EP2771959A2 - Battery having a plurality of accumulator cells and method for operating same - Google Patents

Battery having a plurality of accumulator cells and method for operating same

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EP2771959A2
EP2771959A2 EP12773319.4A EP12773319A EP2771959A2 EP 2771959 A2 EP2771959 A2 EP 2771959A2 EP 12773319 A EP12773319 A EP 12773319A EP 2771959 A2 EP2771959 A2 EP 2771959A2
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EP
European Patent Office
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cell
accumulator
cells
battery
parallel
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Withdrawn
Application number
EP12773319.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf Dittmann
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Albright Deutschland GmbH
Original Assignee
Albright Deutschland GmbH
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the switching elements are controllable and if the two-way circuits between the first and second accumulator cells are continuously produced alternately at predetermined time intervals such that every second accumulator cell is parallel to the first one in a first time interval Accumulator cell is connected and connected in a second time interval in parallel to the adjacent first accumulator cell. This results in a constant switching back and forth as regards the assignment of the cells of the strand 120 to the cells of the strand 110.
  • FIG. 2b shows the battery according to FIG. 1 in a second switching state
  • the method of alternately connecting the cells 121-124 includes i.a. the particular advantage that a charge balance in each operating condition of the battery (charging, discharging, rest and full load) is feasible.
  • the excess energy of individual cells is - without intermediate storage - redistributed to other cells and not converted into heat.
  • the here proposed balancing method is virtually lossless. Overloading of individual cells is in principle not possible with the method.
  • the battery and its circuitry in string 110 has no switching elements (MOSFETs, relays) in series, thereby achieving minimum internal resistance.
  • FIG. 3 shows the battery according to FIG. 1 in a state in which the cell 124 is separated from the strand 120 and separately connected to a measuring device M. This state is assumed during the operation of the battery during a measuring interval TO (see FIG. 4), wherein the switch positions A 'and B' do not correspond to the switch positions A and B during the measuring interval TO.
  • the cell 124 serves as a reference cell for a measurement for determining battery state variables.

Abstract

The invention is based on a battery (100) having a plurality of accumulator cells, of which N first accumulator cells (111... 114) are connected to one another in series to form at least one cell line (110), wherein N second accumulator cells (121... 124) are each arranged such that said cells can be connected in parallel to individual cells of the N first accumulator cells (111... 114) by means of N+2 switching elements (131... 133', 134, 134'). According to the invention, in order to compensate the charge between the cells, the switching elements (131... 133', 134, 134') are capable of producing two-way connections (A, B) between the first and second accumulator cells, wherein each second accumulator cell (121) can be connected in parallel alternately either to a first accumulator cell (111) within the cell line (110) or to another adjacent firs accumulator cell (112). The switching elements (131... 133', 134, 134') are preferably controllable and alternately produce the two-way connections (A, B) between the first and second accumulator cells continuously at predefinable time intervals (TA, TB) in such a manner that each second accumulator cell (121) is connected in parallel to one first accumulator cell (111) in a first time interval (TA) and is connected in parallel to the other, adjacent first accumulator cell (112) in a second time interval (TB).

Description

Batterie mit mehreren Akkumulator-Zellen und Verfahren zum Betreiben einer solchen Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren Akkumulator-Zellen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Batterie, die mehrere gleichartige Akkumulator-Zellen (wieder aufladbare Sekundär- Zellen) aufweisen, welche seriell zu ein oder mehreren Strängen miteinander verschaltet sind, um im Wesentlichen die gewünschte Betriebsspannung zu definieren. Dabei können auch mehrere Stränge wiederum parallel miteinander verschaltet sein, um die Kapazität und Leistung der Batterie zu erhöhen. Die Erfindung ist insbesondere auf den Aufbau einer leistungsstarken Batterie, wie z.B. einer mehrzelligen Lithium-Ionen-Batterie, gerichtet. Batterien mit mehreren Akkumulator-Zellen, im Weiteren auch kurz Zellen genannt, sind hinlänglich bekannt. Seit einigen Jahren sind auch Batterien bekannt, die eine flexible Array- Struktur aufweisen, welche es ermöglicht, einzelne Zellen innerhalb des Arrays zu aktivieren oder zu deaktivieren. Beispielsweise ist aus der WO 03/041206 AI eine als „digitale Batterie" bezeichnete Array-Struktur bekannt, bei der mehrere Zellen seriell und parallel miteinander über Schaltelemente verschaltet werden können. Beispielsweise hat das Array N=9 X M=6 Zellen, wobei jeweils N Zellen seriell zu einem Strang verschaltet werden können. Maximal können M=6 Stränge gebildet und parallel verschaltet werden. Die Schaltelemente befinden sich zwischen den Zellen und sind in Form einer Matrix angeordnet. Dadurch können verschiedene Schaltwege aktiviert werden, die es erlauben, bei Ausfall einzelner Zellen, diese aus der aktiven Verschaltung herauszunehmen und somit die Betriebsbereitschaft aufrecht zu erhalten. Außerdem können kürzere oder Längere Schaltwege (Pfade) aktiviert werden, um verschiedene Betriebsspannungen und/oder Kapazitäten darzustellen. Diese können an busformigen Anschlussleitungen abgeriffen werden. The invention relates to a battery having a plurality of accumulator cells according to the preamble of claim 1 and to a method for operating such a battery according to the preamble of the independent claim. In particular, the invention relates to a battery having a plurality of similar accumulator cells (rechargeable secondary cells) connected in series with one or more strings to substantially define the desired operating voltage. In this case, several strands can in turn be connected in parallel with one another in order to increase the capacity and power of the battery. The invention is particularly directed to the construction of a high performance battery, such as a multicellular lithium-ion battery. Batteries with several accumulator cells, also called cells for short, are well known. Batteries have also been known for some years which have a flexible array structure which makes it possible to activate or deactivate individual cells within the array. For example, WO 03/041206 A1 discloses an array structure known as a "digital battery" in which a plurality of cells can be interconnected in series and in parallel via switching elements, for example N = 9 XM = 6 cells, each N A maximum of M = 6 strings can be formed and interconnected in parallel The switching elements are located between the cells and are arranged in the form of a matrix, which enables the activation of different switching paths, which allow a single failure Cells can be removed from the active circuitry to maintain operational readiness, and shorter or longer switching paths (paths) can be activated to provide different operating voltages and / or capacities. These can be tapped off on bus-shaped connecting cables.
Demnach ist eine Batterie mit mehreren Akkumulator-Zellen bekannt, von denen N erste Akkumulator-Zellen miteinander in Reihe zu einem Zellen-Strang (z.B. dem obersten Strang) verschaltet sind, wobei N zweite Akkumulator-Zellen (d.h. die Zellen eines anderen Strangs) mittels Schaltelementen jeweils parallel schaltbar zu einzelnen der N ersten Akkumulator-Zellen angeordnet sind. Diese bekannte Batterie weist zwar eine flexible Struktur auf, die es erlaubt, verschiedene Spannungen und Kapazitäten darzustellen. Außerdem können defekte Zellen deaktiviert werden. Allerdings hat diese Art von Batterie, so wie jede einfache Batterie auch, das Problem, dass bereits vor dem Auftreten von Defekten in einzelnen Zellen, darauf geachtet werden muss, dass jede einzelne intakte Zelle beim Aufladen gegen Überspannung und beim Entladen gegen Unterspannung geschützt werden muss. Accordingly, a battery with several accumulator cells is known, of which N first accumulator cells are interconnected in series to a cell strand (eg the top strand), where N second accumulator cells (ie the cells of another strand) by means of Switching elements are each arranged in parallel switchable to each of the N first accumulator cells. Although this known battery has a flexible structure, which makes it possible to represent different voltages and capacities. In addition, defective cells can be deactivated. However, this type of battery, like any simple battery, also has the problem that even before the occurrence of defects in individual cells, care must be taken to ensure that each single intact cell is protected against overvoltage during charging and when it is being discharged against undervoltage ,
Um dieses zu erreichen sind sogenannte Ladeausgleichs- Verfahren (Charge Balancing) bekannt, die dafür sorgen, dass die in Reihe geschalteten Zellen einen möglichst einheitlichen Ladungszustand aufweisen. Diese Verfahren sind besonders wichtig bei Hochleistungs-Batterien, wie z.B. bei Lithium-Ionen-Batterien, die zum Erreichen von höheren Modulspannungen eine Vielzahl von Zellen aufweisen, welche in Reihe zu ein oder mehreren Strängen geschaltet sind. Damit die Einzelzellen gegen Überspannung (Überladung) und Unterspannung geschützt werden können, kommen sogenannte Zellbalancmg- Verfahren und -Vorrichtungen zum Einsatz, die einen Ladungsausgleich der einzelnen in Reihe geschalteten Zellen untereinander ermöglichen. In order to achieve this, so-called charge balancing methods (charge balancing) are known, which ensure that the cells connected in series have as uniform a state of charge as possible. These methods are especially important in high power batteries, such as high power batteries. in lithium-ion batteries, which have a plurality of cells connected in series with one or more strings to achieve higher module voltages. So that the individual cells can be protected against overvoltage (overcharging) and undervoltage, so-called Zellbalancmg- methods and devices are used, which allow a charge equalization of the individual cells connected in series with each other.
