WO2006003080A2

WO2006003080A2 - Batteriepack

Info

Publication number: WO2006003080A2
Application number: PCT/EP2005/052720
Authority: WO
Inventors: Hans-Joachim Baur; Steffen Katzenberger
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2006-01-12
Also published as: DE102004032535A1; WO2006003080A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriepack mit mehreren, wiederaufladbaren Einzelzellen, die parallel zueinander geschaltet sind. Es ist vorgesehen, dass die Einzelzellen (2) derart ausgebildet oder gewählt sind, dass ihr Innenwiderstand (Ri) mit abnehmendem Ladezustand (Lz) ansteigt.

Description

Batteriepack

Die Erfindung betrifft ein Batteriepack mit mehreren, wiederaufladbaren Einzelzellen, die parallel zueinander geschaltet sind.

Es ist bekannt, Einzelzellen in sogenannten Batteriepacks zusammenzufassen. Hierunter sind Anordnungen von zusammengeschalteten Einzelzellen zu verstehen, die einen Verbund bilden und beispielsweise im mobilen Bereich, unter anderem in der Kraftfahrzeugtechnik, elektrische Energie zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern zur Verfügung stellen. Die Zusammenschaltung der Einzelzellen, also die Packbildung, ist notwendig, um das Vermögen einer einzelnen Zelle zu verbessern. Das in Reihe schalten von einzelnen Zellen führt zu einer Addition der Zellenspannungen und stellt daher eine entsprechend große Batteriepackspannung zur Verfügung. Das Parallelschalten von Einzelzellen erhöht die Stromlieferfähigkeit des Batteriepacks, so dass auch stark belastende Verbraucher betrieben werden können.

Es ist bekannt, Einzelzellen eines Batteriepacks zusammenzuschalten, um ein Debalancieren zu verhindern. Unter einem Vermeiden eines „Debalancierens" ist zu verstehen, dass ein Zustand nicht auftreten soll, bei dem die einzelnen Ladezustände der verschiedenen Einzelzellen sehr weit voneinander abweichen, das heißt, ein „Auseinanderlaufen" der Ladezustände der einzelnen Zellen ist nicht erwünscht.

Zur Vermeidung des erwähnten Debalancierens ist es bekannt, die Spannungen der einzelnen Zellen eines Batteriepacks während des Entlade- und/oder Ladevorgangs Einzeln zu erfassen und zu überwachen. Dies bedeutet, dass jede einzelne Zelle mit entsprechenden Überwachungsanschlüssen und Leitungsverbindungen zu versehen ist und diese Überwachungsleitungen zu einer Überwachungsschaltung zu führen sind, um zum Beispiel bei einer zu hohen beziehungsweise zu tiefen elektrischen Spannung der Einzelzelle gegenüber anderen Einzelzellen die erstgenannte Einzelzelle aus dem Verbund herauszunehmen, was beispielsweise mittels entsprechender Schaltelemente oder elektronischer Bauelemente erfolgt. Aus alledem wird deutlich, dass die bekannte Lösung mit Einzelüberwachung und individueller Außerbetriebsetzung sehr verdrahtungsaufwendig, überwachungsaufwendig und damit kostenaufwendig ist.

