WO2021239383A1 - Verfahren zum betrieb eines batteriesystems - Google Patents

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WO2021239383A1
WO2021239383A1 PCT/EP2021/061291 EP2021061291W WO2021239383A1 WO 2021239383 A1 WO2021239383 A1 WO 2021239383A1 EP 2021061291 W EP2021061291 W EP 2021061291W WO 2021239383 A1 WO2021239383 A1 WO 2021239383A1
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accumulator
battery system
cells
battery
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PCT/EP2021/061291
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Jan Buck
Matthias Reckermann
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Marquardt Gmbh
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention is based on a method for operating a battery system according to the preamble of claim 1.
  • Such a method can be used in particular for a lithium-ion battery in an electric vehicle, such as an e-automobile, an e-bike, an e-scooter or the like.
  • Such a battery system comprises at least two serially and / or parallel-connected accumulator cells.
  • the electrical cell voltages of the accumulator cells are measured, for example in order to achieve uniform discharging and / or charging of the accumulator cells.
  • the weakest battery cell limits the capacity and / or service life of the battery system.
  • the invention is based on the object of increasing the capacity and / or life of the battery system.
  • the accumulator cell with the higher cell voltage in particular the one with the highest cell voltage
  • the accumulator cell with the lower cell voltage in particular the one with the lowest cell voltage
  • an additional cell can be provided for the battery system in such a way that the accumulator cell is charged with the low cell voltage from the additional cell.
  • Accumulators are created by combining individual cells in series and / or in parallel. In a battery system, the worst cell in the system limits the overall performance of the battery. This means that if a cell is weakened, for example due to aging, cell defects, tolerances or the like, this weakened cell determines the current flow and / or the capacity of the accumulator. Such cell defects can be caused by contamination during production, aging effects of accumulators, for example the memory effect, lithium plating, an SEI layer or the like.
  • the SEI layer Solid-Electrolyte Interphase
  • Li-ion batteries Lion
  • lithium-titanate batteries at the interface between the anode, the consists of carbon, and forms the electrolyte, and which is created by the decomposition of the electrolyte.
  • the SEI layer increases the internal resistance of the battery, which has a negative impact on the battery.
  • the invention is based on the idea of actively introducing a parallel current to the cell in a series system with the help of an additional cell or from the existing battery system, and / or to provide support for one or more damaged cells with parallel current in order to maintain the performance of the entire battery .
  • an increase in the service life of accumulators and / or accumulator or battery systems is achieved.
  • this ensures a constant acceleration capacity of electric vehicles due to the constant internal resistance of the accumulator.
  • FIG. 1 shows a battery system in a schematic view
  • FIG. 2 shows an electrical circuit for operating the battery system from FIG. 1 according to a first embodiment
  • FIG. 3 shows an electrical circuit for operating the battery system from FIG. 1 according to a second embodiment
  • FIG. 4 shows an electrical circuit for operating the battery system from FIG. 1 according to a third embodiment
  • FIG. 5 shows an electrical circuit for operating the battery system from FIG. 1 according to a fourth embodiment
  • FIG. 6 shows an electrical circuit for operating the battery system from FIG. 1 according to a fifth embodiment
  • FIG. 7 shows an electrical circuit for operating the battery system from FIG. 1 according to a sixth embodiment.
  • the battery system 1 shows a battery system 1 with a housing 2, the battery system 1 comprising at least two accumulator cells 3 connected in series and / or in parallel.
  • a plurality of accumulator cells 3 are arranged in the housing 2.
  • the housing 2 there is also a measuring device 4, with the aid of which the electrical cell voltages of the accumulator cells 3 are measured. If necessary, the measuring device 3 can determine further measured values, such as the temperature, of the battery cells.
  • a control device 5 for operating the battery system 1 is located in the housing 2.
  • the control device 5 causes electrical current 6 to be drawn from a battery cell 3 'and / or electrical current 7 in an accumulator cell 3 ′′ is introduced in such a way that the cell voltages of the accumulator cells 3, 3 ′, 3 ′′ are balanced.
  • the control device 5 operates the battery system in such a way that the accumulator cell 3 'is discharged with the higher and / or with the highest cell voltage.
