeit von der Anordnung der Zellen 114 _x innerhalb des Zellmoduls und der gewünschten Komplexität des Systems. So können beispielsweise die Kriterien, neben anderen Kriterien, eine nominale Ladespannung (”V_c”) und eine nominale Entladespannung (”V_d”) für jede der Zellen 114 _x aufweisen. Zusätzlich kann eine Beziehung hinsichtlich anfängliches Potential der offenen Zelle (initial open cell potential (”OCP”))/SOC für jede einzelne Zelle 114 _x in dem Speicher 112 gespeichert werden. Die gespeicherten Kriterien stellen Werte für den Algorithmus zur Verfügung, welcher der Prozessor 110 verwendet, um das symmetrische Aufladungs- und Entladungsprofil zu realisieren. Die in dem Speicher 112 gespeicherten Kriterien können auf jede gewünschte Art und Weise erhalten werden. In manchen Ausführungsformen können die Algorithmen eine Nachschlagetabelle (look-up table) enthalten, wie unterhalb noch ausführlicher beschrieben.
An dem Block 156 stellt das System 100 fest, ob der Betrieb des Systems aktiviert wurde, wie zum Beispiel durch Überprüfen einer An-Aus Position eines Schalters. Falls der Betrieb des Systems nicht aktiviert ist, dann endet der Prozess 150 an dem Block 160.
Falls das System 100 feststellt, dass der Betrieb des Systems aktiviert ist, dann stellt der Prozessor 110 an dem Block 164 als nächstes fest, ob der Verbraucher/die Spannungsquelle 100 als eine Spannungsquelle funktioniert. Der Prozessor 110 kann auf jede gewünschte Art und Weise feststellen, ob der Verbraucher/die Spannungsquelle 100 ein Verbraucher oder eine Spannungsquelle ist.
Falls der Prozessor feststellt, dass der Verbraucher/die Spannungsquelle 104 eine Spannungsquelle ist, dann untersucht an dem Block 168 der Prozessor 110 die Batteriezellen 114 _x um festzustellen, ob die Batteriezellen eine Aufladung von der Spannungsquelle erhalten sollten. Der Prozessor 110 bestimmt auf jede gewünschte Art und Weise, ob die Batteriezellen 114 _x eine Aufladung erhalten sollten. In einer beispielhaften Ausführungsform greift der Prozessor 110 auf den Speicher 112 zu, um für jede der Zellen 114 _x einen augenblicklichen SOC zu bestimmen, den tatsächlichen oder einen geschätzten. Zusätzlich dazu oder alternativ kann der Prozessor 110 Daten von den Spannungsmessgeräten 142 und den Ladungsmessern 144 empfangen, welche mit jeder der Zellen 114 _x verbunden sind, um einen gegenwärtigen SOC und/oder ein gegenwärtiges OCP der Zellen zu bestimmten. Falls keine Zellen aufgeladen werden sollen, dann fährt der Prozess 150 fort zu Block 156.
Falls an dem Block 168 irgendwelche Zellen als des Aufladens bedürftig bestimmt werden, dann fährt der Prozess 150 an dem Block 172 fort und der Prozessor 110 steuert das Aufladen der Batteriezellen 114 _x mit einem Ladeverfahren. Das spezielle Ladeverfahren, welches von dem Prozessor 110 verwendet wird, kann von chemischen Eigenschaften, physikalischen Eigenschaften und/oder konstruktiven Beschränkungen des Batteriesystems 100 abhängig sein. Zusätzlich dazu kann das Ladeverfahren des Weiteren von einer gewünschten Aufladerate und/oder der Menge an Energie, welche von dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 verfügbar ist, abhängig sein. Das System 100 kann irgendein gewünschtes Ladeverfahren einsetzen, um die Batteriezellen 114 _x aufzuladen.
Im Allgemeinen kann der nominale Ladestrom I_c, welcher auf einen Satz von Zellen angewandt wird, welche in Reihe miteinander verbunden sind, durch das folgende Verhältnis ausgedrückt werden:
In der vorangehenden Gleichung ist die Ladeleistung ”P_c” diejenige Leistung, welche von dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 zur Verfügung steht, um einen gruppierten Satz von Zellen aufzuladen, wie zum Beispiel die Batteriezellen 114 _x, welche miteinander in Reihe verbunden sind. Unter der Annahme, dass jede der Zellen identisch ist, dann ist V_c der Spannungsabfall über jede der Zellen während des Aufladens und ”n” ist die Anzahl von Zellen, welche miteinander in Reihe verbunden sind. Somit kann für ein vorgegebenes P_c der I_c durch das Steuern der Anzahl von Zellen ”n” gesteuert werden, welche aufgeladen werden.