Folgende verschiedene Verfahren zum Ladungsausgleich sind bekannt: The following different methods of charge balancing are known:
Bei dem sogenannten Shunting- Verfahren werden voll aufgeladene Zellen mit einem Bypass überbrückt, wodurch sich ein Entladestrom für die jeweils überbrückte Zelle ausbildet. Das Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis die Spannungen aller Zellen innerhalb des Strangs möglichst gut angenähert sind und somit die Ladung der Zellen ausgeglichen (balanciert) ist. Als Vorteile dieses Verfahrens sind seine preisgünstige Realisierbarkeit und die geringen EMV-Probleme durch die niedrige Schaltfrequenz zu nennen. Allerdings funktioniert dieses Verfahren nur zufriedenstellend bei Akkumulatoren mit einer Zellchemie, die eine steile Spannungs-Ladungskennlinie aufweisen (z.B. LiCo02), da der Ladezustand anhand der Ruhespannung geschätzt wird. Das Verfahren funktioniert somit nur dann, wenn die Batterie in Ruhe ist und der SOC (State of Charge; Ladezustand) einen hohen Wert hat. Im laufenden Betrieb der Batterie ist das Shunting- Verfahren nicht anwendbar. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Ladungsausgleich verlustbehaftet ist, da die überschüssige Ladung durch einen Widerstand (Shunt) in Wärmeemergie umgewandelt wird. In the so-called shunting method, fully charged cells are bypassed with a bypass, which forms a discharge current for the respective bridged cell. The process is continued until the tensions of all cells within the strand are as close as possible and thus the charge of the cells is balanced (balanced). As advantages of this method are its inexpensive Realizability and the low EMC problems due to the low switching frequency. However, this method works only satisfactorily for accumulators with a cell chemistry which have a steep voltage charge characteristic (eg LiCoO 2), since the state of charge is estimated from the rest voltage. The method thus only works when the battery is at rest and the SOC (state of charge) has a high value. During operation of the battery, the shunting process is not applicable. Another disadvantage is that the charge balance is lossy because the excess charge is converted by a resistor (shunt) into heat energy.
Bei dem sogenannten Capacitive-Load-Pump- Verfahren wird über Kondensatoren ein Anteil der Ladung von Zellen mit höherem Ladezustand (Höherer Spannung) abgenommen und über Umschalter auf die Nachbarzellen übertragen. Das Verfahren ist vergleichsweise günstig und einfach zu realisieren. Es setzt allerdings voraus, dass die Ladungsunterschiede zwischen den Zellen nur gering sind, da über die Kondensatoren nur relativ kleine Energiemengen transportiert werden können. Zudem muss die Schaltfrequenz hoch gewählt werden, um eine gewisse Effektivität zu erreichen. Ein Ausgleich größerer Zell- Asymmetrien ist mit diesem Verfahren kaum möglich. Die induktiven Verfahren mit Spulen oder Übertragern funktionieren in verschiedenen Betriebszuständen der Batterie. Dieser Lösungsweg ist aber aufgrund der induktiven Bauelemente recht teurer, aufwändiger und größer als bei dem Shunt- oder dem Charge- Pump- Verfahren. Zudem steigt die EMV-Problematik aufgrund des getakteten Schaltungsprinzips. In the so-called capacitive load-pump method, a proportion of the charge from cells with a higher state of charge (higher voltage) is removed via capacitors and transferred via switches to the neighboring cells. The method is relatively cheap and easy to implement. It assumes, however, that the charge differences between the cells are only small, since only relatively small amounts of energy can be transported via the capacitors. In addition, the switching frequency must be high in order to achieve a certain effectiveness. A compensation of larger cell asymmetries is hardly possible with this method. The inductive methods with coils or transformers work in different operating states of the battery. However, this approach is due to the inductive components quite expensive, complex and larger than in the shunt or the Charge pump method. In addition, the EMC problem increases due to the clocked circuit principle.
Aus der Patentschrift US 6,157,165 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie bekannt, bei dem Schaltelemente vorgesehen sind, die eine Kapazität (s.„capacitor 111" in Fig. 1) wahlweise zu einzelnen Akkumulator-Zellen der Batterie (s.„unit batteries 101a bis 101c") parallel schalten können, um die Kapazität mit der aktuellen Zellen-Spannung der Akkumulator-Zelle aufzuladen. Eine Verschaltung mit einem Spannungsdetektor ermöglicht es, die Zellen- Spannung zu messen, wobei ein weiterer Kondensator („capacitor 104") vorgesehen ist, um Spannungsschwankungen, nämlich oszillierende Anteile der Messspannung, zu beseitigen. Die Patentschrift US 7,193,390 B2 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie, bei dem Schaltelemente vorgesehen sind, die Kapazitäten (s.„capacitors Cl and C2"in Fig. 4) wahlweise parallel zu einzelnen Akkumulator-Zellen der Batterie (s.„battery cells El and E2") oder auch zueinander schalten können. Zuerst wird die erste Kapazität („Cl") parallel zu der ersten Zelle („El") geschaltet und mit der Zellenspannung aufgeladen. Dann wird die Kapazität von der Zelle getrennt und mit der zweiten Kapazität („C2") parallel verschaltet, so dass beide Kapaziäten dieselbe Spannung aufweisen. Danach wird die zweite Kapazität getrennt und mit einer Spannung-Messereinrichtung („voltage detecting- circuit") verbunden, um die Spannung zu messen. Da ein Anschluss der zweiten Kapazität mit Massepotential verbunden ist, kann die Spannung der Zelle („El") stabil gemessen werden. A method for operating a battery is known from US Pat. No. 6,157,165, in which switching elements are provided which have a capacitance (see "capacitor 111" in Fig. 1) optionally to individual battery cells of the battery (see "unit batteries 101a to 101c ") in parallel to charge the capacity with the current cell voltage of the accumulator cell. An interconnection with a voltage detector makes it possible to measure the cell voltage, wherein a further capacitor ("capacitor 104") is provided to eliminate voltage fluctuations, namely oscillating portions of the measuring voltage. The patent specification US Pat. No. 7,193,390 B2 discloses a method for operating a battery, in which switching elements are provided, the capacitances (see "capacitors Cl and C2" in FIG. 4) optionally parallel to individual battery cells of the battery (see "battery cells El and E2 ") or to each other. First, the first capacitance ("Cl") is switched in parallel with the first cell ("El") and charged with the cell voltage. Then, the capacitance is disconnected from the cell and connected in parallel with the second capacitance ("C2") so that both capacitors have the same voltage, after which the second capacitance is disconnected and connected to a voltage detecting circuit to measure the voltage. Since a terminal of the second capacitance is connected to ground potential, the voltage of the cell ("El") can be stably measured.
