EP2386130A1 - Batteriezellen-balancing - Google Patents

Batteriezellen-balancing

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Publication number
EP2386130A1
EP2386130A1 EP09768107A EP09768107A EP2386130A1 EP 2386130 A1 EP2386130 A1 EP 2386130A1 EP 09768107 A EP09768107 A EP 09768107A EP 09768107 A EP09768107 A EP 09768107A EP 2386130 A1 EP2386130 A1 EP 2386130A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery cell
charge
battery
state
energy
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09768107A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Hasenkopf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2386130A1 publication Critical patent/EP2386130A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/441—Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for balancing the state of charge of battery cells of a battery system according to the preambles of claims 1 and 8.
  • Micro hybrid via the mild hybrid to the full hybrid. Recently, even the pure electric vehicle is again becoming the focus of automobile manufacturers.
  • Stranded single cells in some cases several of these strictures are in turn connected in parallel to increase the current carrying capacity.
  • Such a system is shown by way of example in FIG.
  • resistive balancing or else “resistance balancing”, which in some cases has already been implemented in the form of integrated circuits.
  • the individual cells can be connected in parallel resistors in order to discharge them specifically or to lead around a part of the charging current around them. This is illustrated by way of example in FIG.
  • Heat is converted to not only discharge cells having an undesirably high state of charge, but also to charge cells with an undesirably low state of charge, and therefore the usable lower state of charge limit of the entire battery is not determined by the weakest cell alone.
  • the inventive method for balancing the state of charge of battery cells of a battery system comprises the step of recharging energy from at least one first battery cell with a high state of charge in at least one second battery cell with a low
  • the device according to the invention for compensating the state of charge of battery cells of a battery system comprises a transfer device for transferring energy from at least one first battery cell with a high state of charge into at least one second battery cell with a low state of charge, wherein the
  • Transfer device comprises at least one energy storage circuit, preferably a resonant circuit, for discharging energy from one of the at least one first battery cell into the at least one energy storage circuit and for discharging energy from the at least one energy storage circuit into one of the at least one second battery cell.
  • the disadvantages of "resistance balancing" are avoided and battery cell balancing is achieved, which operates without inherent losses, so that, apart from unavoidable smaller losses caused by non-ideal components, such as non-vanishing ohmic switch resistances, no stored energy - A -
  • the method according to the invention particularly preferably comprises the steps of determining at least one first battery cell of the battery system, which has a high state of charge, and determining at least one second one
  • the device according to the invention particularly preferably comprises a first determining device for determining at least one first battery cell of the battery system, which has a high state of charge, and a second determining device for determining at least one second battery cell of the battery system, which has a low state of charge.
  • the discharge of energy into and / or out of the energy storage circuit is alternatively or additionally preferably in resonance with a resonant frequency of the energy storage circuit.
  • the inventive method further comprises additionally or alternatively preferred that the transfer of energy from at least one first battery cell in at least one second battery cell via bidirectional switch.
  • the device according to the invention further additionally or alternatively preferably bi-directional switch for transferring energy from at least one first battery cell in at least one second battery cell.
  • a high state of charge is preferably a state of charge over an average state of charge of all battery cells of the battery system and a low state of charge is a state of charge below an average
  • State of charge of all battery cells of the battery system sets an average state of charge of the battery system for each individual cell of the battery system as a result.
  • the method according to the invention can also be configured in other ways, for example that a high state of charge corresponds to the state of charge which exists in the cell with the highest state of charge and a low state of charge corresponds to the state of charge which corresponds to the cell with the lowest state of charge. In this way, it is ensured that first of all the extremes existing under the individual cells are eliminated and thus the fastest possible approximation of all the individual battery cells to the average state of charge takes place.
  • the inventive method is alternatively or additionally configured such that a discharge of a first battery cell is carried out until this first battery cell has an average state of charge of all battery cells of the battery system and charging a second
  • Battery cell is carried out until this second battery cell has an average state of charge of all battery cells of the battery system and / or discharging always that first battery cell is performed, which has a highest state of charge of all battery cells of the battery system and charging is always performed that second battery cell, the one Lowest state of charge of all battery cells of the battery system has.