Folglich können in einer grundsätzlichen Vorgehensweise für das Aufbauen einer Aufladung, die nominalen Werte für P_c, V_c, und n vorbestimmt sein, um ein konzipiertes I_c zu erzielen. Der Prozessor 110 kann in dieser grundsätzlichen Vorgehensweise dazu eingerichtet sein, die Schalter 106 _x, 108 _x, 116 _x derart zu konfigurieren, so dass das konzipierte I_c an jeder der Zellen 114 _x angewandt wird. In manchen Systemen kann dies durch das Verbinden von sämtlichen der Zellen 114 _x mit dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 erreicht werden. In weiter fortgeschrittenen Systemen kann die Anzahl von Zellen 114 _x, welche mit dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 verbunden sind, auf einer Analyse des P_c basieren, welche von dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 zur Verfügung steht. In noch fortschrittlicheren Systemen kann die V_c von jeder der Zellen 114 _x die Art und Weise beeinflussen, in welcher der Satz von Zellen festgelegt, welches aufgeladen werden soll. Die V_c in diesen fortschrittlicheren Prozessen kann mit irgendeiner Periodizität geschätzt oder bestimmt werden.
Demzufolge können fortschrittlichere Philosophien des Aufladens eingebaut werden, da mehr Information im Hinblick auf den gegenwärtigen Ladezustand einer bestimmten Zelle 114 _x verfügbar ist, was zu komplexeren Algorithmen führt, welche durch den Prozessor 110 während eines bestimmten Aufladens ausgeführt werden. In den komplexeren Algorithmen kann das Aufladen von einer bestimmten Zelle 114 _x durch den Prozessor 110 priorisiert sein, um die gewünschten Systemparameter zu erhalten. Darüber hinaus können die gegenwärtigen Aufladungsverhältnisse einschließlich des elektrischen Stroms, welcher zum Aufladen jeder der Zellen 114 _x verwendet wird, in manchen komplexeren Systemen gemessen und gespeichert werden.
Nun wieder zurück zu dem Prozess 150, nachdem an dem Block 172 ein Aufladen eines ausgewählten Satzes von Zellen durchgeführt wurde, kehrt der Prozess 150 zu dem Block 168 zurück und der Prozessor 110 stellt erneut fest, ob eine Aufladung benötigt wird. Beispielsweise kann der Prozessor 110 ursprünglich eine Teilmenge aus den Zellen 114 _x zum Aufladen auswählen, welche unterhalb einer ersten Schwelle für den Ladezustand sind, wobei die Anzahl von Zellen 114 _x darauf beschränkt ist, ein Soll I_c zu schaffen. Nachdem die ursprüngliche Teilmenge von Zellen 114 _x aufgeladen ist, kann dann die Schwelle für den Ladezustand verändert werden, wie zum Beispiel von Zellen mit 25% Ladezustand zu Zellen mit einem Ladezustand von 50%, um eine zweite Teilmenge von Zellen 114 _x für das Aufladen zu ermitteln, während dabei ein Soll I_c erreicht wird.
Wenn an dem Block 168 keine weiteren Zellen aufgeladen werden müssen, dann kehrt der Prozess 150 zu dem Block 156 zurück und der Prozess 150 fährt fort. Natürlich kann der Prozess 150 noch weiter verändert werden, um das Aufladen der Zellen 114 _x zu beenden, basierend auf anderen Kriterien neben dem Ladezustand der Zelle. Andere Kriterien, welche durch den Prozessor 110 zum Anhalten der Ladeverfahrens eingesetzt werden können, umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, ein Trennen des Verbrauchers/der Spannungsquelle 104 von den Zellenmodulen 102 _x, die Umwandlung des Verbrauchers/der Spannungsquelle 104 von einer Quelle zu einem Verbraucher, und dass der Prozessor feststellt, dass die Zellen 114 _x für eine gewünschte Zeitdauer aufgeladen wurden.
Kommen wir nun wieder zu dem Block 164 zurück, falls der Prozessor 110 feststellt, dass der Verbraucher/die Spannungsquelle 104 nicht als eine Quelle funktioniert, dann fährt das Verfahren 150 an dem Block 176 fort und der Prozessor 110 stellt fest, ob der Verbraucher/die Spannungsquelle 104 als ein Verbraucher funktioniert. Falls der Verbraucher/die Spannungsquelle 104 nicht als ein Verbraucher funktioniert, dann fährt das Verfahren 150 bei dem Block 156 fort.