Diese bekannten Verfahren haben den Nachtteil, dass Zusatzbauteile, wie z.B. Kapazitäten, Spulen oder Übertrager, verwendet werden müssen, wodurch sich insbesondere beim Einsatz im Bereich von Hochleistungs-Batterien, ein großer Material- und Kostenaufwand ergeben kann. These known methods have the night part that additional components, such. Capacitors, coils or transformers, must be used, which can result in particular when used in the field of high-performance batteries, a large material and cost.
Die Ladungsausgleichs- Verfahren werden im besonderen Maße auf Batterien für industrielle Traktionsanwendungen (wie Elektro-Mobilität) und stationäre Energiespeicher angewendet, da für diese Batterien sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Sicherheit bestehen. Oftmals laufen Industrieanwendungen im unterbrechungsfreien Dauerbetrieb. Ein definierter Ruhezustand, während dem die Zellen ausbalanciert werden können, ist somit nicht vorhanden. Außerdem tritt bei bestimmten Anwendungen der Fall auf, dass der Ladeschluss oder der Entladezustand nicht erreicht wird. Dies macht die Ladezustandsbestimmung über bilanzierende Verfahren schwierig bis unmöglich, da keine zyklische Rekalibrierung auf den Volllade- oder Leerzustand erfolgen kann. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Batterie der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass die zuvor genannten Nachteile in vorteilhafter Weise überwunden werden. Insbesondere sollen eine Batterie und ein Verfahren zum Betreiben der Batterie vorgeschlagen werden, die einen effektiven und kostengünstigen Ladungsausgleich innerhalb der Zellen-Struktur ermöglichen. The charge balancing methods are particularly applied to batteries for industrial traction applications (such as electric mobility) and stationary energy storage, since these batteries are very high in terms of reliability, durability and safety. Often industrial applications run in uninterruptible continuous operation. A defined resting state, during which the cells can be balanced, is thus not present. In addition, in certain applications, the case occurs that the end of charge or the discharge state is not reached. This makes the state of charge determination via accounting methods difficult to impossible, since no cyclic recalibration can be done on the fully charged or empty state. It is therefore an object of the invention to develop a battery of the type mentioned so that the aforementioned disadvantages are overcome in an advantageous manner. In particular, a battery and a method for operating the battery can be proposed, which allow an effective and cost-effective charge balance within the cell structure.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs. The object is achieved by a battery having the features of claim 1 and by a method for operating such a battery having the features of the independent claim.
Demnach werden in der Batterie Schaltelemente verwendet, die beschaffen sind, Zweiwegeschaltungen zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen herzustellen, wobei jede zweite Akkumulator-Zelle wechselweise entweder zu einer ersten Akkumulator-Zelle innerhalb des Zellen-Strang oder zu einer dazu benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle parallel schaltbar ist, wobei die mittels der Schaltelemente geschalteten zweiten Akkumulator-Zellen miteinander in Reihe zu einem zweiten Zellen- Strang geschaltet, der parallel zu dem ersten Zellen-Strang geschaltet ist. Der zweite Zellen-Strang ist somit als Strang mit vollwertiger Energiespeicher-Funktion ausgebildet. Thus, in the battery switching elements are used which are adapted to produce two-way circuits between the first and second accumulator cells, each second accumulator cell alternately either to a first accumulator cell within the cell strand or to an adjacent other first accumulator Cell is switchable in parallel, wherein the switched by means of the switching elements second accumulator cells connected in series with each other to a second cell strand, which is connected in parallel to the first cell strand. The second cell strand is thus formed as a strand with full energy storage function.
Vorgeschlagen wird auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie, bei der N erste Akkumulator-Zellen miteinander in Reihe zu mindestens einem (ersten) Zellen- Strang (Strang 110) verschaltet werden, und wobei N zweite Akkumulator-Zellen mittels Schaltelementen jeweils parallel schaltbar zu einzelnen der N ersten Akkumulator-Zellen angeordnet werden und einen zweiten Strang (Strang 120) bilden, indem mittels der Schaltelemente Zweiwegeschaltungen zwischen den ersten Zellen des Stranges 110 und den zweiten Zellen des Stranges 120 hergestellt werden, wobei jede zweite Akkumulator- Zelle wechselweise entweder zu einer ersten Akkumulator-Zelle oder zu einer innerhalb des Zellen-Stranges (Strang 110) benachbarten ersten Akkumulator-Zelle parallel geschaltet wird. Dabei werden die mittels der Schaltelemente geschalteten zweiten Akkumulator-Zellen miteinander in Reihe zu einem zweiten Zellen-Strang geschaltet, der parallel zu dem ersten Zellen-Strang geschaltet wird. Durch die Erfindung wird ein Ladungsausgleich (Balancing) erreicht, der ausschließlich mit Hilfe der Akkumulator-Zellen selbst durchgeführt werden kann, in dem die Zellen des einen Stranges (Strang 120) mit den Zellen des anderen Stranges (Strang 110) flexibel verschaltbar sind. Dabei ist jede Zelle des Stranges 120 wechselweise einer bestimmten Zelle des Stranges 110 und einer benachbarten Zelle des Stranges 110 zugeordnet und kann wechselweise zu der einen oder der anderen Zelle parallel geschaltet werden, so dass die wechselnde Parallelschaltung einen Ausgleich von Ladungszuständen zwischen den Zellen des Stranges 110 bewirkt und auch den Strang 120 ausgleicht. Die erfindungsgemäße Batterie weist also zwei oder mehrere gleichwertige Stränge aus jeweils N Zellen auf. Jeder Strang hat dieselbe Zellen- Anzahl und weist jeweils eine vollwertige Energiespeicher-Funktion auf. Die Zellen des zweiten Stranges werden wechselweise um einen Zellenplatz versetzt mit dem mindestens einen ersten Zellen-Strang verschaltet. Es ergibt sich also eine gegenseitiges Balancing, ohne dass zusätzliche Speicherelemente, wie z.B. Kondensatoren oder Spulen, benötigt werden. Die Zellen des Stranges 120 bilden eine vollwertige galvanische Reihe, die parallel zum Strang 110 angeordnet ist und somit voll zur Gesamtkapazität der Batterie beiträgt. Also proposed is a method for operating such a battery, in which N first accumulator cells are connected to one another in series with at least one (first) cell strand (strand 110), and wherein N second accumulator cells are connected in parallel to each other by means of switching elements individual ones of the N first accumulator cells are arranged and form a second strand (strand 120) by making two-way circuits between the first cells of the strand 110 and the second cells of the strand 120 by means of the switching elements, each second accumulator cell alternately either to a first accumulator cell or to a within the cell strand (strand 110) adjacent the first accumulator cell is connected in parallel. In this case, the second accumulator cells connected by means of the switching elements are connected to one another in series with a second cell strand, which is connected in parallel with the first cell strand. By the invention, a charge balancing (balancing) is achieved, which can be performed only with the help of the accumulator cells themselves, in which the cells of one strand (strand 120) with the cells of the other strand (strand 110) are flexibly interconnected. Each cell of the strand 120 is alternately one particular Cell of the strand 110 and an adjacent cell of the strand 110 and may alternately be connected in parallel to one or the other cell in parallel, so that the alternating parallel circuit causes a balance of charge states between the cells of the strand 110 and also balances the strand 120. The battery according to the invention thus has two or more equivalent strands of N cells each. Each strand has the same number of cells and each has a full energy storage function. The cells of the second strand are alternately offset by one cell place connected to the at least one first cell strand. This results in a mutual balancing, without additional memory elements, such as capacitors or coils are needed. The cells of the strand 120 form a full galvanic series, which is arranged parallel to the strand 110 and thus fully contributes to the total capacity of the battery.