  • the bidirectional switch preferably comprises at least one semiconductor component, such as a thyristor or a transistor of the MOSFET, bipolar or IGBT type.
  • a bidirectional switch is in each case controlled such that only the current direction which is needed for the subsequent discharge of energy into and / or out of the energy storage circuit is released by it, and / or a bidirectional switch automatically turns off changing current direction and a drive signal to the bidirectional switch is reset when the bidirectional switch does not conduct electricity.
  • the battery cell is preferably a lithium-ion battery cell and the battery system is a lithium-ion battery system.
  • Figure 1 shows a preferred embodiment of a resonant circuit according to the invention, via the bidirectional switch on
  • FIG. 2 shows the characteristics of the capacitor voltage and of the coil current of the resonant circuit shown in FIG. 1 in the interval of the charge of the resonant circuit;
  • FIG. 3 shows the characteristics of the capacitor voltage and of the coil current of the resonant circuit shown in FIG. 1 in the interval of the discharge of the resonant circuit;
  • FIG. 4 shows a first preferred embodiment of a bidirectional switch in thyristor technology according to the invention
  • FIG. 5 shows three further embodiments according to the invention of bidirectional switches with MOSFET, IGBT or bipolar switches.
  • FIG. 6 shows a battery system according to the prior art with series-connected single cells and parallel-connected strands
  • Figure 7 is a schematic diagram of the "resistance balancing" after
  • a resonant circuit which consists of a storage capacity C and a storage inductance L.
  • bidirectional controllable switches S1 to S (2N) are used for the N series connected cells to balance the state of charge of battery cells of the battery system, as shown in FIG.
  • the cells Z1 to Z (N) are connected in series such that the
  • Negative pole of cell Z (N) forms ground and the positive pole of cell Z1 outputs the positive output voltage of the battery system.
  • the cells Zx are now connected in each case via two bidirectional switches with the resonant circuit, which consists of a series connection of the storage capacitor C and the storage inductance L. This interconnection takes place in such a way that a bidirectional switch S (2x
  • variable x runs in the embodiment shown from 1 to N.
  • the bidirectional switches have control inputs Sx. E1 and Sx. E2, which identify the control input 1 at the switch x and the control input 2 at the switch x. If the control input 1 is activated with an active signal, the respective switch releases the first current direction, here called positive, if the control input 2 is activated with an active signal, then the opposite second current direction is released, here called negative.
  • the resonant circuit of the storage inductance L and the storage capacitance C, the bidirectional switches S1 to S (2N) and the cells Z1 to Z (N) are connected to a resonant charge-discharge network.
  • the control of the balancing circuit now identifies, at the beginning of a switching cycle, a cell Zh whose charge state is higher than the mean charge state of all cells Z1 to ZN, and identifies a cell Zt whose
  • Charging state is lower than the average state of charge of all cells Z1 to ZN.
  • the switching cycle is now carried out so that energy is removed from cell Zh, is stored in the resonant circuit, and is subsequently delivered to cell Zt.
  • both cells approach the average state of charge of all cells, and compensation can be achieved.
  • Figure 2a shows the course of the capacitor voltage and Figure 2b shows the course of the coil current in this interval over time.
  • typical curves result in a resonant charge of the resonant circuit consisting of the storage capacitance C and the storage inductance L.
  • FIG. 3 a) shows the course of the capacitor voltage
  • FIG. 3 b) shows the course of the coil current during the discharge of the resonant circuit in cell Zt.
  • Typical characteristic curves for the discharge of the resonant circuit consisting of the storage capacitor C and the storage inductance L result here.
  • the bipolar switches preferably used according to the invention can be realized particularly advantageously by available semiconductor components, such as thyristors or transistors of the MOSFET, bipolar or IGBT type.
  • FIG. 4 shows a preferred embodiment of a thyristor-type bidirectional switch according to the invention, in which the two thyristors used are connected in antiparallel and the control inputs of the thyristors form the control inputs of the bidirectional switch.