Vorteile der Erfindung

Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Möglichkeit, die Einzelzellen derart auszubilden beziehungsweise auszuwählen, dass ihr Innenwiderstand mit abnehmendem Ladezustand dieser Einzelzelle ansteigt. Durch eine Verwendung beziehungsweise Auswahl derartiger Einzelzellen, die -in einem Batteriepack zusammengefasst- parallel zueinander geschaltet sind, ergibt sich eine dem Debalancieren entgegensteuernde Wirkung. Da der Innenwiderstand der Zelle vom Ladezustand der Zelle derart abhängig ist, dass er mit abnehmenden Ladezustand - insbesondere in einem Bereich niedrigem Ladezustands- ansteigt, wird eine im Zellenverbund enthaltende Zelle, die einen tieferen Ladezustand als die übrigen Zellen aufweist, gegen Ende der Entladung weniger stark als die übrigen Zellen entladen, da ihr Innenwiderstand größer ist, als bei den anderen, parallel geschalteten Zellen. Demgemäß ist dem .Auseinanderlaufen" der Ladezustände der einzelnen Zellen entgegengewirkt. Aufwendige Überwachungsmittel, wie sie zum Stand der Technik erwähnt wurden, sind daher nicht erforderlich; vielmehr findet im erfindungsgemäßen, Batteriepack quasi ein eigenständiges Balancieren ,, der Einzelzellen untereinander statt, ohne dass zusätzliche Mittel eingesetzt werden müssen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die parallel geschalteten Einzelzellen eine Zellenebene bilden und das mehrere Zellenebenen vorgesehen sind, die in Reihe zueinander geschaltet sind. Der Zellenverbund des Batteriepacks weist demgemäß Gruppen von Einzelzellen, sogenannte Zellenebenen auf, die zueinander in Reihe geschaltet sind, wodurch sich die Zellenebenen - Spannungen addieren, so dass die Batteriepackspannung aus der Summe der Spannungen der Zellenebenen resultiert. Da sich in jeder einzelnen Zellenebene aufgrund des sich erhöhenden Innenwiderstandes zum Beispiel einer oder mehrerer Zellen bei abnehmendem Ladezustand der jeweiligen Einzelzelle beim Entladevorgang balancierend verhält, ist diese Wirkung auch bei dem Gesamtverbund mit mehreren in Reihe liegenden Zellenebenen gegeben. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Einzelzellen derart ausgebildet oder ausgewählt sind, dass ihr Innenwiderstand mit zunehmendem Ladezustand -in einem Bereich hohem Ladezustands- ansteigt. Hieraus ergibt sich in einem Diagramm, bei dem der Innenwiderstand über den Ladezustand der Einzelzelle aufgetragen ist, im Zusammenhang mit der Lehre des Anspruchs 1 , eine wannenförmige Kennlinie.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Einzelzellen Lithiumzellen sind. Die Lithiumzellen weisen in Bezug auf die Abhängigkeit ihres Innenwiderstands vom Ladezustand den Verlauf gemäß Anspruch 1 auf und realisieren auch das Merkmal des Anspruchs 3, das heißt, der über den Ladezustand aufgetragene Innenwiderstand bildet eine wannenförmige Kennlinie.

Ferner ist von Vorteil, dass die Batteriepackspannung mittels einer Begrenzungsschaltung auf einen Spannungsbereich begrenzt wird, der größer ist als die Summe der minimalen Betriebsspannungen der in Reihe geschalteten Einzelzellen und kleiner ist als die Summe der maximalen Betriebsspannungen der in Reihe geschalteten Einzelzellen. Unter „Batteriepackspannung" ist die sich aus dem Schaltungsverbund der Einzelzellen ergebende Gesamtspannung zu verstehen. Die erwähnte Begrenzungsschaltung kann in den Batteriepack integriert sein oder ist als separate Schaltungseinheit ausgeführt, so dass insgesamt eine Einrichtung vorliegt, bestehend aus Batteriepack und Begrenzungsschaltung. Unter den erwähnten „Betriebsspannungen" ist der jeweilige Spannungsbereich der Einzelzellen zu verstehen, der vom Hersteller für die jeweilige Einzelzelle während des Betriebs, also ihres Zustands zwischen Entladen und Vollaufgeladen vorgegeben ist. Die Betriebsspannung einer Einzelzelle kann -in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand¬ beispielsweise in einem Spannungsbereich von 2,5 V bis 4,2 V liegen. Wie erwähnt, wird dieser Spannungsbereich nicht ausgenutzt, sondern der aus einer Reihenschaltung mehrerer mit parallelgeschalteten Zellen versehenen Zellenebenen resultierende Spannungsbereich des Batteriepacks wird mittels der erwähnten Begrenzungsschaltung auf ein „Spannungsfenster" begrenzt. Liegt beispielsweise eine 10S3P-Konfiguration eines Batteriepacks vor, das heißt, zehn Einzelzellen sind in Serie geschaltet, wobei jede Zellenebene drei parallelgeschaltete Einzelzellen umfasst, so ergibt sich aufgrund der Betriebsspannung einer Einzelzelle von 2,5 V bis 4,2 V eine resultierende Batteriepackspannung von 25 V bis 42 V. Durch die Begrenzungsschaltung, die eine Schutz- und/oder Überwachungsfunktion vornimmt, - A -

und insbesondere als elektronische Schaltung ausgebildet ist, wird dieser Spannungsbereich begrenzt, beispielsweise auf den Bereich von 27 V bis 41 V. Hierdurch lässt sich der gesamte Batteriepack über eine große Zyklenzahl sicher und problemlos betreiben, ohne dass infolge von Überbeanspruchungen eine Debalancierung gefördert wird.

