WO2014023542A1 - Formierungsvorrichtung und verfahren zur formierung von batteriezellen einer batterie - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a forming device, which is designed to form at least one battery cell of a battery at least one predetermined charging operation and at least one
  • the invention also relates to a corresponding method for forming at least one battery cell of a battery. Furthermore, the invention relates to a vehicle with a battery and the forming device according to the invention for forming at least one battery cell of the battery.
  • each individual battery cell is activated and, on the other hand, a defined formation and stabilization of the solid electrolyte layer (solid electrolyte interface SEI) is to be achieved via a pre-aging process.
  • This corrosion layer which forms on lithium-ion batteries on the anode, determines the aging behavior of the battery cells significantly.
  • Forming and Voralterungsvorgang takes in today's manufacturing of cells with large cell energies, such as 60 Ah cells, about 10 to 14 days. From the prior art, it is known to use in the formation of battery cells forming devices, which are referred to as power amplifiers and whose schematic diagram is shown in Figure 1. In the figure 1 is known from the prior art
  • Forming device (power output stage or forming stage) 10, which is connected to a series circuit 20 of a plurality of battery cells to be formed 21 of a battery (not shown in full). In this case, a single battery cell 21 to be formed may also be present.
  • Battery cell series circuit 20 are each connected to a terminal (not labeled) of the lower power semiconductor 30.
  • Parallel to the power semiconductor 30 is a diode 31, whose reverse direction in the
  • Power semiconductor 30 is further connected at one connection to a further, upper power semiconductor 40 whose forward direction extends in the forward direction of power semiconductor 30.
  • the power semiconductor 30 is at its other terminal not connected to the upper power semiconductor switch
  • the DC intermediate circuit 50 comprises a DC link capacitor 60 which is connected to a terminal having an input 51 and the output 53 of the
  • the power output stage or shaping output stage 10 is based on the use of the two power semiconductors 30, 40 which each operate in linear operation.
  • the upper power semiconductor (upper switch) 40 shown in FIG. 1 is activated for charging currents.
  • the lower shown in the figure 1 Power semiconductor (bottom switch) 30 is activated for discharge currents. Since the power semiconductors 30, 40 operate in the active region, a considerable heat loss arises, which requires extensive measures for cooling the
  • Power electronics must be dissipated. During discharging operations of the at least one battery cell 21, the electrical energy can not enter the
  • Battery management system monitored and / or regulated.
  • a forming device which is designed to form at least one battery cell of a battery at least one predetermined charging process and at least one
  • Forming device is further adapted to guide the block-shaped currents during the charging and discharging each by means of at least one arranged in the forming device and working in switching mode power semiconductor, in particular a MOSFET transistor, and impress in the battery cell. Also, the forming device designed to feed back the electrical energy removed during the discharging process of the battery cell into a supply network for supplying the battery cell with electrical energy.
  • the invention further provides a method for forming at least one battery cell of a battery, in which by means of a
  • Forming device at least one predetermined charging and at least one predetermined discharge to an activation
  • Forming currents imprinted in the battery cell are conducted in each case by means of at least one power semiconductor, in particular a MOSFET transistor, which is suitably arranged in the forming device and operates in switching mode, and impressed in the battery cell. Also, the electrical energy removed during the discharge process of the battery cell is fed back into a supply network for supplying the battery cell with electrical energy.
  • a power semiconductor in particular a MOSFET transistor
  • Supply network for supplying the forming device with electrical energy to be fed back.
  • Forming device in a very simple way regenerative designed by in the forming device with the battery cell by means of power semiconductors each connectable DC voltage intermediate circuit and a feed device (feed circuit) are provided for feeding electrical energy into the DC voltage intermediate circuit and the
  • Feed-in device is designed to be regenerative.
  • the forming device according to the invention is designed to provide the battery such a high output voltage that the formation of a predetermined number of serially connected battery cells can take place simultaneously.
  • a plurality of battery cells can be formed simultaneously in a simple manner.
  • the duration of the forming process of the battery cells of a battery is considerably shortened.
  • the forming device according to the invention has such a high
  • Impedance spectroscopy of the battery cell can be performed.
  • the inventive forming device also has other significant advantages, such as the presence of a significantly expanded dynamic range. This can be done by means of
  • the block-shaped currents are generated in the formation of the battery cells with low alternating components and on the other hand, the maximum possible rate of change of current can be significantly increased. Due to the high dynamics of the forming device, which can be achieved by the presence of the expanded dynamic range, currents can be generated by means of the forming device with high-frequency sinusoidal current waveforms up to significantly higher frequencies. This makes it possible to carry out impedance spectroscopy at higher frequencies.
  • the forming device according to the invention comprises a smoothing throttle, which is arranged in the forming device and whose inductance is dimensioned such that block-shaped
  • Forming currents each having an alternating component, which falls below a predetermined threshold, are generated for impressing in the battery cell.
  • Forming device block-shaped forming currents are generated with a very smooth course in a very simple manner. If appropriate
  • Dimensioning of the inductance of the smoothing reactor can be generated by means of the forming device block-shaped forming currents that do not exceed a permissible from the battery cell view alternating component.