  • FIG. 5 shows three further embodiments of bidirectional switches according to the invention, which are formed by semiconductor power switches with integrated so-called freewheeling diodes. These transistors are, as shown in Figure 5, combined by a suitable series connection to bidirectional switches, wherein in Figure 5, a bidirectional switch with MOSFETs (N-channel) each in the common-source and common-drain arrangement is shown A switch with IGBTs in common-emitter and common-collector arrangement is shown, and a bidirectional switch with bipolar (NPN) transistors each in the common-emitter and common-collector circuit is shown.
  • MOSFETs N-channel
  • NPN bidirectional switch with bipolar
  • the driving method for the bidirectional switches can be made advantageous if the characteristics of the series resonant circuit used in this circuit and that of the semiconductor switches used are favorably combined.
  • the controllable semiconductor switches e.g. The MOSFETs, bipolar transistors or IGBTs can now be switched off when they are already no longer current (zero current switching).
  • the components C and L of the resonant circuit are dimensioned, for example, so that
  • the characteristic impedance is chosen so that there is a current level, which can be well controlled with commercially available components.

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen, mit dem der Schritt: Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle mit einem hohen Ladezustand in wenigstens eine zweite Batteriezelle mit einem niedrigen Ladezustand, wobei das Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle ein Entladen von Energie aus einer der wenigstens einen ersten Batteriezelle in eine Energiespeicherschaltung, vorzugsweise einen Resonanzkreis, und ein Entladen von Energie aus der Energiespeicherschaltung in eine der wenigstens einen zweiten Batteriezelle umfasst.

Description

Beschreibung
Titel Batteriezellen-Balancing
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen eines Batteriesystems gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 8.
Die technische und wirtschaftliche Bedeutung wiederaufladbarer elektrischer Batterien wird in Zukunft stark zunehmen. Dies gilt in besonderem Maße für die Fahrzeugindustrie, aber auch für andere Industriezweige, wie die Energietechnik, hier insbesondere die Nutzung regenerativer Energien.
Ausgelöst durch steigende Primärenergiekosten, strengere Abgasnormen und einer durch die Klimadebatte zunehmend kritisch eingestellten Öffentlichkeit werden in der Fahrzeugindustrie bereits seit einiger Zeit Konzepte erarbeitet, um den Energieverbrauch und den Schadstoffausstoß von Fahrzeugen zu verringern. Ein wichtiges Konzept dabei ist der Hybridantrieb, angefangen von
Mikro-Hybrid, über den Mild-Hybrid zum Voll-Hybrid. In letzter Zeit rückt sogar das reine Elektrofahrzeug wieder zunehmend in den Fokus der Automobilhersteller.
All diese teil- und vollelektrifizierten Antriebsstränge benötigen aufladbare
Batterien zur Speicherung elektrischer Energie.
Auch bei der Nutzung regenerativer Energien zur Stromerzeugung, wie beispielsweise der Photovoltaik- oder der Windenergien, sind leistungsfähige Batterien von großem Nutzen, da die zeitlich nicht beeinflussbare Darbietung dieser Energieformen häufig nicht mit dem Bedarf an elektrischem Strom zusammenfällt. Hier können Speicher in Form von Batterien einen Ausgleich schaffen und den Nutzwert solcher Anlagen deutlich erhöhen.
Um auf die im Betrieb geforderten Spannungen zu gelangen, bestehen Batterieanlagen nach heutigem Stand der Technik aus vielen in Reihe zu einem
Strang geschalteten Einzelzellen, wobei teilweise mehrere dieser Strenge wiederum parallel geschaltet werden, um die Stromtragfähigkeit zu erhöhen. Ein solches System ist beispielhaft in Figur 6 dargestellt.
Problematisch an solchen Anordnungen vieler in Reihe geschalteter Einzelzellen sind die in der Praxis unvermeidlichen Unterschiede zwischen den Einzelzellen. Vorhandene Parameterunterschiede zwischen einzelnen Zellen führen auch bei gleicher Strombelastung zu unterschiedlichen Ladezuständen der Zellen. Da manche Zellparameter vom Ladezustand selbst abhängig sind, können die ursprünglich vorhandenen Unterschiede dadurch sogar noch verstärkt werden.