  • the accumulator cell 3 ′′ is charged with the lower and / or with the lowest cell voltage.
  • an additional cell 8 can also be provided the additional cell 8 is removed and fed into the accumulator cell 3 ′′.
  • the multi-winding circuit comprises a multi-winding transformer 10 with a secondary winding and primary windings that are dependent on the number of cells.
  • This multi-winding transformer 10 enables one of the accumulator cells in the stack to be recharged. Since all turns of the multi-winding transformer 10 share the same transformer core, a saving in core material and thus installation space and / or weight is possible.
  • the accumulator cell 3 'with the highest cell voltage is actively transferred to the secondary side, specifically parallel to the stack. As a result, the accumulator cell 3 'with the highest cell voltage is discharged.
  • the battery cells 3 ′′ with a low state of charge in the stack are thereby charged, which leads to an increase in the cell voltage.
  • This process is carried out for each battery cell 3 ′ in the stack with a higher cell voltage until the voltages have been balanced
  • the primary side is possible.
  • the energy is transferred from the stack to the respective accumulator cell 3, which leads to a lowering of the externally measurable cell resistance.
  • it is necessary to use a bidirectional MOSFET circuit instead of a simple n-channel MOSFET. This is due to the MOSFET internal body diode.
  • FIG. 3 a multi-winding circuit with a completely galvanically separated additional cell 8 for drawing and / or introducing electrical current 6, 7 can be seen. If necessary, the additional cell 8 can absorb the aging of the accumulator cells 3 in the stack by actively shifting the charge.
  • the transformer is designed as a multi-winding transformer 10 and has a winding on the secondary side, which is connected to a buffer cell 8 via a switching element 11.
  • the number of primary turns depends on the number of battery cells 3 in the series network.
  • the charge of the accumulator cell 3 'with the highest charge can be actively transferred to the buffer cell 8 by means of the flyback converter principle from one of the primary cells to the secondary cell.
  • Accumulator cells 3 "with too low a voltage can be charged via the buffer cell 8 according to the flyback converter principle.
  • a bidirectional circuit variant is required here due to the internal body diode of the MOSFET, since otherwise each of the primary cells would be charged Multiwinding circuit with additional cell 8 and a DC-DC converter 12 for drawing and / or introducing electrical current 6, 7.
  • This circuit is a unidirectional transmission of power by means of transformers 8, which support accumulators Lator cells 3 with low internal resistance and / or low capacity allows.
  • the buffer cell 8 can be charged over the entire stack by means of the DC-DC converter 12.
  • the main advantage is the unidirectional control, since this enables the switches 13 to be controlled easily. This in turn keeps the software and / or hardware expenditure low. With the multi-winding transformer 10, the weight can also be reduced. When using it, it must be ensured that a bidirectional MOSFET variant of the switch 13 is used, since with a simple n-channel MOSFET it is not possible to block the cell-side primary windings due to the parasitic body diode. This would have the consequence that all the accumulator cells 3 are charged as soon as a transfer from the buffer cell 8 of the secondary side to the primary side is to take place.
  • FIG. 5 shows a bidirectional circuit with simple transformers 14, which have a primary winding and a secondary winding, for drawing and / or introducing electrical current 6, 7.
  • the circuit enables a bidirectional transfer of charge between the accumulator cells 3.
  • This circuit has a high degree of freedom, since each of the transformers 14 can be controlled independently of the other time.
  • charge can be transferred from the overall stack corresponding to the secondary side to the desired accumulator cell 3 corresponding to the primary side. If one or more accumulator cells 3 in the stack is slightly damaged, this partial damage can be largely absorbed by the fully functional accumulator cells 3. Compared to the standard series network, this ensures that the battery system 1 can continue to have the majority of its functionality despite the damage to individual accumulator cells.
  • Fig. 6 is a bidirectional circuit with simple transformers 14 and an additional cell 3 '''for removing and / or introducing electrical Shem stream 6, 7 can be seen.
  • the circuit consists of simple transformers 14, each of which is connected on the primary side to an accumulator cell 3.
  • On the secondary side the individual windings are connected in parallel to the overall stack.