  • the smoothing throttle is formed from a first partial throttle and a second second throttle which can be connected in series with the first partial throttle and can be bridged, in particular bridgeable by means of a switch.
  • the inductance of the first part throttle is such
  • Maximum frequency and / or have a desired current amplitude can be generated for impressing in the battery cell.
  • the smoothing restrictor used in the forming device is formed from a first part throttle and a second part throttle which can be connected in series and bridged with the first part throttle, the dynamic range of the forming device can be widened in such a simple manner that block-shaped flows with a very smooth drive can be generated by means of the forming device
  • Course and high-frequency alternating currents can be impressed in the battery cells to be formed.
  • shaping currents which are a desired one can be generated by means of the forming device
  • the forming device is based on an improved circuit concept, which is the realization of better smoothed current curves during the block-shaped current phases in the formation and at the same time the realization of significantly higher
  • Lithium ion battery provided.
  • One aspect of the invention relates to a battery associated with the
  • Forming device is equipped.
  • Another aspect of the invention relates to a vehicle having a battery which comprises the forming device according to the invention for forming at least one battery cell of the battery.
  • FIG. 1 shows a forming device known from the prior art
  • Figure 2 shows a forming device with a smoothing reactor according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a forming device with a switchable smoothing reactor according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a forming device or forming stage 10 according to a first embodiment of the invention, which is connected in series
  • the forming device 10 comprises a power semiconductor, that is to say an on and off switchable one
  • Battery cell series circuit 20 is connected and at the other
  • connection via a smoothing choke 80 is connected to the other terminal of the battery cell series circuit 20.
  • the smoothing reactor 70 is connected in series with the battery cell series circuit 20.
  • a diode 31 is further connected, whose
  • Reverse direction in the forward direction of the power semiconductor 30 extends.
  • Forming device 10 comprises a further power semiconductor 40 which is connected to one of the two terminals of the power semiconductor
  • the power semiconductors 30, 40 are connected to one another in such a way that the forward direction of the lower power semiconductor 30 extends in the forward direction of the upper power semiconductor 40.
  • Parallel to the upper power semiconductor 40 is a diode 41, the reverse direction in
  • Power semiconductor switch 40 is connected to an output 53 of a DC intermediate circuit 50.
  • the upper power semiconductor 40 is at its other terminal, not with the lower
  • Power semiconductor switch 30 is connected to a further output 54 of the
  • the DC intermediate circuit 50 includes an intermediate circuit capacitor 60 which is connected to a terminal with an input 51 and to the output 53 of the DC intermediate circuit 50 and at the other terminal with a further input 52 and to the further output 54 of the
  • Feeding device 80 shot can be fed by means of the electrical energy from the supply network in the DC intermediate circuit 50 and provided for the formation of the battery cells 21 of the battery cell series circuit 20.
  • Battery cell series circuit 20 are each connected to a voltage detection device 90 via a transmission line (not labeled).
  • a current sensor 100 is further arranged, which is adapted to the by the
  • Battery cell series circuit 20 to measure flowing current.
  • Battery cell series circuit 20 in the switching mode, and the feed device 80 is designed to be regenerative.
  • the upper power semiconductor 40 is used for charging currents and the lower power semiconductor 30 for discharge currents.
  • FIG. 3 shows a forming device 10 after a second
  • the forming device 10 according to the second embodiment of the invention has the same structure as that
  • Forming device according to the first embodiment of the invention with the difference that the forming device 10 after the second
  • Embodiment of the invention comprises a switchable smoothing throttle 71, which is formed from a first part throttle 72 with an inductance L- ⁇ (not shown) and a second part throttle 73 with an inductance L 2 (not shown) which can be connected to the first part throttle 72. This is the second
  • the forming device 10 operates in the switched operation of the power semiconductors 30, 40 and includes the switchable smoothing choke 71.
  • the forming device 10 is suitable for high-precision imprinting of direct currents and at the same time has a high dynamic range for the impressing of high-frequency
  • Battery cells in particular for lithium-ion battery cells, known which are designed so that they block-shaped current or
  • Forming stages 10 according to the first and the second embodiment of the invention current and voltage profiles up to the range of several 10 KHz fundamental frequency without much additional effort by the use of suitable circuit topologies, drive circuits for the
  • Embodiment of the invention a 2-quadrant operation is realized.
  • Power semiconductors (semiconductor switches) 30, 40 work, in contrast to the prior art, in the switched mode. As a result, the power loss in the semiconductor switches 30, 40 can be massively reduced, and the forming stages 10 can be designed to be easily regenerative. That is, the resulting during discharging of the battery cells to be formed 21 electrical
  • DC intermediate circuit 50 are designed to be regenerative.
  • a smoothing choke 70 or a switchable smoothing choke 71 is used.
  • power semiconductors are in the
  • MOSFET transistors used due to the low output voltage of the forming stage 10 are particularly suitable for the present application. MOSFET transistors can be clocked high frequency without much difficulty.
  • the smoothing choke 71 thus has the total inductance U + l_2.
  • the dimensioning of the total inductance of the smoothing inductor 71 can be carried out such that the forming currents do not exceed a permissible alternating component from the battery cell view.
