Titel

Batteriesystem und Verfahren zum Balancieren der Batteriezellen eines Batterie- systems

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Balancieren der Batteriezellen eines Batteriesystems gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10.

Stand der Technik

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z.B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z.B. in Hybrid- und Elektrofahr- zeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann (z.B. ein Ausfall der Traktionsbatterie bei einem Elektrofahrzeug) oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann (bei Windkraftanlagen werden z.B. Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen).

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik. Zwischen dem Pluspol 10 und dem Minuspol 12 des Batteriesystems sind eine Lade- und Trenneinrichtung 14, eine Vielzahl von Batteriezellen Z-i, Z _n sowie optional eine weitere Trenneinrichtung 16 in Reihe geschaltet. Die Lade- und Trenneinrichtung 14 umfasst einen Trennschalter 18, einen Ladeschalter 20 sowie einen Ladewiderstand 22. Die optionale Trenneinrichtung 16 umfasst einen Trennschalter 24. Um die Anforderungen an die Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erfüllen, werden eine Vielzahl von Batteriezellen Ζ-ι, Z _n in Reihe geschaltet werden; es ist auch bekannt, Batteriezellen oder in Reihe geschaltete Gruppen von Batteriezellen parallel zu schalten.

Ein Problem beim Einsatz vieler einzelner in Reihe geschalteter Batteriezellen besteht darin, dass die Batteriezellen nicht perfekt gleich sind, was zu ungleichen

Zellspannungen führen kann, insbesondere über längere Zeitspannen von der Größenordnung der Lebensdauer der Batterie. Da insbesondere bei Lithium- Ionen-Batterien das Überladen oder das Tiefentladen einzelner Zellen zu einer irreversiblen Schädigung der Batterie führt, muss in regelmäßigen Zeitabständen ein sogenanntes Zell-Balancing durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Zellen durch externe Beschaltungsmaßnahmen so ge- oder entladen, dass sie wieder gleiche Zellspannung besitzen.

Stand der Technik ist dabei das sogenannte Widerstandsbalancing, bei dem ein Widerstand oder eine Widerstandskombination über Schalter einzelne Zellen so lange belastet, bis alle Zellen das gleiche Spannungsniveau erreicht haben. Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems nach diesem Prinzip. Die in Reihe geschalteten Batteriezellen Z-i, Z _n werden über die Schalter Si, S _n mit den Widerständen R-i, R _n belastet. Beispielsweise wird die Batteriezelle Z-i über die Widerstände Ri und R ₂ entladen, wenn der Schalter Si eingeschaltet ist.

Bei diesem Verfahren werden zunächst alle Zellspannungen gemessen, die Spannungen der einzelnen Zellen miteinander verglichen und über eine zentrale Steuersoftware die Schalter so lange eingeschaltet, bis die zu entladenden Zellen auf das gewünschte Niveau entladen sind.

Das Balancieren von Batteriezellen nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass in der Batterie gespeicherte Energie durch Verlustleistung in den Widerständen in Wärme umgewandelt wird, um den gewünschten Ladungsausgleich zu erreichen.

Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild eines aus der DE-Anmeldung 10200804361 1 .9 bekannten Batteriesystems, bei dem das Balancieren der Batteriezellen durch einen Ladungstransfer zwischen benachbarten Zellen erfolgt. In Zellen überschüssige Energie wird hier nicht in Wärme umgewandelt, um eine Angleichung aller Zellen zu erreichen, sondern von Zelle zu Zelle transferiert. Die in Reihe geschalteten Batteriezellen Z-ι bis Z ₃ werden beim Einschalten der in einer integrierten Schaltung 26 angeordneten Transistoren Si bis S ₃ über die Dioden D _a1 bis D _a6 und die Induktivitäten L _a1 bis L _a4 balanciert. Dabei sind jeder Batteriezelle zwei Dioden und zwei Induktivitäten zugeordnet, wobei je zwei be- nachbarten Batteriezellen eine gemeinsame Induktivität zugeordnet ist. Beispielsweise sind der Batteriezelle Z ₂ die Dioden D _a3 und D _a4 und die Induktivitäten L _a2 und L _a3 zugeordnet, wobei die Induktivität L _a2 den Batteriezellen Z-ι und Z ₂ gemeinsam zugeordnet ist und die Induktivität L _a3 den Batteriezellen Z ₂ und Z ₃ gemeinsam zugeordnet ist.