  • the transfer of electrical charge can take place simultaneously, which enables a high degree of freedom in the transfer of cell energy.
  • Due to the ground tap 15 above the first accumulator cell 3 ''', the system has an additional cell available which can be switched on as required and / or SoH (State of Health) of the remaining accumulator cells 3 in the stack. A transfer of charge takes place here, too, according to the flyback converter principle.
  • FIG. 7 a non-galvanically isolated circuit with DC-DC converters 12 for drawing and / or introducing electrical current 6, 7 can be seen.
  • the DC-DC converters 12 set the potential of the uppermost accumulator cell 3 in the stack to the respective potential of the accumulator cell 3 in the
  • the method according to the invention for operating a battery system can be used not only for electric vehicles, but also advantageously for batteries for power tools, computers, laptops, household appliances, other electrical appliances or the like.
  • Control device 6 (withdrawn) current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems, umfassend wenigstens zwei seriell und/oder parallel geschaltete Akkumulatorzellen, wobei die elektrischen Zellspannungen der Akkumulatorzellen gemessen werden. Bei Feststellung von unterschiedlichen Zellspannungen wird elektrischer Strom aus einer Akkumulatorzelle entnommen und/oder elektrischer Strom in eine Akkumulatorzelle eingebracht, derart, dass ein Ausgleich der Zellspannungen der Akkumulatorzellen erzielt ist.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems
Beschreibung:
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Batteriesys tems nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren lässt sich insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batterie in einem Elektrofahrzeug, wie einem E-Automobil, einem E-Bike, einem E- Roller o. dgl. , verwenden.
Ein derartiges Batteriesystem umfasst wenigstens zwei seriell und/oder parallel geschaltete Akkumulatorzellen. Beim Betrieb des Batteriesystems werden die elektrischen Zellspannungen der Akkumulatorzellen gemessen, beispielsweise um ein gleichmäßiges Entladen und/oder Aufladen der Akkumulatorzellen zu erzielen. Dabei begrenzt die schwächste Akkumulatorzelle die Kapazität und/oder Lebensdauer des Batteriesystems. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kapazität und/oder Lebens dauer des Batteriesystems zu steigern.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des Batteriesystems durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Feststellung von unterschiedlichen Zellspannungen elektrischer Strom aus einer Akkumulatorzelle entnommen und/oder elektrischer Strom in eine Akkumulatorzelle eingebracht. Dies erfolgt derart, dass ein Ausgleich der Zellspannungen der Akkumulator- zellen erzielt wird. Anders als bisher wird nicht nur das Ent- und/oder Aufladen der Akkumulatorzellen durch die gemessenen Zellspannungen gesteuert, sondern vielmehr aktiv Strom aus einer Zelle entnommen und/oder in eine Zelle eingespeist, um einen Ausgleich der Zellspannungen zu erzielen. In vorteilhafterWeise werden dadurch die Lebensdauer und/oder die Leistungsfähigkeit des Batteriesystems verbessert. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In weiterer Ausgestaltung des Betriebsverfahrens kann die Akkumulatorzelle mit der höheren Zellspannung, und zwar insbesondere diejenige mit der höchsten Zellspannung, entladen werden. Und/oder es kann die Akkumula- torzelle mit der niedrigeren Zellspannung, insbesondere diejenige mit der niedrigsten Zellspannung, aufgeladen werden. Des Weiteren kann eine Zusatzzelle für das Batteriesystem vorgesehen sein, derart, dass die Akkumulatorzelle mit der niedrigen Zellspannung von der Zusatzzelle aufgeladen wird. Mit Hilfe dieser Maßnahmen lässt sich eine weitere Steigerung der Lebensdauer des Batteriesystems erzielen.
Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist nachfolgen des festzustellen. Akkumulatoren werden durch das serielle und/oder parallele Kombinieren von Einzelzellen erstellt. In einem Akkusystem begrenzt die schlechteste Zelle im System die Gesamtleistung des Akkumulators. Das bedeutet, ist eine Zelle geschwächt, beispielsweise durch Alterung, Zelldefekte, Toleran- zen o. dgl. , so bestimmt diese geschwächte Zelle den Stromfluss und/oder die Kapazität des Akkumulators. Solche Zelldefekte können durch Ver schmutzung während der Produktion, Alterungseffekte von Akkumulatoren, beispielsweise den Memoryeffekt, Lithiumplating, eine SEI-Schicht o. dgl. entstehen. Bei der SEI-Schicht (Solid-Electrolyte Interphase - Feststoff-Elektrolyte- Zwischenphase) handelt es sich um eine passive Grenzschicht, die sich in Lithium-Ionen-Akkus (Lilon) und Lithium-Titanat-Akkus an der Grenzfläche zwischen der Anode, die aus Kohlenstoff besteht, und dem Elektrolyt bildet, und die durch die Zersetzung des Elektrolyts entsteht. Durch die SEI-Schicht erhöht sich der Innenwiderstand des Akkus, was einen nachteiligen Einfluss auf den Akku ausübt.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde ein aktives Einbringen eines Parallelstroms zur Zelle im Serienverbund mit Hilfe einer Zusatzzelle oder aus dem bestehenden Akkuverbund vorzusehen, und/oder ein Stützen einer oder mehrerer beschädigter Zellen mit Parallelstrom vorzusehen, um somit ein Beibehalten der Leistungsfähigkeit des Gesamtakkumulators zu erzielen. Insbesondere wird somit eine Steigerung der Lebensdauer von Akkumulatoren und/oder Akku- bzw. Batteriesystemen erzielt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in Folgendem: Bei beschädigten Akkumulatorzellen kann das Batteriesystem weiter verwendet werden und muss nicht mit hohem Kosteneinsatz erneuert werden.
Durch längere Nutzungsmöglichkeit von Batteriesystemen steigt die Umweltbilanz der Akkumulatorzellen, da diese länger und/oder effektiver verwendet werden können.
Es wird eine Langzeitstabilität der zur Verfügung stehenden Energiemenge erreicht. Beispielsweise gewährleistet dies eine gleichbleibende Reichweite eines E-Fahrzeugs auch nach etlichen Kilometern. - Die Leistungsfähigkeit des Batteriesystems wird aufrechterhalten.
Beispielsweise gewährleistet dies ein gleichbleibendes Beschleunigungsvermögen von E-Fahrzeugen aufgrund des gleichbleibenden Innenwiderstands des Akkumulators.
Es wird eine Erhöhung der Effizienz durch ein mögliches aktives Ba- lancing erreicht. Dies ist eine weitere Eigenschaft des erfindungsgemäßen Batteriesystems aufgrund der Symmetrierung der Zellspannungen.
Die Zufriedenheit der Benutzer wird durch verbesserte Eigenschaften des Batteriesystems gesteigert. - Es wird eine Akzeptanzsteigerung von Elektrofahrzeugen durch Entfall des Reichweitenabhängigen Lebensdauer Risikos erzielt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Batteriesystem in schematischer Ansicht, Fig. 2 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus Fig. 1 gemäß einer ersten Ausführung,
Fig. 3 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus Fig. 1 gemäß einer zweiten Ausführung, Fig. 4 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus Fig. 1 gemäß einer dritten Ausführung,
Fig. 5 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus Fig. 1 gemäß einer vierten Ausführung,
Fig. 6 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus Fig. 1 gemäß einer fünften Ausführung und
Fig. 7 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus Fig. 1 gemäß einer sechsten Ausführung.