  • the second part throttle 73 is bridged over The smoothing throttle 71 thus has the total inductance U.
  • the dimensioning of the inductance U of the first part throttle 72 can take place in this way. that the forming currents can reach a desired maximum frequency at a simultaneously desired current amplitude.
  • electromechanical switches such as relays or contactors
  • the switchable smoothing reactor 71 can be realized, for example, as a choke with two partial windings on a common core. The additional costs for the realization of a switchable smoothing reactor 71 are compared with the use of a conventional

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Abstract

Es wird eine Formierungsvorrichtung (10) bereitgestellt, die dazu ausgebildet ist, zur Formierung mindestens einer Batteriezelle (21) einer Batterie mindestens einen vorgegebenen Ladevorgang und mindestens einen vorgegebenen Entladevorgang zur Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle (21) durchzuführen und während des Lade- und Entladevorganges blockförmige Formierungsströme in die Batteriezelle (21) einzuprägen. Dabei ist die Formierungsvorrichtung (10) weiter dazu ausgebildet, die blockförmigen Ströme während des Lade- und Entladevorganges jeweils mittels mindestens eines in der Formierungsvorrichtung geeignet angeordneten und im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiters (30, 40), insbesondere eines MOSFET-Transistors, zu leiten und in die Batteriezelle (21) einzuprägen. Auch ist die Formierungsvorrichtung (10) weiter dazu ausgebildet, die während des Entladevorgangs der Batteriezelle (21) entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle (21) mit elektrischer Energie zurückzuspeisen.

Description

Beschreibung
Titel
Formierungsvorrichtung und Verfahren zur Formierung von Batteriezellen einer Batterie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formierungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie mindestens einen vorgegebenen Ladevorgang und mindestens einen
vorgegebenen Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle durchzuführen und während des Lade- und Entladevorganges blockförmige Formierungsströme in die Batteriezelle einzuprägen. Auch betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Batterie und der erfindungsgemäßen Formierungsvorrichtung zur Formierung mindestens einer Batteriezelle der Batterie.
Stand der Technik
Bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist der sogenannte
Formierungsprozess besonders wichtig. Während eines Formierungsprozesses wird zum einen jede einzelne Batteriezelle aktiviert und zum anderen soll über einen Voralterungsprozess eine definierte Ausbildung und Stabilisierung der Festelektrolytschicht (Solid Elektrolyte Interface SEI) erzielt werden. Diese Korrosionsschicht, die sich bei Lithium-Ionen-Batterien auf der Anode ausbildet, bestimmt das Alterungsverhalten der Batteriezellen maßgeblich. Der
Formierungs- und Voralterungsvorgang dauert bei heutigen Fertigungen von Zellen mit großen Zellenergien, beispielsweise von 60 Ah-Zellen, circa 10 bis 14 Tage. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei der Formierung von Batteriezellen Formierungsvorrichtungen einzusetzen, die als Leistungsendstufen bezeichnet werden und deren Prinzipschaltbild in der Figur 1 dargestellt wird. In der Figur 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte
Formierungsvorrichtung (Leistungsendstufe oder Formierendstufe) 10 dargestellt, die mit einer Serienschaltung 20 mehrerer zu formierender Batteriezellen 21 einer Batterie (nicht komplett dargestellt) verbunden ist. Dabei kann auch eine einzelne zu formierende Batteriezelle 21 vorhanden sein. Zur Vereinfachung der
Darstellung wurde nur eine einzige Batteriezelle mit dem Bezugszeichen 21 versehen. Die zwei Anschlüsse (nicht gekennzeichnet) der
Batteriezellenserienschaltung 20 sind jeweils mit einem Anschluss (nicht gekennzeichnet) des unteren Leistungshalbleiters 30 verbunden. Parallel zu dem Leistungshalbleiter 30 ist eine Diode 31 , deren Sperrrichtung in die
Durchlassrichtung des Leistungshalbleiters 30 verläuft, geschaltet. Der
Leistungshalbleiter 30 ist an einem Anschluss ferner mit einem weiteren, oberen Leistungshalbleiter 40, dessen Durchlassrichtung in die Durchlassrichtung des Leistungshalbleiters 30 verläuft, verbunden. Der Leistungshalbleiter 30 ist an seinem anderen Anschluss, der nicht mit dem oberen Leistungshalbleiterschalter
40 verbunden ist, mit einem Ausgang 53 eines Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden. Parallel zu dem Leistungshalbleiter 40 ist eine Diode 41 geschaltet, deren Sperrrichtung in die Durchlassrichtung des Leistungshalbleiters 40 verläuft. Der obere Leistungshalbleiter 40 ist an seinem anderen Anschluss, der nicht mit dem unteren Leistungshalbleiterschalter 30 verbunden ist, mit einem weiteren Ausgang 54 des Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden. Der Gleichspannungszwischenkreis 50 umfasst einen Zwischenkreiskondensator 60, der an einem Anschluss mit einem Eingang 51 und dem Ausgang 53 des
Gleichspannungszwischenkreises 50 und an dem anderen Anschluss mit einem weiteren Eingang 52 und dem weiteren Ausgang 54 des
Gleichspannungszwischenkreises 53 verbunden ist.