Falls bei dem Block 176 der Verbraucher/die Spannungsquelle 104 als ein Verbraucher funktioniert, dann führt der Prozessor 110 ein Entladeprogramm durch das Fortfahren zu dem Block 180 durch. Bei dem Block 180 stellt der Prozessor 110 eine Entladerate auf einer Zellebene her, welche die morphologischen Änderungen im Inneren der Zellen 114 _x abschwächt, welche während des Aufladens der Zellen 114 _x hätten präsentiert werden können, während die Entladerate des Systems zur Verfügung gestellt wird, welche von dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 benötigt wird, sogar falls die Entladerate des Systems, welche von dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 benötigt wird, viel kleiner als die nominale Aufladerate der Zellen ist.
Speziell steuert der Prozessor 110 in einer Ausführungsform die Anzahl von Zellen 114 _x, welche zum Versorgen des Verbrauchers/der Spannungsquelle 104 eingesetzt werden, um auf diese Weise im Wesentlichen eine ”Soll-Entladerate” für den Satz von Zellen zu erreichen, welche zu einem vorgegebenen Moment entladen werden. So wie der Ausdruck ”Soll-Entladerate” hierin verwendet wird, welcher ebenfalls als eine ”Soll-Entladerate der elektrochemischen Zelle” oder ”Soll I_d” bezeichnet wird, ist er eine Entladerate, welche basierend auf derjenigen Rate gebildet wird, bei welcher eine Zelle aufgeladen wurde oder hätte aufgeladen werden können.
Im Allgemeinen wird basierend auf der folgenden vereinfachten Systemgleichung eine Soll-Entladerate erreicht: P_d = mV_dI_d
Diese Gleichung ist dahingehend vereinfacht, als dass man annimmt, dass sämtliche der Zellen in einer seriellen Beziehung konfiguriert sind. Während in der Praxis manche der Zellen der Reihe nach angeordnet sind, können andere Zellen wiederum unterschiedlich angeordnet sein. Dennoch stellt die vereinfachte Gleichung eine nützliche Basis für das Erläutern der Art und Weise zur Verfügung, in welcher eine Soll-Entladerate erreicht werden kann. In der vorangegangen Gleichung repräsentiert die Variable ”P_d” den Leistungsbedarf des Verbrauchers/der Spannungsquelle 104 und kann durch irgendein gewünschtes Verfahren bestimmt werden. Die Anzahl von Zellen in einer seriellen Anordnung wird durch ”m” repräsentiert, während die Entladespannung (V_d) die nominale Spannung von jeder der Zellen 114 _x während des Entladens repräsentiert und ”I_d” ist der Entladestrom der Zelle(n) 114 _x. Wie sich aus der vorangehenden Beziehung ersehen lässt, kann für eine vorgegebene P_d, der I_d durch das Steuern der Anzahl von Zellen 114 _x gesteuert werden, welche in der seriellen Anordnung enthalten sind.
Demzufolge kann sobald eine Soll I_d für ein bestimmtes System festgelegt ist, der Prozessor 110 die Schalter 106 _x, 108 _x, und 116 _x derart konfigurieren, so dass die Anzahl von Zellen 114 _x, welche mit dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 verbunden sind, zu einem Erreichen einer I_d führt, welche bei oder ungefähr die anvisierte I_d ist. In Szenarien, bei denen die Entladerate des Systems viel kleiner als die Aufladerate des Systems ist, wird die Anzahl von Zellen 114 _x, welche an einem vorgegebenen Zeitpunkt zum Entladen ausgewählt wurden, geringer sein als die Gesamtzahl von Zellen 114 _x in dem System 100. So können zum Beispiel die oberhalb erörterten Gleichungen zu den folgenden Gleichungen umgeordnet werden:
Durch das Einrichten, dass die Soll I_d gleich der I_c von jeder Zelle 114 _x ist, sind diese zwei Gleichungen gleichwertig und können zu der folgenden Gleichung umgeordnet werden:
In der vorangehenden Gleichung ist die V_c notwendiger Weise größer als die V_d, was für gewöhnlich zu einer Anzahl von weniger als 1,5 führt (abhängig von der Chemie, der Konstruktion der Zelle und die involvierten Auflade-/Entladeraten). Demzufolge zeigt die obige Beziehung, dass sogar wenn sämtliche der Zellen 114 _x in dem System 100 bei dem Aufladen (das heißt m = n) verwendet werden, dann ist die gesamte aus dem System verfügbare Leistung (P_d-total) kleiner als die Leistung, welche zum Aufladen des Systems (P_c) verwendet wird. Darüber hinaus, während P_d von P_{d_total} zu einer niedrigeren Leistung abgesenkt wird, wird der Wert von ”m” (die Anzahl von Zellen, welche beim Entladen verwendet werden) verringert. Da der Leistungsbedarf abnimmt, ist somit die Anzahl von Zellen 114 _x, welche zum Bereitstellen der Leistung benötigt wird, während eine Soll I_d in dem Satz von Zellen beibehalten wird, welcher an einem vorgegebenen Zeitpunkt zum Entladen ausgewählt wurde, verringert. So kann beispielsweise P_d um eine Größenordnung kleiner sein als P_c für ein Schnellladesystem. Auf diese Weise kann ein System mit 100 Zellen in der Größenordnung von lediglich 10 Zellen aus einem beliebigen vorgegebenen Satz von Zellen verwendet wurden, welche zum Entladen ausgewählt wurden.