In Fig. 1 ist ein Batteriesystem 1 mit einem Gehäuse 2 zu sehen, wobei das Batteriesystem 1 wenigstens zwei seriell und/oder parallel geschaltete Akkumulatorzellen 3 umfasst. Vorliegend ist eine Mehrzahl von Akkumulatorzellen 3 im Gehäuse 2 angeordnet. Im Gehäuse 2 befindet sich weiter eine Messvorrichtung 4, mit deren Hilfe die elektrischen Zellspannungen der Akkumulatorzellen 3 gemessen werden. Die Messvorrichtung 3 kann bei Bedarf weitere Messwerte, wie beispielsweise die Temperatur, der Akkuzel- len ermitteln. Des Weiteren befindet sich im Gehäuse 2 eine Steuervorrichtung 5 zum Betrieb des Batteriesystems 1. Bei Feststellung von unterschiedlichen Zellspannungen der Akkumulatorzellen 3 durch die Messvorrichtung 4 bewirkt die Steuervorrichtung 5, dass elektrischer Strom 6 aus einer Akkumulatorzelle 3' entnommen und/oder elektrischer Strom 7 in eine Akkumulatorzelle 3" eingebracht wird, derart, dass ein Ausgleich der Zellspannungen der Akkumulatorzellen 3, 3', 3" erzielt ist. Insbesondere betreibt die Steuervorrichtung 5 das Batteriesystem derart, dass die Akkumulatorzelle 3' mit der höheren und/oder mit der höchsten Zellspannung entladen wird. Hingegen wird die Akkumulatorzelle 3" mit der niedrigeren und/oder mit der niedrigsten Zellspannung aufgeladen. Des Weiteren kann auch eine Zusatzzelle 8 vorgesehen sein. In diesem Fall wird die Akkumulatorzelle 3" mit der niedrigen Zellspannung von der Zusatzzelle 8 aufgeladen, indem Strom 9 von der Zusatzzelle 8 entnommen und in die Akkumulatorzelle 3" eingespeist wird.
Nachfolgend sollen noch mehrere Schaltungsanordnungen zur Realisierung des beschriebenen Verfahrens zum Betrieb des Batteriesystems 1 dargestellt und näher erläutert werden.
In Fig. 2 ist eine Multiwinding-Schaltung ohne Zusatzzelle zum Entnehmen und/oder Einbringen von elektrischem Strom 6, 7 zu sehen. Die Multiwinding- Schaltung umfasst einen Multiwinding-Transformator 10 mit einer Sekun- därwicklung und zellenanzahlabhängigen Primärwicklungen. Dieser Multiwinding-Transformator 10 ermöglicht das Umladen einer der Akkumulatorzellen im Stack. Da sich alle Windungen des Multiwinding- Transformators 10 denselben Transformatorkern teilen, ist eine Einsparung an Kernmaterial und somit Bauraum und/oder Gewicht möglich. Die Akkumu- latorzelle 3' mit der höchsten Zellspannung wird aktiv auf die Sekundärseite und zwar parallel zum Stack umgeladen. Hierdurch wird eine Entladung der Akkumulatorzelle 3' mit der höchsten Zellspannung erreicht. Die Akkumulatorzellen 3" mit niedrigem Ladezustand im Stack werden hierdurch geladen, was zu einer Anhebung der Zellspannung führt. Dieser Vorgang wird für jede Akkumulatorzelle 3' im Stack mit höherer Zellspannung durchgeführt, bis ein Abgleich der Spannungen erfolgt ist. Auch ein Umladen der Sekundärseite auf die Primärseite ist möglich. Hierbei wird die Energie aus dem Stack auf die jeweilige Akkumulatorzelle 3 umgeladen, was zu einem Absenken des äußerlich messbaren Zellenwiderstands führt. Um diese Übertragungsrich- tung umzusetzen ist es nach dem Sperrwandlerprinzip notwendig, eine bidirektionale MOSFET Schaltung anstatt einem einfachen n-Kanal MOSFET zu verwenden. Dies ist bedingt durch die MOSFET interne Bodydiode. Wird im Transformatorkern von der stackseitigen Sekundärwicklung ein Magnet- feld aufgebaut und anschließend durch Abschalten wieder abgebaut, so kommt es in jeder der Primärwicklungen zum Stromfluss durch die Bodydio de des MOSFET. Dies macht eine Begrenzung der