Mittels eines Versorgungsnetzes kann elektrische Energie in den
Gleichspannungszwischenkreis 20 eingespeist werden, die dann für die
Formierung der Batteriezellen 21 der Batteriezellenserienschaltung 20
bereitgestellt wird.
Die Leistungsendstufe beziehungsweise Formierendstufe 10 basiert auf dem Einsatz der zwei jeweils im linearen Betrieb arbeitenden Leistungshalbleiter 30, 40. Der in der Figur 1 dargestellte obere Leistungshalbleiter (oberer Schalter) 40 wird für Ladeströme aktiviert. Der in der Figur 1 dargestellte untere Leistungshalbleiter (unterer Schalter) 30 wird für Entladeströme aktiviert. Da die Leistungshalbleiter 30, 40 im aktiven Bereich arbeiten, entsteht eine erhebliche Verlustwärme, die mit aufwändigen Maßnahmen zur Kühlung der
Leistungselektronik abgeführt werden muss. Bei Entladevorgängen der mindestens einen Batteriezelle 21 kann die elektrische Energie nicht in das
Versorgungsnetz zurückgespeist werden und wird bei dem in der Figur 1 dargestellten Konzept für die Formierendstufe 10 komplett in Verlustwärme umgewandelt. Ein wesentlicher Vorteil der heute eingesetzten Formierendstufen ist der sehr glatte Verlauf der Lade- und Entladeströme. Bei der Formierung der Batteriezellen 21 kann mit der in der Figur 1 dargestellten Formierendstufe 10 entweder eine einzelne Batteriezelle 21 oder bei entsprechender Auslegung der maximalen Ausgangsspannung der Formierendstufe können auch mehrere Batteriezellen 21 in Serienschaltung gleichzeitig formiert werden. Weiterhin sind aus dem Dokument DE 10 2009 035 466 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formieren von Einzelzellen einer Batterie, insbesondere von Lithium-Ionen-Batterien, bekannt. Das Verfahren umfasst zumindest einen vorgegebenen Ladevorgang und einen vorgegebenen Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in den Einzelzellen. Dabei sind die Einzelzellen in einem Zellverbund seriell und/oder parallel verbunden und werden gemeinsam formiert. Ferner kann der Ladevorgang mittels eines
Batteriemanagementsystems überwacht und/oder geregelt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Formierungsvorrichtung bereitgestellt, die dazu ausgebildet ist, zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie mindestens einen vorgegebenen Ladevorgang und mindestens einen
vorgegebenen Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle durchzuführen und während des Lade- und Entladevorganges blockförmige Formierungsströme in die Batteriezelle einzuprägen. Die
Formierungsvorrichtung ist weiter dazu ausgebildet, die blockförmigen Ströme während des Lade- und Entladevorganges jeweils mittels mindestens eines in der Formierungsvorrichtung geeignet angeordneten und im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiters, insbesondere eines MOSFET-Transistors, zu leiten und in die Batteriezelle einzuprägen. Auch ist die Formierungsvorrichtung dazu ausgebildet, die während des Entladevorgangs der Batteriezelle entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle mit elektrischer Energie zurückzuspeisen.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Formierung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie bereitgestellt, bei dem mittels einer
Formierungsvorrichtung mindestens ein vorgegebener Ladevorgang und mindestens ein vorgegebener Entladevorgang zu einer Aktivierung
elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle durchgeführt werden. Dabei werden während des Lade- und Entladevorganges blockförmige
Formierungsströme in die Batteriezelle eingeprägt. Ferner werden die blockförmigen Formierungsströme während des Lade- und Entladevorganges jeweils mittels mindestens eines in der Formierungsvorrichtung geeignet angeordneten und im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiters, insbesondere eines MOSFET-Transistors, geleitet und in die Batteriezelle eingeprägt. Auch wird die während des Entladevorgangs der Batteriezelle entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle mit elektrischer Energie zurückgespeist.
Einfach ausgedrückt, es wird erfindungsgemäß insbesondere eine
Formierungsvorrichtung beziehungsweise eine Formierendstufe bereitgestellt, die bevorzugt bei der Formierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen eingesetzt wird. Dabei arbeiten die von der Formierungsvorrichtung umfassten
Leistungshalbleiter (Leistungsschalter) im Schaltbetrieb. Dadurch wird die in der Formierungsvorrichtung entstehende Verlustleitung, die von hohen Lade- und Entladeströmen hervorgerufen wird, erheblich reduziert.