Die erfindungsgemäße Batterie ist besonders gut für industrielle Traktionsanwendungen und stationäre Energiespeicher geeignet sein. Dabei soll auch im Dauerbetrieb der Batterie ein Ausbalancieren der Zellen erreicht werden können, wobei gegebenenfalls auch eine Ladezustandsbestimmung über bilanzierende Verfahren angewendet wird. The battery according to the invention is particularly well suited for industrial traction applications and stationary energy storage. In this case, even in continuous operation of the battery, a balancing of the cells can be achieved, where appropriate, a state of charge determination is applied via balancing methods.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Demnach ist es vorteilhaft, wenn die Schaltelemente steuerbar sind bzw. angesteuert werden und wenn in vorgebaren Zeitintervallen fortlaufend die Zweiwegeschaltungen zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen wechselweise so hergestellt werden, dass jede zweite Akkumulator-Zelle in einem ersten Zeitintervall parallel zu der einen ersten Akkumulator-Zelle geschaltet ist und in einem zweiten Zeitintervall parallel zu der benachbarten ersten Akkumulator-Zelle geschaltet ist. Dadurch ergibt sich ein ständiges Hin- und Herschalten was die Zuordnung der Zellen des Stranges 120 zu den Zellen des Stranges 110 betrifft. Von Vorteil ist es auch, wenn zumindest eine Zelle der zweiten Akkumulator-Zellen mit mehreren Schaltelementen verbunden ist, welche beschaffen sind, diese zweite Akkumulator-Zelle zumindest für ein vorgebbares drittes Zeitintervall von Verschattungen mit den ersten und/oder zweiten Akkumulator-Zellen zu trennen und mit einer Messeinrichtung zu verbinden. Dadurch kann diese Zelle zeitweilig für Messzwecke benutzt werden. Insbesondere können Ladungszustand und Kapazität genau ermittelt werden, um das Batterie-Management zu optimieren. Accordingly, it is advantageous if the switching elements are controllable and if the two-way circuits between the first and second accumulator cells are continuously produced alternately at predetermined time intervals such that every second accumulator cell is parallel to the first one in a first time interval Accumulator cell is connected and connected in a second time interval in parallel to the adjacent first accumulator cell. This results in a constant switching back and forth as regards the assignment of the cells of the strand 120 to the cells of the strand 110. It is also advantageous if at least one cell of the second accumulator cells is connected to a plurality of switching elements which are arranged to separate this second accumulator cell from shading with the first and / or second accumulator cells at least for a predeterminable third time interval and with one Connecting measuring device. This allows this cell to be used temporarily for measurement purposes. In particular, charge state and capacity can be accurately determined to optimize battery management.
Bei dem Verfahren zum Betreiben der Batterie werden vorzugsweise die Schaltelemente insbesondere durch eine Prozessor-gesteuerte Einheit angesteuert, wobei in vorgebaren Zeitintervallen, insbesondere gleichlangen Zeitintervallen, fortlaufend die Zweiwegeschaltungen zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen wechselweise so hergestellt werden, dass jede zweite Akkumulator-Zelle (im Strang 120) in einem ersten Zeitintervall parallel zu der einen ersten Akkumulator-Zelle (im Strang 110) geschaltet wird und in einem zweiten Zeitintervall parallel zu der benachbarten ersten Akkumulator- Zelle (im Strang 110) geschaltet wird. Dabei werden die zweiten Akkumulator-Zellen miteinander in Reihe zu einem zweiten Zellen-Strang (Strang 120) geschaltet, der parallel zu dem ersten Zellen-Strang (Strang 110) geschaltet wird. In the method for operating the battery, the switching elements are preferably controlled in particular by a processor-controlled unit, wherein at predetermined time intervals, in particular equally long time intervals, the two-way circuits between the first and second accumulator cells are produced alternately so that every second accumulator Cell (in strand 120) in a first time interval in parallel with the first accumulator cell (in the strand 110) is switched and in a second time interval in parallel with the adjacent first accumulator cell (in the strand 110) is switched. In this case, the second accumulator cells are connected to each other in series with a second cell strand (strand 120), which is connected in parallel to the first cell strand (strand 110).
Nachfolgend wird die Erfindung näher im Detail anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen wird, die folgende schematische Darstellungen wiedergeben: In the following, the invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments, reference being made to the enclosed figures, which reproduce the following schematic representations:
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau bzw. die Struktur einer erfindungsgemäßen Fig. 1 shows the schematic structure and the structure of an inventive
Batterie;  Battery;
Fig. 2a zeigt die Batterie nach Fig. 1 in einem ersten Schaltzustand;  FIG. 2a shows the battery according to FIG. 1 in a first switching state; FIG.
Fig. 2b zeigt die Batterie nach Fig. 1 in einem zweiten Schaltzustand; FIG. 2b shows the battery according to FIG. 1 in a second switching state; FIG.
Fig. 2c zeigt zu Fig. 2a/b schematisch ein Zeitdiagramm mit den wechselnden Fig. 2c shows to Fig. 2a / b schematically a timing diagram with the changing
Schaltzuständen;  Switching states;
Fig. 3 zeigt die Batterie nach Fig. 1 im Zustand während eines Messintervalls; und Fig. 4 zeigt zur Fig. 3 schematisch ein Zeitdiagramm mit den wechselnden  FIG. 3 shows the battery according to FIG. 1 in the state during a measuring interval; FIG. and FIG. 4 shows schematically a time diagram with the changing FIG
Schaltzuständen.  Switching states.
Die Fig. 1 zeigt die Struktur einer erfindungsgemäßen Batterie 100 mit einem ersten Strang 110 (festgelegte Reihenschaltung), der aus mehreren in Reihe geschalteten ersten Akkumulator-Zellen 111, 112, 113 und 114 besteht. Beispielhaft sind hier nur N = 4 Zellen hintereinander geschaltet und bilden ein erste galvanische Reihe mit der N-fachen Zellen- Spannung. Schaltet man beispielsweise mindestens N = 100 Lithium-Ionen-Zellen in Reihe können von mehr als 300 Volt erreicht werden, so wie dies bei Batterien für Elektrofahrzeuge erforderlich ist. Es können auch mehrere solcher Reihen (Stränge) parallel geschaltet werden. Die Zellspannungen innerhalb eines solchen Stranges können durchaus voneinander (z.B. um mehrere 100 Millivolt) abweichen und es kann sich ein Ladungs-Ungleichgewicht ergeben. Fig. 1 shows the structure of a battery 100 according to the invention with a first strand 110 (fixed series circuit), which consists of a plurality of serially connected first accumulator cells 111, 112, 113 and 114. By way of example, only N = 4 cells are connected in series here and form a first galvanic series with N times the number of cells. Tension. If, for example, you switch at least N = 100 lithium-ion cells in series can be reached by more than 300 volts, as is required for batteries for electric vehicles. It is also possible to connect several such rows (strands) in parallel. The cell voltages within such a strand may well differ from each other (eg by several hundred millivolts) and there may be a charge imbalance.