Die vorangegangenen Beziehungen zeigen ebenfalls an, dass die tatsächliche I_d nicht notwendiger Weise gleich der Soll I_d sein wird, da ”m” eine ganze Zahl ist. Mit anderen Worten wird die tatsächliche I_d zwischen einem oberen und unteren Wert für eine vorgegebene Anzahl von Zellen 114 _x in einem Satz von Zellen zum Entladen variieren, während die P_d variiert, da P_d linear variieren kann, während P_c, V_c, V_d und n im Wesentlichen feststehen. Wenn P_d ausreichend variiert, dann kann die Anzahl von Zellen 114 _x in einem Satz von Zellen zum Entladen iteriert werden (zum Beispiel von 10 Zellen auf 11 Zellen), was zu einer Schritterhöhung oder -verminderung bei I_d führt. Folglich wird die Soll I_d vorzugsweise derart ausgewählt, damit sie niedriger als die maximal zulässige I_d einer Zelle und größer als die I_c der Zelle ist.
Die Soll I_d für eine bestimmte Ausführungsform kann auf unterschiedliche Arten bestimmt oder festgestellt werden. In einer grundsätzlichen Vorgehensweise wird die Soll I_d basierend auf einer konzipierten I_c für die Zellen in einem System festgestellt. In komplexeren Ausführungsformen kann die Soli I_d basierend auf der tatsächlichen oder bestimmten I_c für die Zellen in einem System festgestellt werden. Während eine einzige Soll I_d für ein gesamtes System in manchen Ausführungsformen verwendet werden kann, kann darüber hinaus eine einmalige Soll I_d für jede Zelle oder gruppierten Satz von Zellen in dem System festgestellt werden. Die Komplexität irgendeiner bestimmten Ausführungsform kann somit in Abhängigkeit von der Menge an Information variieren, welche für die unterschiedlichen Zellen und die gewünschte Komplexität für das System verfügbar ist. Zudem kann die Soll I_d auf einen Wert eingerichtet werden, welcher kleiner als, gleich wie, oder größer als die I_c ist, abhängig von der bestimmten Ausführungsform. Jedoch wird die Soll I_d vorzugsweise auf einen Wert gleich wie oder größer als die I_c eingerichtet.
Fahren wir fort mit dem Prozess 150 bei dem Block 184, sobald die Soli I_d bekannt ist, dann steuert der Prozessor 110 diejenige Anzahl von den Zellen 114 _x, welche mit dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 verbunden sind, so dass die tatsächliche Entladerate für jede von den Zellen die Soll-Entladerate von jeder der Zellen annähert, gleichkommt oder überschreitet, was auf diese Weise die morphologischen Änderungen abmildert. Zu diesem Zweck bringt der Prozessor 110 die Zellen 114 _x in einen oder mehrere Sätze von Zellen logisch in Verbindung, basierend zumindest teilweise auf der Soll-Entladerate. Die Art und Weise, wie der Prozessor 110 die Zellen 114 _x in einem oder mehrere Sätzen von Zellen logisch in Verbindung bringt, kann von sehr primitiven Ansätzen bis zu sehr komplexen Ansätzen variieren.