Ferner kann die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung ohne
nennenswerten Zusatzaufwand rückspeisefähig ausgelegt werden. Dadurch kann die Energie, die bei den Entladevorgängen während der Formierung und Voralterung der zu formierenden Batteriezellen entnommen wird, in das
Versorgungsnetz zur Versorgung der Formierungsvorrichtung mit elektrischer Energie zurückgespeist werden. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die
Formierungsvorrichtung in einer sehr einfachen Weise rückspeisefähig ausgelegt, indem in der Formierungsvorrichtung ein mit der Batteriezelle mittels der Leistungshalbleiter jeweils verbindbarer Gleichspannungszwischenkreis und eine Einspeiseeinrichtung (Einspeiseschaltung) zur Einspeisung von elektrischer Energie in den Gleichspannungszwischenkreis vorgesehen sind und die
Einspeiseeinrichtung rückspeisefähig ausgelegt ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung dazu ausgebildet, der Batterie eine derartig hohe Ausgangsspannung bereitzustellen, dass die Formierung einer vorbestimmten Anzahl von seriell geschalteten Batteriezellen gleichzeitig erfolgen kann. Dadurch können in einfacher Weise mehrere Batteriezellen gleichzeitig formiert werden. So wird die Dauer des Formierungsprozesses der Batteriezellen einer Batterie erheblich verkürzt. Bei einer weiteren sehr bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung einen derartig hohen
Dynamikbereich auf, dass eine Einprägung von Formierungsströmen in die Batteriezelle erfolgen kann, die Wechselströme umfassen, die jeweils eine gewünschte Maximalfrequenz aufweisen und mittels der jeweils im Schaltbetrieb arbeitende Leistungshalbleiter geleitet werden. Mittels der in der Batteriezelle eingeprägten Wechselströme kann dann in einfacher Weise eine
Impedanzspektroskopie der Batteriezelle durchgeführt werden.
Neben der Verringerung der Verlustleistung und der Möglichkeit zur
Energierückspeisung hat die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung auch weitere wesentliche Vorteile, wie beispielsweise das Vorhandensein eines deutlich aufgeweiteten Dynamikbereiches. Dadurch können mittels der
Formierungsvorrichtung zum einen die blockförmigen Ströme bei der Formierung der Batteriezellen mit geringen Wechselanteilen erzeugt werden und zum anderen kann die maximal mögliche Stromänderungsgeschwindigkeit deutlich erhöht werden. Aufgrund der hohen Dynamik der Formierungsvorrichtung, die durch das Vorhandensein des aufgeweiteten Dynamikbereichs erreichbar wird, können mittels der Formierungsvorrichtung Ströme mit hochfrequenten sinusförmigen Stromverläufen bis hin zu deutlich höheren Frequenzen erzeugt werden. Dadurch wird die Durchführung von Impedanzspektroskopien bei höheren Frequenzen möglich. Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung eine Glättungsdrossel, die derartig in der Formierungsvorrichtung angeordnet ist und deren Induktivität derartig dimensioniert ist, dass blockförmige
Formierungsströme, die jeweils einen Wechselanteil aufweisen, der einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, zum Einprägen in die Batteriezelle erzeugbar sind.
Bei der Verwendung einer Glättungsdrossel, die insbesondere seriell mit den zu formierenden Batteriezellen verbunden ist, können mittels der
Formierungsvorrichtung blockförmige Formierungsströme mit einem sehr glatten Verlauf auf sehr einfache Weise erzeugt werden. Bei geeigneter
Dimensionierung der Induktivität der Glättungsdrossel können mittels der Formierungsvorrichtung blockförmige Formierungsströme erzeugt werden, die einen aus der Batteriezellensicht zulässigen Wechselanteil nicht überschreiten.
Insbesondere ist die Glättungsdrossel aus einer ersten Teildrossel und einer zweiten mit der ersten Teildrossel seriell schaltbaren und überbrückbaren, insbesondere mittels eines Schalters überbrückbaren, zweiten Teildrossel ausgebildet. Ferner ist die Induktivität der ersten Teildrossel derartig
dimensioniert, dass wenn die zweite Teildrossel überbrückt ist,
Formierungsströme, die Wechselströme, die jeweils eine gewünschte
Maximalfrequenz und/oder eine gewünschte Stromamplitude aufweisen, umfassen, zum Einprägen in die Batteriezelle erzeugbar sind.
Wenn die in der Formierungsvorrichtung eingesetzte Glättungsdrossel aus einer ersten Teildrossel und einer mit der ersten Teildrossel seriell schaltbaren und überbrückbaren zweiten Teildrossel ausgebildet ist, kann auf einfache Weise der Dynamikbereich der Formierungsvorrichtung derartig aufgeweitet werden, dass mittels der Formierungsvorrichtung blockförmige Ströme mit einem sehr glatten
Verlauf und hochfrequente Wechselströme in die zu formierenden Batteriezellen eingeprägt werden können. Wenn die zweite Teildrossel überbrückt ist und die Induktivität der ersten Teildrossel geeignet dimensioniert ist, können mittels der Formierungsvorrichtung Formierungsströme, die eine gewünschte
Maximalfrequenz und gleichzeitig auch eine gewünschte Stromamplitude aufweisen, auf einfache Weise erzeugt und in die Batteriezellen eingeprägt werden.
Zusammenfassend basiert die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung auf einem verbesserten Schaltungskonzept, welches die Realisierung von besser geglätteten Stromverläufen während der blockförmigen Stromphasen bei der Formierung und zugleich auch die Realisierung von deutlich höheren
Stromänderungsgeschwindigkeiten erlaubt, die die Erzeugung von
hochfrequenten Wechselströmen ermöglichen.