Zum Ladungsausleich (Balancing) werden nun (N=4) Zellen 121, 122, 123 und 124 verwendet, die mittels (N+2) Schaltelementen 131, 132, 133, 133' sowie 134 und 134' zugeschaltet werden und einen weiteren Strang 120 ausbilden, der im Prinzip dieselbe galvanische Reihe wie der Strang 110 darstellt und somit auch zur Gesamtkapazität der Batterie beiträgt. Der Ladungsausgleich erfolgt mit Hilfe dieser zweiten Zellen 121 bis 124; besondere Ausgleichsmittel und zusätzliche Bauteile, wie z.B. Kondensatoren, Spulen etc. sind nicht erforderlich. Der Ladungsausgleich erfolgt im Wesentlichen durch eine wechselweise sich ändernde Verschaltung der zweiten Zellen (Strang 120) mit den ersten Zellen (Strang 110) gemäß dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren. Dabei ist zu beachten, dass im Strang 120 zunächst N-l Zellen in Reihe geschaltet sind (hier die Zellen 121 bis 123) und dass die weitere Zelle 124 über die ihr zugeordneten Schaltelemente 134 bzw. 134' an das eine Ende (oben vor die Zelle 121) oder an das untere Ende (hinter die Zelle 123) geschaltet werden kann. Durch die weiteren Schaltelemente 131 bis 133 und eines der besagten Schaltelemente 134 oder 134' können dann alle Zellen 121 bis 124 des Stranges 120 parallel zu den Zellen des Stranges 110 geschaltet werden. Das Prinzip der wechselweisen Verschaltung und das danach arbeitende Verfahren zum Betreiben der Batterie werden nun eingehender beschrieben, wobei auch auf die Figuren 2a und 2b sowie 2c Bezug genommen wird. Anhand der Figuren 3 und 4 wird nachfolgend auch beschrieben, wie mit der erfindungsgemäßen Batterie-Struktur eine Bestimmung des Ladezustandes der Batterie durchgeführt werden kann. Die Erfindung ermöglicht also sowohl ein Balancing im laufenden Betrieb als auch eine genaue Bestimmung des Ladezustands. Nach dem hier vorgestellten und in Fig. 1 veranschaulichten Schaltungsprinzip ist die Batterie 100 aus mehreren Einzel-Zellen 111-114 und 121-124 in Reihen-Parallelschaltung aufgebaut. Die Batterie ist in einen Strang 110 mit den ersten Zellen 111-114 (festgelegte Reihenfolge) und einen Strang 120 mit den zusätzlichen (zweiten) Zellen 121-124 (wechselnde Verschattung) unterteilt. Der Strang 120 ist mit dem Strang 110 durch Schaltelemente 131-133 sowie 134 und 134', wie in Fig. 1 dargestellt, verbunden. Es können auch mehrere Stränge parallelgeschaltet werden, um die Kapazität der Batterie 100 zu erhöhen. Als Schaltelemente können jede Art von Schaltern verwendet werden, vorzugsweise Halbleiter- Schaltelemente, wie z.B. MOSFETs oder mechanische Schalter, wie z.B. Relais. Jedes Schaltelement bzw. jede Zweiergruppe von Schaltelementen kann nach Art eines Zweiwege-Schalters zwischen den beiden Schaltzuständen A und B hin- und herschalten. Dies wird in der Fig. 1 symbolisch durch die Einzel-Schalter A und B veranschaulicht. Durch ein phasenversetztes Schalten der Schalterelemente (z.B. 131) in den Zustand A oder B wird der Strang 110 in einer ersten Phase (siehe Zeitintervall TA in Fig. 2c) mit den Zellen des Stranges 120 in einer ersten Lage (siehe Schalterstellungen A in Fig. 2a) verschaltet, so dass die Zelle 121 parallel zur Zelle 111 geschaltet ist und die Zelle 122 parallel zur Zelle 1 12 usw.. Demnach befindet sich der Strang 120 in Parallelschaltung so zum Strang 110, dass die Reihenfolge der Zellen in beiden Strängen dieselbe ist und mit 111 bzw. 121 beginnt. Dabei gleichen sich die Ladungszustände zwischen den jeweils parallel geschalteten Zellen (z.B. 111 und 121) aneinander an. Der Strang 120 entspricht also dem Ersatzschaltbild 120' nach Fig. 2a. Dann wird in einer zweiten Phase (siehe Zeitintervall TB in Fig. 2c) die Lage der Zellen des Stranges 120 in eine zweite Lage versetzt (siehe Schalterstellungen B in Fig. 2b), so dass nun die Zelle 121 parallel zur Zelle 112 geschaltet ist und die Zelle 122 parallel zur Zelle 113 usw. Zu beachten ist, dass die Zelle 124 nun parallel zur Zelle 111 geschaltet ist. Somit befindet sich der Strang 120 jetzt in einer zum Strang 110 versetzten Parallelschaltung, nämlich in einer um eine Position nach unten versetzten Lage. Die Reihenfolge der Zellen im Strang 110 beginnt mit der Zelle 111; die Reihenfolge im Strang 120 beginnt jedoch mit der Zelle 124 und geht dann weiter mit 121, 123 und 123 (siehe Fig. 2b). Somit wurde der Strang 120 um eine Position nach unten verschoben. Der Strang 120 entspricht also dem Ersatzschaltbild 120" nach Fig. 2b. Es gleichen sich nun die Ladungszustände zwischen den jetzt parallel zueinander geschalteten Zellen an, also z.B. der Ladungszustand der Zelle 111 zu dem der Zelle 124. Dadurch findet ein Ladungstransfer zu den jeweils benachbarten Zellen des Stranges 110 statt. Gleiches gilt für den Strang 120. Der Ladungstransfer führt letztendlich zum vollständigen Ausgleich aller Zellenladungen. For charge balancing, now (N = 4) cells 121, 122, 123 and 124 are used, which are connected by means of (N + 2) switching elements 131, 132, 133, 133 'as well as 134 and 134' and another strand 120 form, in principle, the same galvanic series as the strand 110 and thus also contributes to the total capacity of the battery. The charge equalization takes place with the aid of these second cells 121 to 124; special compensating means and additional components, such as capacitors, coils, etc. are not required. The charge equalization takes place essentially by an alternately changing interconnection of the second cells (strand 120) with the first cells (strand 110) according to the method described in more detail below. It should be noted that in the strand 120 first Nl cells are connected in series (here, the cells 121 to 123) and that the other cell 124 via its associated switching elements 134 and 134 'to one end (above the cell 121 ) or to the lower end (behind cell 123). By means of the further switching elements 131 to 133 and one of the said switching elements 134 or 134 ', all the cells 121 to 124 of the strand 120 can then be connected in parallel to the cells of the strand 110. The principle of the mutual interconnection and the method for operating the battery operating thereafter will now be described in more detail, wherein reference is also made to FIGS. 2a and 2b and 2c. With reference to Figures 3 and 4 will also be described below, as with the battery structure of the invention, a determination of the state of charge of the battery can be performed. Thus, the invention allows both a balancing during operation and an accurate determination of the state of charge. According to the circuit principle presented here and illustrated in FIG. 1, the battery 100 is constructed from a plurality of individual cells 111-114 and 121-124 in series-parallel connection. The battery is divided into a strand 110 with the first cells 111-114 (fixed order) and a strand 120 with the additional (second) cells 121-124 (alternating shading). The strand 120 is connected to the strand 110 by switching elements 131-133 and 134 and 134 'as shown in FIG. Multiple strings may also be connected in parallel to increase the capacity of the battery 100. As switching elements, any type of switches can be used, preferably semiconductor switching elements, such as MOSFETs or mechanical switches, such as relays. Each switching element or each group of two switching elements can switch back and forth between the two switching states A and B in the manner of a two-way switch. This is symbolically illustrated in FIG. 1 by the individual switches A and B. By a phase-shifted switching of the switch elements (eg 131) in the state A or B, the strand 110 in a first phase (see time interval TA in Fig. 2c) with the cells of the strand 120 in a first position (see switch positions A in FIG. 2a), so that the cell 121 is connected in parallel to the cell 111 and the cell 122 is parallel to the cell 11, etc. Accordingly, the string 120 is connected in parallel to the string 110 so that the order of the cells in both strings is the same and starts with 111 and 121, respectively. In this case, the charge states between the cells connected in parallel (eg 111 and 121) are equal to each other. The strand 120 thus corresponds to the equivalent circuit diagram 120 'according to FIG. 2a. Then, in a second phase (see time interval TB in FIG. 2 c), the position of the cells of the strand 120 is shifted to a second position (see switch positions B in FIG. 2 b), so that cell 121 is now connected in parallel to cell 112 and cell 122 is parallel to cell 113, etc. Note that cell 124 is now connected in parallel to cell 111. Thus, the strand 120 is now in a parallel to the strand 110 parallel circuit, namely in a position offset by a position down. The order of cells in strand 110 begins with cell 111; however, the order in thread 120 begins with cell 124 and then proceeds to 121, 123 and 123 (see Fig. 2b). Thus, the strand 120 was shifted down by one position. The strand 120 thus corresponds to the equivalent circuit diagram 120 "according to Fig. 2b, and the charge states between the cells now connected in parallel to one another, ie the state of charge of the cell 111 to that of the cell 124, are now equalized by charge transfer to the respectively adjacent cells of the cell Stranges 110. The same applies to strand 120. The charge transfer ultimately leads to complete compensation of all cell charges.