Umladung auf bestimmte Akkumulatorzellen 3 nicht möglich, was den Freiheitsgrad der Schaltungsvariante etwas senkt. In Fig. 3 ist eine Multiwinding-Schaltung mit vollständig galvanisch getrennter Zusatzzelle 8 zum Entnehmen und/oder Einbringen von elektrischem Strom 6, 7 zu sehen. Durch die Zusatzzelle 8 können im Bedarfsfall Alterungserscheinungen der Akkumulatorzellen 3 im Stack durch aktives Verschieben von Ladung aufgefangen werden. Der Transformator ist als Multiwinding- Transformator 10 ausgeführt und verfügt sekundärseitig über eine Wicklung, die an einer Pufferzelle 8 über ein Schaltelement 11 angeschlossen ist. Die Anzahl der Primärwindungen hängt von der Anzahl der Akkumulatorzellen 3 im Serienverbund ab. Die Ladung der Akkumulatorzelle 3' mit der höchsten Ladung kann aktiv auf die Pufferzelle 8 mittels dem Sperrwandlerprinzip von einer der Primärzellen auf die Sekundärzelle umgeladen werden. Akkumula torzellen 3" mit zu geringer Spannung können über die Pufferzelle 8 nach dem Sperrwandlerprinzip geladen werden. Jedoch ist hier bedingt, durch die interne Bodydiode des MOSFET eine bidirektionale Schaltungsvariante notwendig, da ansonsten jede der Primärzellen geladen würde. In Fig. 4 ist eine unidirektionale Multiwinding-Schaltung mit Zusatzzelle 8 und einem DC-DC-Wandler 12 zum Entnehmen und/oder Einbringen von elektri schem Strom 6, 7 zu sehen. Bei dieser Schaltung handelt es sich um eine unidirektionale Übertragung der Leistung mittels Transformatoren. Die Schaltung umfasst eine Zusatzzelle 8, welche das Unterstützen von Akkumu- latorzellen 3 mit geringem Innenwiderstand und/oder geringer Kapazität ermöglicht. Die Pufferzelle 8 kann über den Gesamtstack mittels des DC-DC- Wandlers 12 geladen werden. Den Hauptvorteil stellt die unidirektionale Ansteuerung dar, da dies eine einfache Ansteuerung der Schalter 13 ermög- licht. Dies hält wiederum den Software- und/oder Hardwareaufwand gering. Mit dem Multiwinding-Transformator 10 kann das Gewicht zusätzlich reduziert werden. Es ist bei der Verwendung darauf zu achten, dass eine bidirek tionale MOSFET-Variante des Schalters 13 Anwendung findet, da bei einem einfachen n-Kanal MOSFET ein Sperren der zellseitigen Primärwicklungen aufgrund der parasitären Bodydiode nicht möglich ist. Dies hätte zur Folge, dass alle Akkumulatorzellen 3 geladen werden, sobald eine Übertragung aus der Pufferzelle 8 der Sekundärseite zu der Primärseite erfolgen soll.
In Fig. 5 ist eine bidirektionale Schaltung mit einfachen Transformatoren 14, die eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisen, zum Ent- nehmen und/oder Einbringen von elektrischem Strom 6, 7 zu sehen. Die Schaltung ermöglicht ein bidirektionales Transferieren von Ladung zwischen den Akkumulatorzellen 3. Hierdurch besitzt diese Schaltung einen hohen Freiheitsgrad, da jeder der Transformatoren 14 zeitunabhängig zu den anderen angesteuert werden kann. Zusätzlich kann Ladung vom Gesamt- stack entsprechend der Sekundärseite auf die gewünschte Akkumulatorzelle 3 entsprechend der Primärseite übertragen werden. Kommt es zu einer geringen Beschädigung von einer oder mehreren Akkumulatorzellen 3 im Stack, so können diese Teilbeschädigungen durch die vollfunktionsfähigen Akkumulatorzellen 3 zu einem Großteil abgefangen werden. Dies sorgt gegenüber dem standardmäßigen Serienverbund dafür, dass das Batteriesystem 1 trotz der Beschädigung von einzelne Akkumulatorzellen weiter den Großteil seiner Funktionsfähigkeit aufweisen kann.