Unterschiedliche Ladezustände der Einzelzellen führen aber dazu, dass die nutzbare Speicher- bzw. Entnahmekapazität des Gesamtbatteriesystems kleiner wird, als die gesamte installierte Nenn-Kapazität aus der Summe aller Einzelzellen. Dadurch wird der Betriebsbereich des versorgten Systems, z.B. eines Fahrzeugs oder einer Energieanlage, in unerwünschter Weise eingeschränkt.
Werden die unterschiedlichen Ladezustände nicht rechtzeitig erkannt, so können einzelne Zellen irreversibel geschädigt werden.
Aus den genannten Gründen sollte beim Betrieb einer Batterie darauf geachtet werden, unterschiedliche Ladezustände einzelner Zellen zu erkennen und auszugleichen. Der Stand der Technik ist hierbei das sogenannte "Resistive- Balancing" oder auch "Widerstands-Balancing", welches zum Teil bereits in Form integrierter Schaltungen realisiert ist. Dabei können den einzelnen Zellen Widerstände parallel geschaltet werden, um sie so gezielt zu entladen bzw. einen Teil des Ladestroms um sie herumzuführen. Dies ist beispielhaft in Figur 7 dargestellt.
Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 weisen demgegenüber den Vorteil auf, dass die den Einzelzellen beim Entladen entnommene Energie nicht lediglich in den Widerständen nutzlos in
Wärme umgewandelt wird, dass nicht nur Zellen entladen werden, die einen unerwünscht hohen Ladezustand besitzen, sondern dass Zellen mit einem unerwünscht niedrigen Ladezustand auch geladen werden, und dass deshalb die nutzbare untere Ladezustandsgrenze der gesamten Batterie nicht allein von der schwächsten Zelle bestimmt wird.
Demzufolge umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen eines Batteriesystems den Schritt des Umladens von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle mit einem hohen Ladezustand in wenigstens eine zweite Batteriezelle mit einem niedrigen
Ladezustand, wobei das Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle ein Entladen von Energie aus einer der wenigstens einen ersten Batteriezelle in eine Energiespeicherschaltung, vorzugsweise einen Resonanzkreis, und ein Entladen von Energie aus der Energiespeicherschaltung in eine der wenigstens einen zweiten Batteriezelle umfasst. Korrespondierend umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen eines Batteriesystems eine Umladevorrichtung zum Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle mit einem hohen Ladezustand in wenigstens eine zweite Batteriezelle mit einem niedrigen Ladezustand, wobei die
Umladevorrichtung wenigstens eine Energiespeicherschaltung, vorzugsweise einen Resonanzkreis, zum Entladen von Energie aus einer der wenigstens einen ersten Batteriezelle in die wenigstens eine Energiespeicherschaltung und zum Entladen von Energie aus der wenigstens einen Energiespeicherschaltung in eine der wenigstens einen zweiten Batteriezelle umfasst.
Erfindungsgemäß werden also die Nachteile des "Widerstands-Balancing" vermieden und ein Batteriezellen-Balancing erreicht, das ohne prinzipbedingte Verluste arbeitet, so dass, abgesehen von unvermeidlichen kleineren Verlusten, die durch nicht-ideale Bauelemente hervorgerufen werden, wie z.B. nicht verschwindende ohmsche Schalterwiderstände, keine gespeicherte Energie - A -
verloren geht, bei dem beliebige Zellen geladen wie auch entladen werden können, und bei dem die Zellen, welche geladen und welche entladen werden sollen, gezielt ausgewählt werden können, wodurch ein bidirektionaler Austausch von Energie zwischen Zellen hergestellt wird.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte: Bestimmen wenigstens einer ersten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen hohen Ladezustand aufweist, und Bestimmen wenigstens einer zweiten
Batteriezelle des Batteriesystems, die einen niedrigen Ladezustand aufweist. Korrespondierend umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders bevorzugt eine erste Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen wenigstens einer ersten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen hohen Ladezustand aufweist, und eine zweite Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen wenigstens einer zweiten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen niedrigen Ladezustand aufweist.