Folglich kann der Ladungsausgleich nach dem Ladungspumpen-Prinzip durchgeführt werden, ohne zusätzliche Energie-Speicherelemente (Kondensatoren, Spulen) einsetzen zu müssen. Denn der Ladungsausgleich erfolgt mit den Batterie-Zellen selbst. Demnach bleibt bei Anwendung der Erfindung eine Batterie mit lOOAh im Prinzip eine lOOAh-Batterie; allerdings mit dem wesentlichen Unterschied, dass der erfindungsgemäße Batterie- Aufbau gegenüber einem konventionellen Aufbau, intern in 2 Stränge unterteilt wurde und dass keine zusätzlichen Ladungs- bzw. Energiespeicher (Kondensatoren, Spulen) für den verlustfreuen Ladungsausgleich benötigt werden. Consequently, the charge balance can be carried out according to the charge pump principle, without having to use additional energy storage elements (capacitors, coils). Because the charge equalization takes place with the battery cells themselves. Accordingly, when using the invention, a battery with lOOAh in principle remains a 100Ah battery; However, with the essential difference that the battery structure according to the invention compared to a conventional structure, was internally divided into 2 strands and that no additional charge or energy storage (capacitors, coils) are needed for the loss-free charge equalization.
Betrachtet man das Struktur-Schema der Batterie in Fig. 1, so befindet sich in der Reihenschaltung des Stranges 120 zunächst eine Zelle weniger (N-1 Zellen auf der rechten Seite 121-123) als im Strang 1 10 (N=4 Zellen 111-114). Die N-1 Zellen des Stranges 120 sind entweder parallel zum Anfang oder zum Ende des Stranges 110 geschaltet (siehe Schalterstellung A oder B). Das bedeutet, dass ohne zusätzliche Maßnahmen die untersten bzw. obersten Zellen des Stranges 110 stärker strombelastet werden als die übrigen. Um diese Asymmetrie auszugleichen, wird im Strang 120 eine weitere Zelle 124 hinzu geschaltet als parallele oberste Zelle (siehe Fig. 2b) bzw. als unterste Zelle (siehe Fig. 2a). If the structure scheme of the battery in FIG. 1 is considered, then in the series connection of the strand 120 there is first one cell less (N-1 cells on the right side 121-123) than in the strand 110 (N = 4 cells 111) -114). The N-1 cells of the strand 120 are connected either parallel to the beginning or end of the strand 110 (see switch position A or B). This means that without additional measures, the lowermost or uppermost cells of the strand 110 are more current-charged than the others. In order to compensate for this asymmetry, a further cell 124 is added in line 120 as a parallel uppermost cell (see FIG. 2b) or as the lowest cell (see FIG. 2a).
Mit anderen Worten: Durch Lagenversatz der Reihenschaltung der N-1 Zellen 121-123 besteht am oberen oder am unteren Ende ein Platz für das Hinzuschalten der N-ten Zelle 124. Somit entsteht dann immer ein vollwertiger Strang 120 bzw. 120' oder 120" (siehe Fig. 2a und 2b), der parallel zum Strang 110 geschaltet ist. In other words, by positional offset of the series connection of the N-1 cells 121-123, there is a space at the top or at the bottom for the addition of the Nth cell 124. Thus, a full-value string 120 or 120 'or 120 "always results. (see FIGS. 2a and 2b), which is connected in parallel to the strand 110.
Alle Batterie-Zellen sind somit gleich belastet. Die gezeigte Batteriestruktur (siehe Fig. 1 sowie Fig. 2a bzw. 2b) bestehend aus einer Kombination von mindestens einem Strang 110 mit einem weiteren Strang 120 bzw. 120' oder 120" (incl. der Hilfszelle 124) ist quasi mit einer symmetrischen Reihen-Parallelschaltung (N Zellen in Serie jeweils zu einem Strang; P Stränge parallel) identisch. All battery cells are thus charged equally. The battery structure shown (see Fig. 1 and Fig. 2a and 2b) consisting of a combination of at least one strand 110 with another strand 120 or 120 'or 120 "(including the auxiliary cell 124) is quasi with a symmetrical series-parallel connection (N cells in series each to one strand, P strands parallel) identical.
Das Verfahren des wechselnden Zuschaltens der Zellen 121-124 weist u.a. den besonderen Vorteil auf, dass ein Ladungsausgleich bei jedem Betriebszustand der Batterie (Laden, Entladen, Ruhe und Vollast) durchf hrbar ist. Die Überschussenergie einzelner Zellen wird - ohne Zwischenspeicherung - auf andere Zellen umverteilt und nicht in Wärme umgesetzt. Das hier vorgeschlagene Balancing- Verfahren ist quasi verlustfrei. Ein Überladen einzelner Zellen ist bei dem Verfahren prinzipiell nicht möglich. Die Batterie und ihre Schaltungsanordnung hat im Strang 110 keine Schaltelemente (MOSFETs, Relais) in Reihe, wodurch ein minimaler Innenwiderstand erreicht wird. The method of alternately connecting the cells 121-124 includes i.a. the particular advantage that a charge balance in each operating condition of the battery (charging, discharging, rest and full load) is feasible. The excess energy of individual cells is - without intermediate storage - redistributed to other cells and not converted into heat. The here proposed balancing method is virtually lossless. Overloading of individual cells is in principle not possible with the method. The battery and its circuitry in string 110 has no switching elements (MOSFETs, relays) in series, thereby achieving minimum internal resistance.
Die Schaltelemente 131-134/134' und ggf. die Steuerung (nicht dargestellt) werden hier auch als„Balancer" bezeichnet und können in die Batterie ganz oder teilweise integriert werden oder können auch separat ausgeführt werden. Der Balancer kann bei entsprechender mechanischer Auslegung im laufenden Betrieb gewechselt bzw. in Stand gesetzt werden. Die Balancer-Schaltung enthält keine induktiven Bauelemente zur Energieübertragung, sondern nutzt die Batterie-Zellen selbst dafür (Doppelnutzen). Die Schaltung weist sehr gute EMV-Eigenschaften da prinzipbedingt eine niedrige Schaltfrequenz z.B. im Hertz-Bereich angewendet werden kann und so steile Stromspitzen vermieden werden. The switching elements 131-134 / 134 'and optionally the controller (not shown) are also referred to herein as "balancers" and can be fully or partially integrated into the battery or can also be designed separately The balancer circuit contains no inductive components for energy transfer, but uses the battery cells for this purpose (double benefit) .The circuit has very good EMC properties because of the inherent low switching frequency, eg in the hertz state. Range can be applied and so steep current peaks are avoided.
Das hier beschriebene Balancing- Verfahren entlastet prinzipbedingt schwächere Zellen. Der Gesamtenergiegehalt der Reihen-Parallelschaltung der Zellen wird durch das Schaltungsprinzip komplett ausgenutzt. The balancing method described here relieves weaker cells due to the principle. The total energy content of the series-parallel connection of the cells is fully exploited by the circuit principle.
Im Stand der Technik bestimmt die Kapazität der schwächsten Zelle die Gesamtkapazität der Batterie. Das ist bei der vorliegenden Erfindung nicht der Fall. Hieraus ergeben sich weitere Vorteile:  In the prior art, the capacity of the weakest cell determines the total capacity of the battery. This is not the case with the present invention. This results in further advantages:
- Die Einzelzellen der Batterie brauchen vor dem Zusammenbau nicht zwingend klassifiziert und sortiert zu werden, um die maximale Pack-Kapazität zu erreichen. - The individual cells of the battery need not necessarily be classified and sorted prior to assembly in order to achieve the maximum pack capacity.