In einer grundsätzlichen Vorgehensweise bringt der Prozessor 110 bei dem Block 152 die Zellen 114 _x logisch in einem oder mehreren Sätzen von Zellen in Verbindung, basierend auf einer Tabelle, welche in dem Speicher 112 gespeichert ist. Zum Beispiel kann bei dem Block 152 eine Nachschlagetabelle in dem Speicher 112 gespeichert sein. In der Tabelle können die Zellen in dem System in eine erste Gruppe von Zellsätzen unterteilt werden, welche für einen ersten Bereich der P_d zum Einsatz kommen sollen. Die Tabelle kann zudem eine zweite Gruppe von Zellsätzen identifizieren, welche für einen zweiten Bereich von P_d zum Einsatz kommen sollen. Es kann eine beliebige Anzahl von Gruppen von Zellsätzen für eine entsprechende Anzahl von P_d Bereichen gespeichert werden.
Somit kann bei einem niedrigen Bereich von P_d, eine große Anzahl von Sätzen von Zellen für das Entladen in der Tabelle identifiziert sein, wobei jeder Satz eine kleine Anzahl von Zellen 114 _x besitzt. Sobald P_d hin zu einem größeren Bereich von P_d zunimmt, identifiziert die Tabelle eine kleinere Anzahl von Sätzen von Zellen für das Entladen, wobei jeder Satz eine größere Anzahl von Zellen 114 _x besitzt. Diese Ausführungsform kann mit wenig, wenn überhaupt, Dateneingabe bezüglich des aktuellen Status der Zellen 114 _x realisiert werden.
Sobald mehr Informationen, zum Beispiel geschätzte oder tatsächliche Daten, zu dem Zustand der Zellen 114 _x verfügbar sind, desto komplexere Ansätze können für das logische in Verbindung bringen der Zellen 114 _x in einen oder mehrere Sätze von Zellen für das Entladen zum Einsatz kommen. Zum Beispiel können in dem Speicher 112 Daten in Bezug auf den Ladezustand, die Ladehistorie, die Entladehistorie, etc., für die Zellen 114 _x einzeln, als ein gruppierter Satz oder als ein System gespeichert werden. Der Prozessor 110 kann manche oder sämtliche der gespeicherten Daten verwenden, um die Zellen 114 _x in einen oder mehrere Sätze für das Entladen optimaler zu gruppieren. Somit kann in einer Ausführungsform der Prozessor 110 Zellen 114 _x basierend auf einem geschätzten Ladezustand für das System 100 gruppieren. In einer komplexeren Ausführungsform kann der Prozessor 110 Zellen 114 _x gruppieren, basierend auf einem Ladezustand für jede einzelne Zelle 114 _x, basierend auf einer tatsächlichen oder geschätzten Leerspannung (open cell voltage) der Zelle 114 _x. Die Komplexität einer bestimmten Ausführungsform kann somit in Abhängigkeit von der Menge an verfügbarer Informationen für die unterschiedlichen Zellen und der gewünschten Komplexität für das System variieren.
Auf jeden Fall, sobald die Zellen 114 _x logisch in einer gewünschten Art und Weise in Verbindung gebracht wurden, konfiguriert der Prozessor 110 bei dem Block 184 die Schalter 106 _x, 108 _x, und 116 _x, um einen ersten Satz von Zellen 114 _x auf den Verbraucher/die Energiequelle 104 anzuwenden. Die Zellen 114 _x in dem ersten Satz von Zellen können Zellen von lediglich einem der Zellmodule 102 _x aufweisen oder können Zellen aus mehr als einem der Zellmodule aufweisen. Sobald der erste Satz von Zellen 114 _x auf den Verbraucher/die Energiequelle 104 angewandt wird, wird der erste Satz von Zellen 114 _x eine I_d aufweisen, welche sich annähert, gleichkommt oder die I_c von den Zellen überschreitet.
Nach einem ersten Entladezeitraum, welcher zu einer vorbestimmten Zeitdauer festgelegt werden kann und welcher für gewöhnlich eine Größenordnung von ungefähr einer Millisekunde besitzt, konfiguriert der Prozessor 110 die Schalter 106 _x, 108 _x und 116 _x, um den ersten Satz von Zellen 114 _x von dem Verbraucher/der Energiequelle 104 zu trennen und der Prozess 150 fährt fort zu dem Block 186. Bei Block 186 stellt der Prozess 150 fest, ob eine zusätzliche Entladung benötigt wird oder nicht oder verfügbar ist. Falls die Energie von dem Verbraucher/der Energiequelle 104 nicht länger benötigt wird oder falls das System 100 nicht länger in der Lage ist, die benötigte Leistung dem Verbraucher/der Energiequelle 104 zur Verfügung zu stellen, dann fährt der Prozess 150 bei dem Block 156 fort.