Erfindungsgemäß erfolgt das Entladen von Energie in und/oder aus der Energiespeicherschaltung alternativ oder zusätzlich bevorzugt in Resonanz mit einer Resonanzfrequenz der Energiespeicherschaltung.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiter zusätzlich oder alternativ bevorzugt, dass das Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle über bidirektionale Schalter erfolgt. Korrespondierend weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter zusätzlich oder alternativ bevorzugt bidirektionale Schalter zum Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle auf. Durch die Verwendung von solchen bidirektionalen Schaltern kann in besonders einfacher Weise ein erfindungsgemäßes Entlade-Lade-
Netzwerk aufgebaut werden.
Erfindungsgemäß ist ein hoher Ladezustand bevorzugt ein Ladezustand über einem durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems und ein niedriger Ladezustand ein Ladezustand unter einem durchschnittlichen
Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems. In diesem Fall wird durch das erfindungsgemäße Verfahren für jede einzelne Zelle des Batteriesystems in Folge ein durchschnittlicher Ladezustand des Batteriesystems eingestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch in anderer Weise ausgestaltet werden, z.B. dass ein hoher Ladezustand dem Ladezustand entspricht, der in der Zelle mit dem höchsten Ladezustand besteht und dass ein niedriger Ladezustand dem Ladezustand entspricht, der Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand entspricht. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass zunächst die unter den Einzelzellen bestehenden Extreme beseitigt werden und somit eine möglichst schnelle Annäherung aller einzelnen Batteriezellen an den durchschnittlichen Ladezustand erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist alternativ oder zusätzlich derart ausgestaltet, dass ein Entladen einer ersten Batteriezelle solange durchgeführt wird, bis diese erste Batteriezelle einen durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist und ein Laden einer zweiten
Batteriezelle solange durchgeführt wird, bis diese zweite Batteriezelle einen durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist und/oder ein Entladen immer derjenigen ersten Batteriezelle durchgeführt wird, die einen höchsten Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist und ein Laden immer derjenigen zweiten Batteriezelle durchgeführt wird, die einen niedrigsten Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der bidirektionale Schalter vorzugsweise wenigstens ein Halbleiter-Bauelement, wie einen Thyristor oder einen Transistor vom MOSFET-, Bipolar- oder IGBT-Typ.
Weiter alternativ oder zusätzlich wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein bidirektionaler Schalter jeweils so angesteuert, dass durch ihn immer nur die Stromrichtung freigegeben wird, die zum folgenden Entladen von Energie in und/oder aus der Energiespeicherschaltung gerade benötigt wird, und/oder ein bidirektionaler Schalter bei sich ändernder Stromrichtung selbstständig ausschaltet und ein Ansteuersignal an den bidirektionalen Schalter rückgesetzt wird, wenn der bidirektionale Schalter keinen Strom leitet. Erfindungsgemäß ist die Batteriezelle vorzugsweise eine Lithium-Ionen- Batteriezelle und das Batteriesystem ein Lithium-Ionen-Batteriesystem.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Resonanzkreises, der über bidirektionale Schalter an
Batteriezellen eines Batteriesystems angeschlossen ist,
Figur 2 die Verläufe der Kondensatorspannung und des Spulenstroms des in Figur 1 gezeigten Resonanzkreises im Intervall der Ladung des Resonanzkreises,
Figur 3 die Verläufe der Kondensatorspannung und des Spulenstroms des in Figur 1 gezeigten Resonanzkreises im Intervall der Entladung des Resonanzkreises,
Figur 4 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß bidirektionalen Schalters in Thyristortechnik,
Figur 5 drei weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen von bidirektionalen Schaltern mit MOSFET-, IGBT- oder Bipolar-
Transistoren,
Figur 6 ein Batteriesystem nach dem Stand der Technik mit in Serie geschalteten Einzelzellen und parallel geschalteten Strängen, und
Figur 7 ein Prinzipschaltbild des "Widerstands-Balancing" nach dem
Stand der Technik.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zum Ausgleich des Ladens von Batteriezellen eines Batteriesystems ein Resonanzkreis vorgesehen, der aus einer Speicherkapazität C und einer Speicherinduktivität L besteht. Weiterhin werden in der bevorzugten Ausführungsform bidirektionale steuerbare Schalter S1 bis S(2N) für die N in Serie geschalteten Zellen zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen des Batteriesystems verwendet, wie es in Figur 1 gezeigt ist. Hier sind die Zellen Z1 bis Z(N) derart in Serie geschaltet, dass der
Minuspol der Zelle Z(N) Masse bildet und der Pluspol der Zelle Z1 die positive Ausgangsspannung des Batteriesystems abgibt. Die Zellen Zx sind nun jeweils über zwei bidirektionale Schalter mit dem Resonanzkreis verbunden, der aus einer Serienschaltung der Speicherkapazität C und der Speicherinduktivität L besteht. Diese Verschaltung erfolgt derart, dass ein bidirektionaler Schalter S(2x-
1 ) zwischen dem Pluspol der Zelle Zx und einen Anschluss des Resonanzkreises geschaltet ist und ein bidirektionaler Schalter S(2x) zwischen dem Minuspol der Zelle Zx und den anderen Anschluss des Resonanzkreises geschaltet ist. Die Variable x läuft im gezeigten Ausführungsbeispiel von 1 bis N.