- Die Gesamtlebensdauer der Batterie steigt aufgrund der Entlastung schwächerer Zellen Zusätzlich zu der Balancing-Funktion, kann die Erfindung auch aufgrund der Schaltungstopologie ohne weiteren Schaltungsaufwand dazu eingesetzt werden, den genauen Ladezustand der Batterie im laufenden Betrieb zu ermitteln werden. Dies erlaubt eine Rekalibrierung der Strombilanz-Messung und wird im Folgenden anhand der Figuren 3 und 4 im Detail beschrieben: - The overall life of the battery increases due to the relief of weaker cells In addition to the balancing function, the invention can also be used due to the circuit topology without further circuitry to determine the exact state of charge of the battery during operation. This allows a recalibration of the current balance measurement and will be described in detail below with reference to FIGS. 3 and 4:
Die Fig. 3 zeigt die Batterie nach Fig. 1 in einem Zustand, bei dem die Zelle 124 von dem Strang 120 abgetrennt und separat an eine Messeinrichtung M angeschlossen ist. Dieser Zustand wird im laufendem Betrieb der Batterie während eines Messintervalls TO (siehe Fig. 4) eingenommen, wobei die Schalterstellungen A' und B' während des Messintervalls TO nicht mit den Schalterstellungen A und B korrespondieren. Die Zelle 124 dient dabei als Referenzzelle für eine Messung zur Bestimmung von Batterie-Zustandsgrößen. FIG. 3 shows the battery according to FIG. 1 in a state in which the cell 124 is separated from the strand 120 and separately connected to a measuring device M. This state is assumed during the operation of the battery during a measuring interval TO (see FIG. 4), wherein the switch positions A 'and B' do not correspond to the switch positions A and B during the measuring interval TO. The cell 124 serves as a reference cell for a measurement for determining battery state variables.
Denn der zuverlässige Betrieb von Batteriesystemen setzt eine genaue Kenntnis des Zustandes des eingesetzten Batterie-Systems voraus. Sowohl der aktuelle Ladezustand (noch entnehmbare Ladungsmenge) als auch der Alterungszustand (Kapatitätsverlust bzw. Innenwiderstandsveränderung) geben Auskunft über die Betriebsbereitschaft und die Einsatzfähigkeit eines Batterie-Systems. Während die Messung der Batterie-Zustandsgrößen im Labor unter definierten Bedingungen wenig Problemen darstellt, stößt die Bestimmung bei laufendem Betrieb dagegen auf erhebliche Schwierigkeiten. Eine Unterbrechung des Betriebs zur Messung z.B. der Kapazität ist bei den meisten Anwendungen nicht zulässig bzw. möglich. Im Stand der Technik wird der Ladezustand im laufendem Betrieb entweder durch Ladebilanzierung ermittelt, wobei in gewissen Zeitabständen eine Rekalibierung erfolgen muss, damit der Wert nicht wegläuft, oder es wird mit Hilfe eines Batteriemodells anhand der Klemmenspannung die Ruhespannung geschätzt und über die Ruhespannungskennlinie auf den Ladezustand geschlossen. Beide Verfahren erlauben jedoch keine exakte Bestimmung des Ladezustandes und können zu erheblichen Unsicherheiten und stark schwankenden Ergebnissen führen. Bei LiFePO-Zellen z.B. ist die Ladezustandsschätzung aufgrund der Flachen U-Q-Kennlinie im mittleren Bereich äußerst ungenau. Das hier nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Mess-Verfahren zeigt diese Mängel nicht. Die Ausgleichszelle 124 (siehe Fig. 3), die im Normalbetrieb zum Ladungsausgleich zwischen oberster und unterster Zelle einer Reihenschaltung dient (vergl. Fig. 1 sowie Fig. 2a/b), wird nun auch zur Bestimmung der Zellenkenngrößen genutzt. Durch Öffnen von mindestens 3 der 4 Schalter der Zelle 124 (siehe Fig. 3) wird diese von der Batterie für eine bestimmte Zeitdauer abgekoppelt (siehe in Fig. 4 die dargestellten Schalterzustände A' und B' im Zeitintervall TO während der Abkopplung der Zelle 124). Because the reliable operation of battery systems requires accurate knowledge of the condition of the battery system used. Both the current state of charge (still removable amount of charge) and the state of aging (loss of capacity or change in internal resistance) provide information about the operational readiness and operational capability of a battery system. While the measurement of the battery state variables in the laboratory under defined conditions poses few problems, the determination during operation encounters considerable difficulties. An interruption of the operation for measuring, for example, the capacity is not permitted or possible in most applications. In the prior art, the state of charge during operation is determined either by charge balance, at certain intervals must be recalibrated so that the value does not run away, or it is estimated using a battery model based on the terminal voltage, the open circuit voltage and the sleep voltage characteristic to the state of charge closed. However, both methods do not allow an exact determination of the state of charge and can lead to considerable uncertainties and highly fluctuating results. For LiFePO cells, for example, the charge state estimation is extremely inaccurate due to the flat UQ characteristic in the middle range. The measuring method according to the invention described below does not show these deficiencies. The compensation cell 124 (see FIG. 3), which serves for charge equalization between top and bottom cells of a series connection in normal operation (compare FIG. 1 and FIG. 2 a / b), is now also used to determine the cell characteristics. By opening at least 3 of the 4 switches of the cell 124 (see FIG. 3), it is decoupled from the battery for a certain period of time (see in FIG. 4 the illustrated switch states A 'and B' in the time interval T0 during the decoupling of the cell 124 ).
Die Kenngrößen können somit ohne zusätzliche Hilfsmittel z.B. durch einfache Ruhespannungs-Messung zur SOC-Bestimmung (State of Charge; Ladezustand) ermittelt werden. Dies kann auch mit Hilfsmitteln (Stromsenke zur Entladung, Quelle zur Ladung für SOC-, Kapazitäts- und Innenwiderstands-Bestimmung) durchgeführt werden. Während der Messung an der Zelle 124 kann die Gesamtbatterie weiterhin betrieben werden. Die durch zeitweise (Intervall TO) Abkopplung der Zelle 124 entstandene Asymmetrie wird durch das stetig laufende Balancing mit den übrigen Zellen 121-123 bereits ausgeglichen. Nach erfolgter Messung wird die Zelle 124 wieder in den Balancing-Prozess eingekoppelt. Mit dem Messergebnis des SOC der Zelle 124 kann dann der SOC der Gesamtbatterie unter Berücksichtigung der Ladungsbilanz zuverlässig rekalibriert werden. Damit wird eine Methode zur präzisen Bestimmung des Ladezustandes und des Alterungszustandes eines Batteriemoduls während des Betriebs bereit gestellt. The parameters can thus be used without additional aids, e.g. be determined by simple rest voltage measurement for SOC determination (state of charge). This can also be done with auxiliaries (discharge current sink, charging source for SOC, capacitance and internal resistance determination). During measurement on the cell 124, the entire battery may continue to operate. The asymmetry caused by temporary decoupling of the cell 124 is already compensated by the continuous balancing with the remaining cells 121-123. After the measurement, the cell 124 is coupled back into the balancing process. With the measurement result of the SOC of the cell 124, the SOC of the whole battery can be reliably recalibrated taking into account the charge balance. This provides a method for the precise determination of the state of charge and the state of aging of a battery module during operation.
Die Erfindung ist auf alle Arten von Batterie-Zellen und Modulen anwendbar, insbesondere auf solche, die in Hochleistungs-Batterien zum Einsatz kommen. The invention is applicable to all types of battery cells and modules, especially those used in high power batteries.
Die Erfindung ist daher besonders für den Aufbau und Betrieb von Hochleistungs- Batterien geeignet. The invention is therefore particularly suitable for the construction and operation of high-performance batteries.