Schließlich kann vorgesehen sein, dass die Einzelzellen mittels elektrischer Verbindungen zusammengeschaltet sind, wobei die Verbindungen strombegrenzende Bauteile, insbesondere Widerstände, Dioden oder Transistoren, aufweisen. Hierdurch werden die zwischen den einzelnen Zellen aufgrund unterschiedlicher Zustände fließenden Ausgleichsströme begrenzt. Im Falle der Verwendung von nichtlinearen Bauelementen und/oder Steuer - beziehungsweise Regelfunktionen ist es sogar möglich, eine Regulierung der Ausgleichsströme derart vorzunehmen, dass einer Debalancierung entgegengewirkt wird.

Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele und zwar zeigt:

Figur 1 eine Zellenanordnung von mehreren Einzelzellen eines Batteriepacks,

Figur 2 ein Batteriepack nach einem weiteren Ausführungsbeispiel und

Figur 3 ein Diagramm einer Einzelzelle hinsichtlich ihres Innenwiderstands in Abhängigkeit vom Ladezustand.

Die Figur 1 zeigt einen Batteriepack 1 , der auch als Zellenverbund von Einzelzellen 2 bezeichnet werden kann.

Bei dem Batteriepack 1 der Figur 1 handelt es sich um eine 3S3P-Konfiguration, das heißt, es sind insgesamt drei Einzelzellen jeweils in Reihe geschaltet, wobei jede der so gebildeten Zellenebenen 3 bis 5 jeweils drei parallel geschaltete Einzelzellen 2 aufweist.

Wesentlich ist die Anordnung der elektrischen Verbindungen, die die elektrische Zusammenschaltung der Einzelzellen 2 bewirken. Die Zellenebene 3 weist die Einzelzellen 6, 7 und 8 auf, wobei die Einzelzelle 6 einen Anschluss 6+ und einen Anschluss 6- aufweist. Die Einzelzelle 7 besitzt einen Anschluss 7+ und einen Anschluss 7-, Die Einzelzelle 8 besitzt einen Anschluss 8+ und einen Anschluss 8-.

Die Zellenebene 4 weist die Einzelzellen 9, 10 und 11 auf, wobei die Einzelzelle 9 einen Anschluss 9+ und einen Anschluss 9- besitzt. Die Einzelzelle 10 weist einen Anschluss 10+ und einen Anschluss 10- auf. Die Einzelzelle 11 weist einen Anschluss 11+ und einen Anschluss 11- auf.

Schließlich besitzt die Zellenebene 5 die Einzelzellen 12, 13 und 14, wobei die Einzelzelle 12 einen Anschluss 12+ und einen Anschluss 12- besitzt. Die Einzelzelle 13 weist einen Anschluss 13+ und einen Anschluss 13- auf. Die Einzelzelle 14 besitzt einen Anschluss 14+ und einen Anschluss 14-.

Die vorstehend erwähnten „+ Bezeichnung" entsprechen den jeweiligen positiven Potential der Einzelzelle; die erwähnten „- Bezeichnung" entsprechen dem negativen elektrischen Potential der jeweiligen Einzelzelle 2. Die Anschlüsse 6- und 9+ fallen zusammen. Gleiches gilt für die Anschlüsse 7- und 10+, 8- und 11+, 9- und 12+, 10- und 13+ sowie 11- und 14+.

Die Einzelzellen 2 der jeweiligen Zellenebene 3, 4 und 5 sind mittels elektrischer Verbindungen miteinander verschaltet. Zwischen dem Anschluss 6+ und dem Anschluss 7+ ist eine elektrische Verbindung 15 geschaltet. Eine elektrische Verbindung 16 verbindet den Anschluss 7+ mit dem Anschluss 8+. Eine elektrische Verbindung 17 ist zwischen den Anschluss 6- und 7- beziehungsweise 9+ und 10+ geschaltet. Die Anschlüsse 7- und 8- beziehungsweise 10+ und 11+ sind über eine elektrische Verbindung 18 miteinander verschaltet. Die Anschlüsse 9- und 10- beziehungsweise 12+ und 13+ stehen über eine elektrische Verbindung 19 miteinander in elektrischem Kontakt. Eine elektrische Verbindung 20 verbindet die Anschlüsse 10- und 11- beziehungsweise 13+ und 14+. Eine elektrische Verbindung 21 verbindet den Anschluss 12- mit 13- und eine elektrische Verbindung 22 stellt eine Verbindung zwischen dem Anschluss 13- und 14- her. Eine elektrische Verbindung 23 führt vom Anschluss 6+ zu einer Batteriepackklemme 24, die positives Potential aufweist, und eine elektrische Verbindung 25 führt vom Anschluss 12- zu einer Batteriepackklemme 26, die negatives Potential besitzt.