Die bidirektionalen Schalter besitzen Steuereingänge Sx. E1 und Sx. E2, die den Steuereingang 1 am Schalter x und den Steuereingang 2 am Schalter x kennzeichnen. Wird der Steuereingang 1 mit einem aktiven Signal angesteuert, so gibt der jeweilige Schalter die erste Stromrichtung, hier Positiv genannt, frei, wird der Steuereingang 2 mit einem aktiven Signal angesteuert, so wird die entgegengesetzte zweite Stromrichtung freigegeben, hier Negativ genannt.
Durch eine entsprechende Ansteuerung der Steuereingänge sind der Resonanzkreis aus der Speicherinduktivität L und der Speicherkapazität C, die bidirektionalen Schalter S1 bis S(2N) und die Zellen Z1 bis Z(N) zu einem resonanten Lade-Entlade-Netzwerk miteinander verbunden.
Die (nicht gezeigte) Steuerung der Balancing-Schaltung identifiziert nun zu Beginn eines Schaltspiels eine Zelle Zh, deren Ladezustand höher als der mittlere Ladezustand aller Zellen Z1 bis ZN liegt, und sie identifiziert eine Zelle Zt, deren
Ladezustand tiefer als der mittlere Ladezustand aller Zellen Z1 bis ZN liegt. Das Schaltspiel wird nun so ausgeführt, dass Energie aus Zelle Zh entnommen wird, im Resonanzkreis zwischengespeichert wird, und anschließend an Zelle Zt abgegeben wird.
Dadurch Energieentnahme aus Zelle Zh und Energiezufuhr zu Zelle Zt nähern sich beide Zellen dem mittleren Ladezustand aller Zellen, und ein Ausgleich kann erreicht werden.
Im Folgenden wird der Ablauf eines Schaltspiels detailliert beschrieben.
Beginn der Betrachtung sei der willkürlich gewählte Zeitpunkt t=0, dort gelte außerdem iL = 0 und Uc = 0. Es fließe also kein Strom und der Kondensator sei ungeladen.
Nun wird durch Ansteuern der bidirektionalen Schalter S(2h -1 ) und S(2h) der Stromfluss aus der Zelle Zh in den Resonanzkreis hinein freigegeben. Für den weiteren Verlauf von iL und uc gelten nun die Zusammenhänge:
Wr {/) = C/^ (l -» COS ^) ( 1 )
Z°
Mit der Resonanzfrequenz
und der charakteristischen Impedanz
7 - IzL ( A \ Uzh bezeichnet die Spannung, auf weiche die Zelle Zh gerade aufgeladen ist.
Nach der Zeitdauer n = — = πjϊc wird der Strom iL(t) einen Nulldurchgang zeigen und die Spannung ihren Maximalwert 2* Uzh annehmen. In diesem Moment beginnen die Schalter zu sperren, da sie Strom entsprechend ihrer momentanen Freigaberichtung nur in positiver Richtung führen können. Unmittelbar nach diesem Nulldurchgang kann auch das Ansteuersignal zurückgenommen werden. Im Resonanzkreis ist nun eine bestimmte Energiemenge gespeichert, und die Zellen sind wieder vom Resonanzkreis isoliert.