Erfindungsgemäß werden insbesondere ein Verfahren und eine
Formierungsvorrichtung zum Formieren der Batteriezellen einer
Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellt.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, die mit der
Formierungsvorrichtung ausgestattet ist.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Batterie, die zur Formierung mindestens einer Batteriezelle der Batterie die erfindungsgemäße Formierungsvorrichtung umfasst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Formierungsvorrichtung,
Figur 2 eine Formierungsvorrichtung mit einer Glättungsdrossel nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
Figur 3 eine Formierungsvorrichtung mit einer schaltbaren Glättungsdrossel nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 2 zeigt eine Formierungsvorrichtung beziehungsweise Formierendstufe 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die mit einer Serienschaltung
20 aus mehreren zu formierenden Batteriezellen 21 einer Batterie verbunden ist. Dabei kann auch lediglich eine einzelne zu formierende Batteriezelle 21 vorhanden sein. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde hier nur eine einzige Batteriezelle mit dem Bezugszeichen 21 versehen. Die Formierungsvorrichtung 10 umfasst einen Leistungshalbleiter, das heißt ein ein- und ausschaltbares
Halbleiterventil 30, das an seinem Anschluss mit einem Anschluss der
Batteriezellenserienschaltung 20 verbunden ist und an seinem anderen
Anschluss über eine Glättungsdrossel 80 mit dem anderen Anschluss der Batteriezellenserienschaltung 20 verbunden ist. Die Glättungsdrossel 70 ist seriell mit der Batteriezellenserienschaltung 20 geschaltet. Parallel zu dem unteren Leistungshalbleiter 30 ist ferner eine Diode 31 geschaltet, deren
Sperrrichtung in die Durchlassrichtung des Leistungshalbleiters 30 verläuft.
Die Formierungsvorrichtung 10 umfasst einen weiteren Leistungshalbleiter 40, der an einem Anschluss mit einem der zwei Anschlüsse des Leistungshalbleiters
30 verbunden ist. Die Leistungshalbleiter 30, 40 sind dabei derartig miteinander verbunden, dass die Durchlassrichtung des unteren Leistungshalbleiters 30 in Durchlassrichtung des oberen Leistungshalbleiters 40 verläuft. Parallel zu dem oberen Leistungshalbleiter 40 ist eine Diode 41 , deren Sperrrichtung in
Durchlassrichtung des Leistungshalbleiters 40 verläuft, geschaltet. Ferner ist der
Leistungshalbleiter 30 an seinem Anschluss, der nicht mit dem oberen
Leistungshalbleiterschalter 40 verbunden ist, mit einem Ausgang 53 eines Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden. Der obere Leistungshalbleiter 40 ist an seinem weiteren Anschluss, der nicht mit dem unteren
Leistungshalbleiterschalter 30 verbunden ist, mit einem weiteren Ausgang 54 des
Gleichspannungszwischenkreises 50 verbunden.
Der Gleichspannungszwischenkreis 50 umfasst einen Zwischenkreiskondensator 60, der an einem Anschluss mit einem Eingang 51 und mit dem Ausgang 53 des Gleichspannungszwischenkreises 50 und an dem anderen Anschluss mit einem weiteren Eingang 52 und mit dem weiteren Ausgang 54 des
Gleichspannungszwischenkreises 53 verbunden ist.
Zwischen den Eingängen 51 , 52 des Gleichspannungszwischenkreises 50 ist eine mit einem Versorgungsnetz (nicht dargestellt) verbindbare
Einspeiseeinrichtung 80 angeschossen, mittels der elektrische Energie von dem Versorgungsnetz in den Gleichspannungszwischenkreis 50 eingespeist und für die Formierung der Batteriezellen 21 der Batteriezellenserienschaltung 20 bereitgestellt werden kann. Die Anschlüsse der zu formierenden
Batteriezellenreihenschaltung 20 sind jeweils über eine Sendeleitung (nicht gekennzeichnet) mit einer Spannungserfassungsvorrichtung 90 verbunden. In dem Stromfluss der Batteriezellenreihenschaltung 20 ist ferner ein Stromsensor 100 angeordnet, der dazu ausgebildet ist, den durch die
Batteriezellenreihenschaltung 20 fließenden Strom zu messen.
Beide Leistungsschalter 30, 40 arbeiten während der Formierung der
Batteriezellenserienschaltung 20 im Schaltbetrieb, und die Einspeiseeinrichtung 80 ist rückspeisefähig ausgelegt. Der obere Leistungshalbleiter 40 wird für Ladeströme und der untere Leistungshalbleiter 30 für Entladeströme eingesetzt. Dadurch wird während der Formierung der Batteriezellen 21 die Entstehung von
Verlustwärme vermieden und die elektrische Energie, die während der
Entladevorgänge der Batteriezellen 21 entnommen wird, in die
Einspeiseeinrichtung 80 zurückgespeist. Figur 3 zeigt eine Formierungsvorrichtung 10 nach einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung. Die Formierungsvorrichtung 10 nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung hat den gleichen Aufbau wie die
Formierungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung mit dem Unterschied, dass die Formierungsvorrichtung 10 nach der zweiten
Ausführungsform der Erfindung eine schaltbare Glättungsdrossel 71 umfasst, die aus einer ersten Teildrossel 72 mit einer Induktivität L-ι (nicht eingezeichnet) und einer mit der ersten Teildrossel 72 zuschaltbaren zweiten Teildrossel 73 mit einer Induktivität L2 (nicht eingezeichnet) ausgebildet ist. Dabei ist die zweite
Teildrossel 73 durch Zuschaltung eines elektronischen oder
elektromechanischen Schalters 74 überbrückbar Die Formierungsvorrichtung 10 arbeitet im geschalteten Betrieb der Leistungshalbleiter 30, 40 und umfasst die schaltbare Glättungsdrossel 71. Dadurch ist die Formierungsvorrichtung 10 für hochgenaue Einprägung von Gleichströmen geeignet und weist gleichzeitig einen hohen Dynamikbereich für die Einprägung von hochfrequenten
Wechselströmen auf.