Claims

Patentansprüche 1. Batterie (100) mit mehreren Akkumulator-Zellen, von denen N erste Akkumulator- Zellen (111 ... 114) miteinander in Reihe zu mindestens einem Zellen-Strang (110) verschaltet sind, wobei N zweite Akkumulator-Zellen (121 ... 124) mittels  1. Battery (100) with a plurality of accumulator cells, of which N first accumulator cells (111 ... 114) are interconnected in series with each other to at least one cell strand (110), wherein N second accumulator cells (121 ... 124) by means of
Schaltelementen (131 ... 133, 134, 134') jeweils parallel schaltbar zu einzelnen der N ersten Akkumulator-Zellen (111 ... 114) angeordnet sind,  Switching elements (131 ... 133, 134, 134 ') are each arranged in parallel switchable to each of the N first accumulator cells (111 ... 114),
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') beschaffen sind, Zwei wegeschaltungen (A, B) zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen herzustellen, wobei jede zweite Akkumulator-Zelle (121) wechselweise entweder zu einer ersten Akkumulator-Zelle (111) innerhalb des Zellen-Strangs (110) oder zu einer dazu benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle (112) parallel schaltbar ist, und dass die mittels der Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') geschalteten zweiten Akkumulator-Zellen (121 ... 124) miteinander in Reihe zu einem zweiten Zellen- Strang (120, 120', 120") geschaltet sind, der parallel zu dem ersten Zellen-Strang (110) geschaltet ist.  the switching elements (131 ... 133, 134, 134 ') are arranged to produce two path circuits (A, B) between the first and second accumulator cells, each second accumulator cell (121) being alternately connected either to a first accumulator cell. Cell (111) within the cell strand (110) or to a neighboring other first accumulator cell (112) is connected in parallel, and that the means of the switching elements (131 ... 133, 134, 134 ') connected to the second accumulator Cells (121 ... 124) are connected in series with each other to a second cell string (120, 120 ', 120 ") connected in parallel with the first cell string (110).
2. Batterie (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') steuerbar sind und in vorgebaren Zeitintervallen (TA, TB) fortlaufend die Zweiwegeschaltungen (A, B) zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen wechselweise so herzustellen, dass jede zweite Akkumulator- Zelle (121) in einem ersten Zeitintervall (TA) parallel zu der einen ersten 2. Battery (100) according to claim 1, characterized in that the switching elements (131 ... 133, 134, 134 ') are controllable and at predetermined time intervals (TA, TB) continuously the Zweiweggeschaltungen (A, B) between the first and second accumulator cells alternately so that each second accumulator cell (121) in a first time interval (TA) parallel to the one first
Akkumulator-Zelle (111) geschaltet ist und in einem zweiten Zeitintervall (TB) parallel zu der benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle (112) geschaltet ist.  Accumulator cell (111) is connected and in a second time interval (TB) in parallel with the adjacent other first accumulator cell (112) is connected.
3. Batterie (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine (124) der zweiten Akkumulator-Zellen (121 ... 124) mit mehreren Schaltelementen (134, 134') verbunden ist, die beschaffen sind, diese zweite Akkumulator-Zelle (124) zumindest für ein vorgebbares drittes Zeitintervall (TO) von Verschaltungen mit den ersten und/oder zweiten Akkumulator-Zellen zu trennen und mit einer Messeinrichtung (M) zu verbinden. 3. Battery (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one (124) of the second accumulator cells (121 ... 124) is connected to a plurality of switching elements (134, 134 ') which are arranged, these second accumulator cell (124) at least for a predeterminable third time interval (TO) of interconnections with the first and / or second accumulator cells disconnect and connect with a measuring device (M).
Verfahren zum Betreiben einer Batterie (100) mit mehreren Akkumulator-Zellen, von denen N erste Akkumulator-Zellen (111 ... 114) miteinander in Reihe zu mindestens einem Zellen-Strang (110) verschaltet werden, wobei N zweite Akkumulator-Zellen (121 ... 124) mittels Schaltelementen (131 ... 133, 134, 134') jeweils parallel schaltbar zu einzelnen der N ersten Akkumulator-Zellen (111 ... 114) angeordnet werden, A method of operating a battery (100) having a plurality of accumulator cells, of which N first accumulator cells (111 ... 114) are connected to one another in series with at least one cell string (110), wherein N second accumulator cells (110) 121 ... 124) by means of switching elements (131 ... 133, 134, 134 ') each in parallel switchable to each of the N first accumulator cells (111 ... 114) are arranged,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
mittels der Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') Zweiwegeschaltungen (A, B) zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen hergestellt werden, wobei jede zweite Akkumulator-Zelle (121) wechselweise entweder zu einer ersten Akkumulator-Zelle (111) innerhalb des Zellen-Strang (110) oder zu einer dazu benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle (112) parallel geschaltet wird, und dass die mittels der Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') geschalteten zweiten Akkumulator-Zellen (121 ... 124) miteinander in Reihe zu einem zweiten Zellen- Strang (120, 120', 120") geschaltet werden, der parallel zu dem ersten Zellen- Strang (110) geschaltet wird. two-way circuits (A, B) between the first and second accumulator cells are produced by means of the switching elements (131 ... 133, 134, 134 '), wherein each second accumulator cell (121) alternately either to a first accumulator cell ( 111) is connected in parallel within the cell string (110) or to another adjacent first accumulator cell (112), and that the second accumulator cells connected by means of the switching elements (131 ... 133, 134, 134 ') (121 ... 124) are connected in series with each other to a second cell string (120, 120 ', 120 ") connected in parallel with the first cell string (110).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (131 ... 133, 134, 134') gesteuert werden, insbesondere durch eine Prozessor-gesteuerte Einheit, wobei in vorgebaren ersten und zweiten Zeitintervallen (TA, TB) fortlaufend die Zweiwegeschaltungen (A, B) zwischen den ersten und zweiten Akkumulator-Zellen wechselweise so hergestellt werden, dass jede zweite A method according to claim 4, characterized in that the switching elements (131 ... 133, 134, 134 ') are controlled, in particular by a processor-controlled unit, wherein in predetermined first and second time intervals (TA, TB) continuously the two-way circuits ( A, B) between the first and second accumulator cells are alternately made so that every other
Akkumulator-Zelle (121) in einem ersten Zeitintervall (TA) parallel zu der einen ersten Akkumulator-Zelle (111) geschaltet wird und in einem zweiten Zeitintervall (TB) parallel zu der benachbarten anderen ersten Akkumulator-Zelle (112) geschaltet wird. Accumulator cell (121) in a first time interval (TA) in parallel with the first accumulator cell (111) is switched and in a second time interval (TB) in parallel with the adjacent other first accumulator cell (112) is switched.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine (124) der zweiten Akkumulator-Zellen (121 ... 124) mit mehreren Schaltelementen (134, 134') verbunden wird, die beschaffen sind, diese zweite Akkumulator-Zelle (124) zumindest für ein vorgebbares drittes Zeitintervall (TO) von Verschaltungen mit den ersten und/oder zweiten Akkumulator-Zellen zu trennen und mit einer Messeinrichtung (M) zu verbinden. Method according to one of claims 4 or 5, characterized in that at least one (124) of the second accumulator cells (121 ... 124) is connected to a plurality of switching elements (134, 134 ') which are arranged to supply this second accumulator Cell (124) at least for a predefinable third time interval (TO) disconnect from interconnections with the first and / or second accumulator cells and connect to a measuring device (M).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebaren ersten und zweiten Zeitintervalle (TA, TB) gleichlang sind, insbesondere zwischen 0,1 Sekunden und 120 Sekunden lang sind. 7. The method according to any one of claims 4 to 6, characterized in that the vorgebaren first and second time intervals (TA, TB) are the same length, in particular between 0.1 seconds and 120 seconds long.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgebare dritte Zeitinterval (TO) länger als die ersten und zweiten Zeitintervalle (TA, TB) ist, insbesondere bis 5 Stunden lang ist. 8. The method according to any one of claims 4 to 7, characterized in that the vorgebare third time interval (TO) is longer than the first and second time intervals (TA, TB), in particular up to 5 hours long.
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