Figur 2a zeigt den Verlauf der Kondensatorspannung und Figur 2b zeigt den Verlauf des Spulenstroms in diesem Intervall über die Zeit. Hier ergeben sich typische Kurven für eine Resonanzladung des aus der Speicherkapazität C und der Speicherinduktivität L bestehenden Resonanzkreises.
In der zweiten Hälfte des Schaltspiels wird die gespeicherte Energie nun in die Zelle Zt transferiert. Dazu wird Zelle Zt mittels der Schalter S(2t -1 ) und S(2t) mit dem Resonanzkreis verbunden. Zweckmäßiger Weise wird dabei über die Steuereingänge der dieser Schalter nur die sogenannte negative Stromrichtung freigegeben, was also einem in die Zelle Zt hinein gerichteten Strom entspricht.
Der Beginn dieser Betrachtung sei der Zeitpunkt t'=0. Der Kondensator ist nun aufgeladen auf 2* Uzh, und es fließt kein Spulenstrom.
Jetzt gilt für t'X): tj (/ ) es: ""* •"■'"""- sin COQI
Somit konnte die zunächst im Resonanzkreis zwischengespeicherte Energie auf die Zelle Zt übertragen werden. Figur 3a) zeigt den Verlauf der Kondensatorspannung und Figur 3b) zeigt den Verlauf des Spulenstroms bei der Entladung des Resonanzkreises in Zelle Zt. Hier ergeben sich typische charakteristische Kurven für die Entladung des aus der Speicherkapazität C und der Speicherinduktivität L bestehenden Resonanzkreises.
Die erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzten bipolaren Schalter können besonders vorteilhaft durch verfügbare Halbleiter-Bauelemente, wie Thyristoren oder Transistoren vom MOSFET-, Bipolar- oder IGBT-Typ realisiert werden. Figur 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bidirektionalen Schalters in Thyristor-Technik, bei dem die beiden verwendeten Thyristoren antiparallel verschaltet sind und die Steuereingänge der Thyristoren die Steuereingänge des bidirektionalen Schalters bilden.
Figur 5 zeigt drei weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen bidirektionalen Schaltern, die durch Halbleiter-Leistungsschalter mit integrierten sogenannten Freilauf-Dioden gebildet sind. Diese Transistoren sind, wie in Figur 5 gezeigt, durch eine geeignete Reihenschaltung zu bidirektionalen Schaltern kombiniert, wobei in Figur 5 ein bidirektionaler Schalter mit MOSFETs (N-Kanal) jeweils in Common-Source- und Common-Drain-Anordnung gezeigt ist, ein bidirektionaler Schalter mit IGBTs jeweils in Common-Emitter- und Common- Collector-Anordnung gezeigt ist, und ein bidirektionaler Schalter mit bipolaren (NPN) Transistoren jeweils im Common-Emitter- und Common-Collector- Schaltung gezeigt ist.
Das Ansteuerungsverfahren für die bidirektionalen Schalter kann vorteilhaft gestaltet werden, wenn die Eigenschaften des in dieser Schaltung verwendeten Reihenschwingkreises und die der verwendeten Halbleiterschalter günstig kombiniert werden.
Dabei wird bei den bidirektionalen Schaltern immer nur die Stromrichtung freigegeben, die für den gerade einzuleitenden Umschwingvorgang benötigt wird.
Beispielsweise verläuft der Strom für einen Umschwingvorgang in positiver Stromrichtung von Null über sein positives Maximum wieder zu Null. Die Diodeneigenschaft aller oben beschriebenen bidirektionalen Schalter führt nun dazu, dass der Strom seinen Vorzeichenwechsel beim Nulldurchgang nicht vollziehen kann, sondern bei Null verharrt. Dies geschieht insbesondere auch dann, wenn das Ansteuersignal für die gerade freigegebene Stromrichtung noch nicht zurückgenommen wurde.
Die steuerbaren Halbleiterschalter wie z.B. die MOSFETs, bipolaren Transistoren oder IGBTs können nun ausgeschaltet werden, wenn sie bereits keinen Strom mehr führen (zero current switching).
Dies führt zu verschwindend geringen Ausschaltverlusten und ist gleichzeitig günstig für das EMV-Abstrahlverhalten der Schaltung.