In Fig. 6 ist eine bidirektionale Schaltung mit einfachen Transformatoren 14 und einer Zusatzzelle 3"' zum Entnehmen und/oder Einbringen von elektri- schem Strom 6, 7 zu sehen. Die Schaltung besteht aus einfachen Transformatoren 14, welche primärseitig jeweils an eine Akkumulatorzelle 3 gebunden sind. Sekundärseitig sind die einzelnen Wicklungen parallel mit dem Gesamtstack verbunden. Die Übertragung von elektrischer Ladung kann hierbei simultan erfolgen, was einen hohen Freiheitsgrad bei der Übertragung der Zellenenergie ermöglicht. Durch den Masseabgriff 15 oberhalb der ersten Akkumulatorzelle 3"' steht dem System eine zusätzliche Zelle zur Verfügung, die je nach Bedarf und/oder SoH (State of Health / Gesundheitszustand) der restlichen Akkumulatorzellen 3 im Stack zugeschalten werden kann. Eine Übertragung von Ladung findet hier ebenfalls nach dem Sperr wandler-Prinzip statt.
In Fig. 7 ist eine nicht galvanisch getrennte Schaltung mit DC-DC-Wandlern 12 zum Entnehmen und/oder Einbringen von elektrischem Strom 6, 7 zu sehen. Die DC-DC-Wandler 12 setzen das Potential der obersten Akkumula- torzelle 3 im Stack auf das jeweilige Potential der Akkumulatorzelle 3 im
Serienverbund um. Hierdurch kann ein Stromfluss und somit eine Ladung der Akkumulatorzelle 3 erfolgen. Soll eine Akkumulatorzelle 3 entladen werden, so wird der Gesamtstack belastet sowie alle Akkumulatorzellen 3, die nicht am Entladevorgang beteiligt sind, mit dem Stackstrom geladen. Dies bedeu- tet, dass die Akkumulatorzellen 3, die nicht entladen werden sollen, mit demselben Strom belastet werden, mit dem sie auch geladen werden. Dies resultiert in einem statischen Zustand. Der Vorteil dieser Schaltung liegt in der nicht benötigten galvanischen Trennung. Dies macht es möglich die komplexen und kostenintensiven Bauteile, wie einen Transformator einzu- sparen. Da der äußere Masseabgriff 15 um eine Akkumulatorzelle 3 im Stack verschoben ist, kann dem Gesamtsystem zusätzlich Leistung zugefügt werden. Dies macht es möglich, gegen eine zyklische sowie kalendarische Alterung durch aktives Umladen von Energie aus der Pufferzelle 3"' vorzugehen. Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Batteriesys- tems nicht nur für Elektrofahrzeuge, sondern in vorteilhafter Weise bei Batterien für Elektrowerkzeuge, Computern, Laptops, Hausgeräten, sonstigen Elektrogeräten o. dgl. Verwendung finden.
Bezugszeichen-Liste:
1 : Batteriesystem
2: Gehäuse
3: Akkumulatorzelle 3': Akkumulatorzelle (mit höherer Zellspannung)
3": Akkumulatorzelle (mit niedrigerer Zellspannung)
3"': Akkumulatorzelle / Zusatzzelle / Pufferzelle
4: Messvorrichtung
5: Steuervorrichtung 6: (entnommener) Strom
7: (eingebrachter) Strom
8: Zusatzzelle / Pufferzelle
9: Strom (von Zusatzzelle entnommen)
10: Multiwinding-Transformator 11: Schaltelement
12: DC-DC-Wandler
13: Schalter
14: Transformator
15: Masseabgriff

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (1), umfassend wenigstens zwei seriell und/oder parallel geschaltete Akkumulatorzellen (3), wobei die elektrischen Zellspannungen der Akkumulatorzellen (3) ge- messen werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung von unterschiedlichen Zellspannungen elektrischer Strom (6) aus einer Akkumulatorzelle (3) entnommen und/oder elektrischer Strom (7) in eine Akkumulatorzelle (3) eingebracht wird, derart dass ein Ausgleich der Zellspannungen der Akkumulatorzellen (3) erzielt ist.
2. Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatorzelle (3') mit der höheren, insbesondere mit der höchsten, Zellspannung entladen und/oder die Akkumulatorzelle (3") mit der niedrigeren, insbesondere mit der niedrigsten, Zellspannung aufgeladen wird.
3. Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzzelle (8) vorgesehen ist, derart, dass die Akkumulatorzelle (3') mit der niedrigen Zellspannung von der Zusatzzelle (8) aufgeladen wird.
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