Aus dem Stand der Technik dahingegen sind Formierendstufen für
Batteriezellen, insbesondere für Lithium-Ionen-Batteriezellen, bekannt, die so ausgelegt werden, dass sie blockförmige Strom- beziehungsweise
Spannungsprofile, die abschnittsweise konstant sind, für das Laden und das Entladen der Batteriezellen realisieren können. Diese aus dem Stand der
Technik bekannten Formierendstufen werden derzeit nicht so ausgelegt, dass sie hochfrequente Strom- und Spannungsprofile bis in den Bereich mehrerer 10 KHz Grundfrequenz realisieren können. Mittels der erfindungsgemäßen Formierendstufen, insbesondere mittels der
Formierendstufen 10 nach der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung, werden Strom- und Spannungsprofile bis in den Bereich mehrerer 10 KHz Grundfrequenz ohne großen Zusatzaufwand mittels des Einsatzes geeigneter Schaltungstopologien, Ansteuerschaltungen für die
Leistungshalbleiter 30, 40, sowie geeigneter Signalelektronik 90, 100 zur
Erfassung der Istwerte der Batteriezellspannungen und der Batteriezellströme realisiert.
Mittels der Formierendstufen 10 nach der ersten und nach der zweiten
Ausführungsform der Erfindung wird ein 2-Quadranten-Betrieb realisiert. Die
Leistungshalbleiter (Halbleiterschalter) 30, 40 arbeiten, im Gegensatz zum Stand der Technik, im geschalteten Betrieb. Dadurch kann die Verlustleistung in den Halbleiterschaltern 30, 40 massiv reduziert werden, und die Formierendstufen 10 können auf einfache Weise rückspeisefähig ausgelegt werden. Das heißt, die bei Entladevorgängen der zu formierenden Batteriezellen 21 entstehende elektrische
Energie kann in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden. Dazu muss die Einspeiseeinrichtung (Einspeiseschaltung) 80 für die Versorgung des
Gleichspannungszwischenkreises 50 rückspeisefähig ausgelegt werden. Zur Glättung der Formierungsströme wird eine Glättungsdrossel 70 oder eine schaltbare Glättungsdrossel 71 eingesetzt. Als Leistungshalbleiter werden in den
Formierendstufen 10 MOSFET-Transistoren eingesetzt, die aufgrund der geringen Ausgangsspannung der Formierendstufe 10 für den hier vorliegenden Anwendungsfall besonders geeignet sind. MOSFET-Transistoren können ohne größere Schwierigkeiten hochfrequent getaktet werden.
Wird die Formierendstufe 10 mit der schaltbaren Glättungsdrossel 71 im
Betriebsmodus„blockförmige Stromverläufe" betrieben, ist die zweite Teildrossel
73 nicht überbrückt. Die Glättungsdrossel 71 weist somit die Gesamtinduktivität U + l_2 auf. Die Dimensionierung der Gesamtinduktivität der Glättungsdrossel 71 kann so erfolgen, dass die Formierungsströme einen aus der Batteriezellensicht zulässigen Wechselanteil nicht überschreiten.
Wird die Formierendstufe 10 im Betriebsmodus„hochfrequente Wechselströme" betrieben, um beispielsweise eine Impedanzspektroskopie der Batteriezellen durchzuführen, wird die zweite Teildrossel 73 überbrückt. Die Glättungsdrossel 71 weist somit die Gesamtinduktivität U auf. Die Dimensionierung der Induktivität U der ersten Teildrossel 72 kann so erfolgen, dass die Formierungsströme eine gewünschte Maximalfrequenz bei einer gleichzeitig gewünschten Stromamplitude erreichen können.
Da die Umschaltung der Betriebsart der Formierendstufe 10 nicht mit hoher Frequenz oder mit hohen dynamischen Anforderungen an den Umschaltvorgang selbst durchgeführt werden kann, können beispielsweise elektromechanische Schalter, wie beispielsweise Relais beziehungsweise Schütze, für den Schalter
74 zum Überbrücken der zweiten Teildrossel 73 zum Einsatz kommen. Die Umschaltung kann üblicherweise dann erfolgen, wenn die Formierendstufe 10 keinen Ausgangsstrom liefert. Die schaltbare Glättungsdrossel 71 kann beispielsweise als Drossel mit zwei Teilwicklungen auf einem gemeinsamen Kern realisiert werden. Die Zusatzkosten für die Realisierung einer schaltbaren Glättungsdrossel 71 sind gegenüber der Verwendung einer üblichen
Glättungsdrossel 70 somit gering.