Gleiches gilt für das Einschalten, wenn der stromaufnehmende Halbleiterschalter immer erst dann eingeschaltet wird, wenn der Strom der durch den stromabgebenden Halbleiterschalter bereits zu Null geworden ist.
Die Bauteile C und L des Resonanzkreises werden beispielsweise so dimensioniert, dass
1. sich erstens eine Resonanzfrequenz ergibt, die günstig gelegen ist für die
Steuerung der Schalter durch einen Mikroprozessor,
2. diese Resonanzfrequenz aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit möglichst günstig liegt, und
3. die charakteristische Impedanz so gewählt wird, dass sich ein Stromniveau ergibt, welches mit handelsüblichen Bauelementen gut beherrscht werden kann.
Neben der vorstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit auf deren zeichnerische Darstellung in den Fig. 1 bis 7 Bezug genommen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen, mit dem der Schritt:
Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle mit einem hohen Ladezustand in wenigstens eine zweite Batteriezelle mit einem niedrigen Ladezustand, wobei das Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle ein Entladen von Energie aus einer der wenigstens einen ersten Batteriezelle in eine Energiespeicherschaltung, vorzugsweise einen Resonanzkreis, und ein Entladen von Energie aus der Energiespeicherschaltung in eine der wenigstens einen zweiten Batteriezelle umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die Schritte: - Bestimmen wenigstens einer ersten Batteriezelle des
Batteriesystems, die einen hohen Ladezustand aufweist, und Bestimmen wenigstens einer zweiten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen niedrigen Ladezustand aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Entladen von Energie in und/oder aus der Energiespeicherschaltung in Resonanz mit einer Resonanzfrequenz der Energiespeicherschaltung erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle über bidirektionale Schalter erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein hoher Ladezustand ein Ladezustand über einem durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems ist und ein niedriger Ladezustand ein Ladezustand unter einem durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entladen einer ersten Batteriezelle solange durchgeführt wird, bis diese erste Batteriezelle einen durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist und ein Laden einer zweiten Batteriezelle solange durchgeführt wird, bis diese zweite Batteriezelle einen durchschnittlichen Ladezustand aller
Batteriezellen des Batteriesystems aufweist, und/oder ein Entladen immer derjenigen ersten Batteriezelle durchgeführt wird, die einen höchsten Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist und ein Laden immer derjenigen zweiten Batteriezelle durchgeführt wird, die einen niedrigsten Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist und das Batteriesystem ein Lithium-Ionen-Batteriesystem ist.
8. Vorrichtung zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen eines Batteriesystems, mit einer Umladevorrichtung zum Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle mit einem hohen Ladezustand in wenigstens eine zweite Batteriezelle mit einem niedrigen Ladezustand, wobei die Umladevorrichtung wenigstens eine Energiespeicherschaltung, vorzugsweise einen Resonanzkreis, zum Entladen von Energie aus einer der wenigstens einen ersten Batteriezelle in die wenigstens eine Energiespeicherschaltung und zum Entladen von Energie aus der wenigstens einen Energiespeicherschaltung in eine der wenigstens einen zweiten Batteriezelle umfasst.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch: eine erste Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen wenigstens einer ersten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen hohen Ladezustand aufweist, und eine zweite Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen wenigstens einer zweiten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen niedrigen Ladezustand aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch bidirektionale Schalter zum Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein bidirektionaler Schalter wenigstens ein Halbleiterbauelement, wie einen Thyristor oder einen Transistor vom MOSFET-, Bipolar- oder IGBT-Typ, umfasst.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein bidirektionaler Schalter jeweils so angesteuert wird, dass durch ihn immer nur die Stromrichtung freigegeben wird, die zum folgenden Entladen von Energie in und/oder aus der Energiespeicherschaltung gerade benötigt wird, und/oder ein bidirektionaler Schalter bei sich ändernder Stromrichtung selbstständig ausschaltet und ein Ansteuersignal an den bidirektionalen Schalter rückgesetzt wird, wen der bidirektionale Schalter keinen Strom leitet.
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist und das Batteriesystem ein Lithium-Ionen-Batteriesystem ist.
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