Falls bei dem Block 186 ein zusätzliches Entladen benötigt wird und die Energie in dem System 100 noch verfügbar ist, dann kehrt der Prozess 150 zu dem Block 180 zurück und der Prozessor 110 konfiguriert dann die Schalter 106 _x, 108 _x, und 116 _x, um einen zweiten Satz von Zellen 114 _x auf den Verbraucher/die Energiequelle 104 anzuwenden. Nach einem zweiten Entladezeitraum konfiguriert der Prozessor 110 die Schalter 106 _x, 108 _x, und 116 _x, um den zweiten Satz von Zellen 114 _x von dem Verbraucher/der Energiequelle 104 zu trennen und der Prozess 150 fährt fort bei dem Block 186.
Wie oberhalb beschrieben, wird jeder der Sätze von Zellen 114 _x nur auf den Verbraucher/die Spannungsquelle 104 für einen sehr kurzen Zeitraum angewandt. Folglich führt die Entladesequenz nicht zu einer Unausgewogenheit des Ladezustands zwischen den Zellen 114 _x in dem ersten angewandten Satz von Zellen und den Zellen 114 _x in dem anderen Satz oder den Sätzen von Zellen 114 _x. Darüber hinaus kann in komplexeren Systemen der Entladezeitraum zwischen Sätzen von Zellen 114 _x variiert werden, um ein gewünschtes Ladezustandsverhältnis beizubehalten. Zum Beispiel können die ersten, die zweiten und die dritten Entladezeiträume jeweils einer Millisekunde (1 ms) gleichkommen. Alternativ dazu kann die erste Entladezeitraum 0,5 Millisekunden (0,5 ms) gleichkommen, der zweite Entladezeitraum kann zwei Millisekunden (2 ms) gleichkommen, und der dritte Entladezeitraum kann drei Millisekunden (3 ms) gleichkommen.
Andere Modifikationen an der Entladesequenz können ebenfalls in dem Prozess 150 eingearbeitet werden, in Abhängigkeit von der Komplexität und den gewünschten Betriebseigenschaften. Zum Beispiel können in manchen Systemen manche der Zellen 114 _x mehr als einem Satz von Zellen zugewiesen werden, so dass eine von den Zellen sowohl in einem ersten Satz von Zellen als auch einem dritten Satz von Zellen ist. Ebenfalls kann die Anzahl von Zellen 114 _x in einem ersten Satz von Zellen von der Anzahl von Zellen in einem zweiten Satz von Zellen verschieden sein. Unterschiede bei der Anzahl von Zellen in jedem von den Zellsätzen können in Systemen vorteilhaft sein, welche detaillierte Informationen hinsichtlich des einzigartigen Zustands von jeder der Zellen 114 _x aufweisen.
Während die Funktionsweise des Systems 100 im Hinblick auf den Prozess 150 beschrieben wurde, kann darüber hinaus eine Anzahl von Variationen an dem Prozess 150 zusätzlich zu den oberhalb erörterten innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung gemacht werden. Zum Beispiel können die im Hinblick auf die Blöcke 180, 184 und 186 oberhalb beschriebenen Vorgänge im Wesentlichen gleichzeitig auftreten, so dass keine maßgebliche Schwankung der P_d von dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 erfahren wird. Zusätzlich dazu kann die logische Zuweisung von Zellen 114 _x zu einem bestimmten Satz von Zellen für das Entladen fortlaufend während des Entladevorgangs verändert werden.
Das Batteriesystem 100 kann somit auf eine Weise betrieben werden, welche die Nutzungsdauer von Batteriezellen mit metallischen negativen Elektroden (besonders Li Metall Elektroden) durch das Bestimmen einer I_d verlängert, basierend auf einer anvisierten I_d, welche im Gegenzug wiederum auf einer I_c der Zellen in dem System basiert. Demzufolge ermöglicht es das Batteriesystem 100 den Benutzern von der hohen Kapazität von Li Metall Batteriezellen und dem Komfort einer schnellen Aufladerate zu profitieren. Aus diesen und anderen Gründen kann das Batteriesystem 100 besonders für die Versorgung von elektrischen Verbrauchern einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, tragbare elektronische Geräte (Mobiltelefone, Laptops, etc.), Elektrofahrzeuge und Hybrid-/Elektrofahrzeuge geeignet sein.