Claims

Ansprüche
1 . Formierungsvorrichtung (10), die dazu ausgebildet ist, zur Formierung
mindestens einer Batteriezelle (21 ) einer Batterie mindestens einen vorgegebenen Ladevorgang und mindestens einen vorgegebenen
Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle (21 ) durchzuführen und während des Lade- und
Entladevorganges blockförmige Formierungsströme in die Batteriezelle (21 ) einzuprägen, dadurch gekennzeichnet, dass die Formierungsvorrichtung (10) weiter dazu ausgebildet ist, die blockförmigen Ströme während des
Lade- und Entladevorganges jeweils mittels mindesten eines in der
Formierungsvorrichtung (10) geeignet angeordneten und im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiters (30, 40), insbesondere eines
MOSFET-Transistors, zu leiten und in die Batteriezelle (21 ) einzuprägen und die während des Entladevorgangs der Batteriezelle (21 ) entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle (21 ) mit elektrischer Energie zurückzuspeisen.
2. Formierungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 , wobei die
Formierungsvorrichtung (10) einen mit der Batteriezelle (21 ) mittels der
Leistungshalbleiter (30, 40) jeweils verbindbaren
Gleichspannungszwischenkreis (50) und eine Einspeiseeinrichtung (80) zur Einspeisung von elektrischer Energie in den Gleichspannungszwischenkreis (50) umfasst, wobei die Einspeiseeinrichtung (80) rückspeisefähig ausgelegt ist.
3. Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Formierungsvorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, der Batterie eine derartig hohe Ausgangsspannung bereitzustellen, dass die Formierung einer vorbestimmten Anzahl von seriell geschalteten Batteriezellen (21 ) gleichzeitig erfolgen kann. Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Formierungsvorrichtung (10) einen derartig hohen Dynamikbereich aufweist, dass eine Einprägung von Formierungsströmen, die Wechselströme umfassen, die jeweils eine gewünschte Maximalfrequenz haben, und die mittels der jeweils im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiter (30, 40) geleitet werden, in die Batteriezelle (21 ), insbesondere zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle (21 ), erfolgen kann.
Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Formierungsvorrichtung (10) eine Glättungsdrossel (70, 71 ) umfasst, die derartig in der Formierungsvorrichtung (10) angeordnet ist und deren Induktivität derartig dimensioniert ist, dass blockförmige Formierungsströme, die jeweils einen Wechselanteil aufweisen, der einen vorbestimmten
Schwellenwert unterschreitet, zum Einprägen in die Batteriezelle (21 ) erzeugbar sind.
Formierungsvorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei die Glättungsdrossel (71 ) aus einer ersten Teildrossel (72) und einer zweiten mit der ersten Teildrossel (72) seriell schaltbaren und überbrückbaren, insbesondere mittels eines Schalters (74) überbrückbaren, zweiten Teildrossel (73) ausgebildet ist und wobei die Induktivität der ersten Teildrossel (72) derartig dimensioniert ist, dass wenn die zweite Teildrossel (73) überbrückt ist, Formierungsströme, die Wechselströme umfassen, die jeweils eine gewünschte Maximalfrequenz und/oder eine gewünschte Stromamplitude aufweisen, zum Einprägen in die Batteriezelle (21 ) erzeugbar sind.
Verfahren zur Formierung mindestens einer Batteriezelle (21 ) einer Batterie, bei dem mittels einer Formierungsvorrichtung (10) mindestens ein vorgegebener Lade- und mindestens ein vorgegebener Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in der Batteriezelle (21 ) durchgeführt werden, wobei während des Lade- und Entladevorganges blockförmige Formierungsströme in die Batteriezelle (21 ) eingeprägt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die blockförmigen Formierungsströme während des Lade- und Entladevorganges jeweils mittels mindestens eines in der Formierungsvorrichtung (10) geeignet angeordneten und im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiters (30, 40), insbesondere eines MOSFET-Transistors, geleitet und in die Batteriezelle (21 ) eingeprägt werden und die während des Entladevorgangs der Batteriezelle
entnommene elektrische Energie in ein Versorgungsnetz zur Versorgung der Batteriezelle (21 ) mit elektrischer Energie zurückgespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei mittels der Formierungsvorrichtung (10) der Batterie eine derartig hohe Ausgangsspannung bereitgestellt wird, dass eine vorbestimmte Anzahl von seriell geschalteten Batteriezellen (21 ) gleichzeitig formiert werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei eine
Formierungsvorrichtung (10) mit einem derartig hohen Dynamikbereich verwendet wird, dass Formierungsströme, die Wechselströme umfassen, die jeweils eine gewünschte Maximalfrequenz aufweisen, mittels der jeweils im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiter (30, 40) geleitet und in die Batteriezelle (21 ), insbesondere zur Durchführung einer
Impedanzspektroskopie der Batteriezelle (21 ), eingeprägt werden können.
0. Batterie, die eine Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist. 1 . Fahrzeug mit einer Batterie, die zur Formierung mindestens einer
Batteriezelle (21 ) der Batterie eine Formierungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
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