Aus dem vorstehenden wird deutlich, dass jede Einzelzelle 2 mittels elektrischer Verbindungen mit anderen Einzelzellen 2 parallel geschaltet ist. Dies gilt in jeder Zellenebene 3 bis 5. Ferner handelt es sich bei den Einzelzellen 2 beziehungsweise 6 bis 14 um Lithiumzellen 27 oder Lithiumionenzellen. Dies bedeutet, dass eine Charakteristik gemäß Figur 3 vorliegt. Die Figur 3 zeigt auf der Ordinate den Innenwiderstand einer Einzelzelle 2, also einer Lithiumzelle 27, in Abhängigkeit vom Ladezustand (Abszisse). Entfernt von der Abszisse liegt ein hoher Innenwiderstand Ri vor gekennzeichnet mit dem Buchstaben „h"; nahe der Abszisse liegt ein niedriger Innenwiderstand Ri vor, gekennzeichnet durch den Buchstaben „n". Parallel zur Ordinate verläuft eine Hilfslinie 28, wobei „I" den leeren Ladezustand Lz der Lithiumzelle 27 kennzeichnet. Mit „v" ist der volle Ladezustand Lz der Lithiumzelle 27 gekennzeichnet. Der Abstand der Hilfslinie 28 von der Ordinate Ri ist mit „te" gekennzeichnet. Er gibt den Tiefentladebereich der Lithiumzelle 27 an, der im normalen Betrieb nicht angefahren werden sollte. Der Bereich des Ladezustands Lz zwischen „I" und „v" ist der normale Betriebsbereich NB der Lithiumzelle 27. Die eingetragene Kennlinie 29 der Figur 3 gibt die Abhängigkeit des Innenwiderstandes Ri vom Ladezustand Lz an.. Es wird deutlich, dass im entladenden Zustand der Innenwiderstand Ri größer als in einem weniger entladenen Zustand der Lithiumzelle 27 ist. Der Innenwiderstand Ri wird minimal bei einem Ladezustand von zirka 80 %. Dieser Ladezustand wird im Diagramm der Figur 3 dargestellt. Anschließend -also in Richtung eines volleren Ladezustands Lz steigt der Innenwiderstand Ri wieder an, so dass sich insgesamt eine Kennlinie 29 entsprechend einer Wannenfunktion für die Lithiumzelle 27 ergibt.

Die aus der Figur 3 ersichtliche Charakteristik, nämlich dass der Innenwiderstand Ri der Einzelzelle 2 beziehungsweise der Lithiumzelle 27, mit abnehmendem Ladezustand (begonnen von dem 80 %-Ladezustand) ansteigt, hat in Bezug auf die Schaltungsanordnung der Figur 1 zur Folge, dass in jeder Zellenebene 3, 4 und 5 eine Einzelzelle 2, die möglicherweise einen geringeren, also tieferen Ladezustand Lz aufweist, als eine oder mehrere andere Einzelzelle/n 2 dieser Zellenebene, aufgrund ihres entsprechend größeren Innenwiderstands Ri weniger stark entladen wird, als die übrigen, parallel geschalteten Einzelzellen 2. Dies führt dazu, dass sie sich balancierend verhält, also einem Debalancieren der Einzelzellen des Batteriepacks 1 selbsttätig entgegenwirkt. Entsprechendes gilt für die übrigen Zellenebenen, so dass insgesamt aufgrund der jeweils mittels elektrischer Verbindungen, insbesondere 17, 18, 19 und 20, einem Debalancieren des Batteriepacks 1 entgegengewirkt wird.

Die Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Batteriepacks 1 , das sich gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass Parallelschaltungspfade mehrfach vorhanden sind. So sind die Zellenebenen 3,4 und 5 durch jeweils drei parallel zueinander geschaltete Lithiumzellen 27 gebildet, wobei die Zellenebene 3 über eine elektrische Verbindung 30 mit der Zellenebene 4 und die Zellenebene 4 über eine elektrische Verbindung 31 mit der Zellenebene 5 zur Reihenschaltung der einzelnen Zellenebenen verbunden ist. Ferner führt eine elektrische Verbindung 32 der Zellenebene 3 zu der Batteriepackanschlussklemme 24 und eine elektrische Verbindung 33 zu der Batteriepackanschlussklemme 26. Alle übrigen Ausgestaltungen entsprechen denen der Figur 1. Auch beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind somit die Lithiumzellen 27 der jeweiligen Zellenebene 3, 4 und 5 parallel zueinander geschaltet und die so gebildeten Zellenebenen 3, 4 und 5 sind mittels der elektrischen Verbindungen 30 bis 33 in Reihe zueinander geschaltet. Es tritt derselbe Effekt, wie beim Ausführungsbeispiel der Figur 1 beschrieben, auf, so dass einem Debalancieren entgegengewirkt wird.