In vorteilhafter Weise kann eine Soll I_d dazu verwendet werden, um Systeme mit variierender Komplexität zu betreiben. In manchen Ausführungsformen kann eine Soll I_d basierend auf Konstruktionsparametern identifiziert werden und dazu verwendet werden, um eine Nachschlagetabelle zu erzeugen, welche durch einen Prozessor in dem System gespeichert und zugegriffen wird. In anderen Ausführungsformen kann eine Soll I_d durch das System selbst identifiziert werden, basierend auf Algorithmen, welche eine Vielzahl von Daten verwenden, berechnet oder gemessen, welche auf die Zellen in dem System bezogen sind.
In einer Ausführungsform kann der Prozessor 110 ebenfalls dazu eingerichtet sein, um ein Programm für den Zellausgleich basierend auf einer anvisierten I_d zu betreiben. Zum Beispiel ist ein erster Satz der Zellen 114 _x von dem elektrischen Verbraucher/der Spannungsquelle 104 getrennt und ist mit einem zweiten Satz von Zellen verbunden. Ladung von dem ersten Satz von Zellen wird zu dem zweiten Satz von Zellen übertragen, so dass der erste Satz der Zellen entladen wird und der zweite Satz von Zellen aufgeladen wird. Die Anzahl und Anordnung des ersten Satzes von Zellen kann derart gesteuert werden, so dass sich die Entladerate des ersten Satz von Zellen der Aufladerate des ersten Satzes von Zellen annähert oder übertrifft.
Während die Offenbarung im Detail in den Zeichnungen und der vorangegangenen Beschreibung veranschaulicht und erläutert wurde, sollten selbige ihrem Wesen nach als veranschaulichend und nicht als einschränkend angesehen werden. Es versteht sich, dass lediglich die bevorzugten Ausführungsformen vorgestellt wurden und dass sämtliche Änderungen, Modifikationen und weitere Anwendungen, welche in den Erfindungsgedanken der Offenbarung hineinkommen, geschützt sein sollen.

Claims

Elektrochemisches Batteriesystem (100), mit: einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen; einem Speicher (112), in welchem Befehlsanweisungen gespeichert sind; und einem Prozessor (110), welcher dazu eingerichtet ist, um der Reihe nach die Befehlsanweisungen auszuführen verbinden eines ersten Satz aus der Vielzahl von elektrochemischen Zellen mit einem elektrischen Verbraucher (104), trennen des ersten Satzes von dem elektrischen Verbraucher (104), verbinden eines zweiten Satz aus der Vielzahl von elektrochemischen Zellen mit dem elektrischen Verbraucher (104), und trennen des zweiten Satzes von dem elektrischen Verbraucher (104), wobei die elektrochemischen Zellen in dem ersten Satz und die elektrochemischen Zellen in dem zweiten Satz basierend auf einer Soll-Entladerate (I_d) der elektrochemischen Zelle ausgewählt werden.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (110) des Weiteren dazu eingerichtet ist, die Befehlsanweisungen auszuführen des: Auswertens jeder der Vielzahl von elektrochemischen Zellen; Verbindens des ersten Satz von elektrochemischen Zellen, basierend auf der Auswertung; und Verbindens des zweiten Satz von elektrochemischen Zellen, basierend auf der Auswertung.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei der Prozessor (110) des Weiteren dazu eingerichtet ist, der Reihe nach die Befehlsanweisungen auszuführen des: Verbindens eines dritten Satz von der Vielzahl von elektrochemischen Zellen mit dem elektrischen Verbraucher (104) nach dem Trennen des zweiten Satzes; und Trennens des dritten Satzes von dem elektrischen Verbraucher (104).
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei der erste Satz von dem Verbraucher (104) ungefähr eine Millisekunde getrennt ist, nachdem der erste Satz mit dem Verbraucher (104) verbunden ist.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei zumindest eine elektrochemische Zelle des ersten Satzes von elektrochemischen Zellen in dem zweiten Satz von elektrochemischen Zellen ist.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei die Anzahl von elektrochemischen Zellen in dem ersten Satz von elektrochemischen Zellen von der Anzahl von elektrochemischen Zellen in dem zweiten Satz von elektrochemischen Zellen verschieden ist.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei: der erste Satz nach einer ersten Zeitdauer von dem Verbraucher (104) getrennt ist, nachdem der erste Satz mit dem Verbraucher (104) verbunden ist; der zweite Satz nach einer zweiten Zeitdauer von dem Verbraucher (104) getrennt ist, nachdem der zweite Satz mit dem Verbraucher (104) verbunden ist; und die erste Zeitdauer von der zweiten Zeitdauer verschieden ist.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei die Soll-Entladerate (I_d) der elektrochemischen Zelle bei einem elektrischen Strom bestimmt wird, welcher größer als oder gleich wie ein nominaler Ladestrom der elektrochemischen Zelle ist.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 8, wobei jede der Vielzahl von elektrochemischen Zellen eine jeweilige Soll-Entladerate (I_d) der elektrochemischen Zelle aufweist, wobei die jeweilige Soll-Entladerate (I_d) der elektrochemischen Zelle basierend auf einer Auswertung der jeweiligen elektrochemischen Zelle festgestellt wird.
Elektrochemisches Batteriesystem, mit: einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen; einem Speicher (112), in welchem Befehlsanweisungen gespeichert sind; und einem Prozessor (110), welcher dazu eingerichtet ist, zum Ausführen der Befehlsanweisungen des logischen in Verbindung Bringens der Vielzahl von elektrochemischen Zellen in einem erstem Satz von elektrochemischen Zellen und einem zweiten Satz von elektrochemischen Zellen, Verbindens des ersten Satz von elektrochemischen Zellen mit einem elektrischen Verbraucher (104), Trennens des verbundenen ersten Satz von elektrochemischen Zellen von dem elektrischen Verbraucher (104), Verbindens des zweiten Satz von elektrochemischen Zellen mit dem elektrischen Verbraucher (104) nach dem Trennen des ersten Satzes, und Trennens des verbundenen zweiten Satzes von dem elektrischen Verbraucher (104), wobei die elektrochemischen Zellen in dem ersten Satz und die elektrochemischen Zellen in dem zweiten Satz basierend auf einer Soll-Entladerate der elektrochemischen Zelle logisch verbunden sind.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 10, wobei der Prozessor (110) des Weiteren dazu eingerichtet ist, die Befehlsanweisungen auszuführen des: Auswertens jeder der Vielzahl von elektrochemischen Zellen; logischen in Verbindung Bringens des ersten Satz von elektrochemischen Zellen, basierend auf der Auswertung; und logischen in Verbindung Bringens des zweiten Satz von elektrochemischen Zellen, basierend auf der Auswertung.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 11, wobei der Prozessor (110) des Weiteren dazu eingerichtet ist, die Befehlsanweisungen auszuführen des: Verbindens eines dritten Satz von der Vielzahl von elektrochemischen Zellen mit dem elektrischen Verbraucher (104) nach dem Trennen des zweiten Satzes; und Trennens des verbundenen dritten Satzes von dem elektrischen Verbraucher (104).
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 12, wobei der erste Satz von dem Verbraucher (104) ungefähr eine Millisekunde getrennt ist, nachdem der erste Satz mit dem Verbraucher (104) verbunden ist.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 13, wobei zumindest eine elektrochemische Zelle des ersten Satzes von elektrochemischen Zellen in dem zweiten Satz von elektrochemischen Zellen ist.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 11, wobei die Anzahl von elektrochemischen Zellen in dem ersten Satz von elektrochemischen Zellen von der Anzahl von elektrochemischen Zellen in dem zweiten Satz von elektrochemischen Zellen verschieden ist.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 11, wobei: der erste Satz nach einer ersten Zeitdauer von dem Verbraucher (104) getrennt ist, nachdem der erste Satz mit dem Verbraucher (104) verbunden ist; der zweite Satz nach einer zweiten Zeitdauer von dem Verbraucher (104) getrennt ist, nachdem der zweite Satz mit dem Verbraucher (104) verbunden ist; und die erste Zeitdauer von der zweiten Zeitdauer verschieden ist.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 11, wobei die Soll-Entladerate (I_d) der elektrochemischen Zelle bei einem elektrischen Strom bestimmt wird, welcher größer als oder gleich wie ein nominaler Ladestrom der elektrochemischen Zelle ist.
Elektrochemisches Batteriesystem nach Anspruch 17, wobei jede der Vielzahl von elektrochemischen Zellen eine jeweilige Soll-Entladerate (I_d) der elektrochemischen Zelle aufweist, wobei die jeweilige Soll-Entladerate (I_d) der elektrochemischen Zelle basierend auf einer Auswertung der jeweiligen elektrochemischen Zelle festgestellt wird.