Unabhängig von der Schaltungsart gemäß Figur 1 oder Figur 2 ist jeweils vorgesehen, dass der Batteriepack 1 vorzugsweise jeweils mit einer elektronischen

Begrenzungsschaltung 34 versehen ist. Dies ist beispielhaft in der Figur 2 dargestellt.

Die Eingänge 35 und 36 der Begrenzungsschaltung 34 sind mit den

Batteriepackanschlussklemmen 24 und 26 verbunden. Bei der

Begrenzungsschaltung 34 handelt es sich um eine Schutz- und Überwachungselektronik, die verhindert, dass im Betrieb der volle

Betriebsspannungsbereich des Batteriepacks 1 ausgenutzt ist, wie er von den

Herstellern angegeben wird. Hat beispielsweise eine Lithiumzelle 27 einen

Betriebsspannungsbereich, der dem normalen Betriebsbereich NB der Figur 3 entspricht, von 2,5 V bis 4,2 V in Abhängigkeit von dem jeweiligen Ladezustand Lz, so ergebe sich daraus aufgrund der Reihenschaltung dreier Zellenebenen 3 bis 5 ein Betriebsspannungsbereich von 7,5 V bis 12,6 V. Dieser Spannungsbereich liegt an den Eingangsklemmen 35 und 36 der Begrenzungsschaltung 34 an und wird mittels einer hier nicht näher beschriebenen Elektronik auf ein Spannungsfenster reduziert, das innerhalb des genannten Bereichs liegt, also beispielsweise auf den Spannungsbereich 8 V bis 12 V, der an den Ausgangsklemmen 37 und 38 der Begrenzungsschaltung 34 zur Verfügung gestellt wird. An die Ausgangsklemmen 37 und 38 werden die elektrischen Verbraucher angeschlossen, nicht an die Batteriepackanschlussklemmen 24 und 26, zwischen denen die Batteriepackspannung Up liegt. Die Folge ist, dass die Einzelzellen 2 unter optimalen Bedingungen betrieben werden und daher eine sehr hohe Lebensdauer bei einem sicheren Betrieb aufweisen.

Nach Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei den elektrischen Verbindungen 15 bis 22 sowie 23 und 25 und 30 bis 33 zumindest teilweise nicht um „harte" elektrische Verbindungen handelt, also nicht um niederohmige gut leitende Anschlussdrähte, sondern um stromschaltende oder stromreduzierende Bauteile, elektrische Bauteile oder elektronische Bauteile, wie Widerstände und/oder Dioden und/oder Transistoren und/oder Tyristoren usw., um Ausgleichsströme, die zwischen den Einzelzellen 2 und/oder zwischen den Zellenebenen 3 bis 5 fließen, zu begrenzen oder sogar bewusst gesteuert oder geregelt zu regulieren.

Claims

Patentansprüche

1. Batteriepack mit mehreren, wiederauflad baren Einzelzellen, die parallel zueinander geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (2) derart ausgebildet oder gewählt sind, dass ihr Innenwiderstand (Ri) mit abnehmendem Ladezustand (Lz) ansteigt.

2. Batteriepack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel geschaltete Einzelzellen (2) eine Zellenebene (3,4,5) bilden und dass mehrere Zellenebenen (3,4,5) vorgesehen sind, die in Reihe zueinander geschaltet sind.

3. Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (20) derart ausgebildet oder ausgewählt sind, dass ihr Innenwiderstand (Ri) mit zunehmenden Ladezustand -in einem Bereich hohem Ladezustands- ansteigt.

4. Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (2) Lithiumzellen (27), insbesondere

Lithiumionenzellen, sind.

5. Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriepackspannung (Up) mittels einer Begrenzungsschaltung (34) auf einen Spannungsbereich begrenzt wird, der größer ist als die Summe der minimalen Betriebsspannungen der in Reihe geschalteten Einzelzellen (2) und kleiner ist als die Summe der maximalen Betriebsspannungen der in Reihe geschalteten Einzelzellen (2).

6. Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (2) mittels elektrischer Verbindungen (15 bis

22, 23, 25, 30 bis 33) zusammengeschaltet sind, wobei die Verbindungen (15 bis 22,

23, 25, 30 bis 33) als niederohmige Drähte, Widerstände, Dioden, Transistoren oder Tyristoren ausgebildet sind.