Ein erstes Ende der ersten einer Batteriezelle zugeordneten Induktivität ist mit dem negativen Pol besagter Batteriezelle verbunden, und ein zweites Ende der ersten einer Batteriezelle zugeordneten Induktivität ist mit einem ersten Ende des besagter Batteriezelle zugeordneten Transistors verbunden. Ein erstes Ende der zweiten einer Batteriezelle zugeordneten Induktivität ist mit dem positiven Pol besagter Batteriezelle verbunden, und ein zweites Ende der zweiten einer Batteriezelle zugeordneten Induktivität ist mit einem zweiten Ende des besagter Batteriezelle zugeordneten Transistors verbunden. Beispielsweise ist ein erstes Ende der Induktivität L _a2 mit dem negativen Pol der Batteriezelle Z ₂ verbunden, ein zweites Ende der Induktivität L _a2 ist mit einem ersten Ende des Transistors S ₂ verbunden, ein erstes Ende der Induktivität L _a3 ist mit dem positiven Pol der Batteriezelle Z ₂ verbunden, und ein zweites Ende der Induktivität L _a3 ist mit einem zweiten Ende des Transistors S ₂ verbunden. Die erste einer Batteriezelle zugeordnete Diode verbindet in Durchlassrichtung das erste Ende des besagter Batteriezelle zugeordneten Transistors mit dem positiven Pol besagter Batteriezelle, und die zweite einer Batteriezelle zugeordnete Diode verbindet in Durchlassrichtung den negativen Pol besagter Batteriezelle mit dem zweiten Ende des besagter Batteriezelle zugeordneten Transistors. Bei- spielsweise verbindet die Diode D _a3 in Durchlassrichtung das erste Ende des

Transistors S ₂ mit dem positiven Pol der Batteriezelle Z ₂ , und die Diode D _a4 verbindet in Durchlassrichtung den negativen Pol der Batteriezelle Z ₂ mit dem zweiten Ende des Transistors S ₂ .

Wird der Transistor S ₂ eingeschaltet, so wird ein Strom in den Induktivitäten L _a3 und L _a3 aufgebaut. Nach einer bestimmten Zeit wird der Transistor S ₂ wieder ausgeschaltet. Die in den Induktivitäten L _a2 und L _a3 gespeicherte Energie wird nun wieder abgebaut. Besitzt beispielsweise die Batteriezelle Z-ι eine niedrigere Spannung als die Batteriezelle Z ₂ , so wird die in der Induktivität L _a2 gespeicherte Energie über die der Batteriezelle 7.^ zugeordnete Diode D _a2 in die Batteriezelle Z abgebaut. Besitzt dagegen die Batteriezelle Z ₂ eine niedrigere Spannung als die Batteriezelle Z-i , so wird die in der Induktivität L _a2 gespeicherte Energie über die der Batteriezelle Z ₂ zugeordnete Diode D _a3 in die Batteriezelle Z ₂ abgebaut.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass der Source-Anschluss jedes Transistors über einen Potenzialbereich von -V bis +V floaten kann, wobei V die Spannung einer einzelnen Batteriezelle ist, was die Ansteuerung der Transistoren - insbesondere in integrierten Schaltungen - erheblich kompliziert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Balancieren der Batteriezellen eines Batteriesystems anzugeben, welche diesen Nachteil überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Balancieren der Batteriezellen eines Batteriesystems anzugeben, bei welchen die in den Batteriezellen gespeicherte Energie nicht in Wärme umgewandelt, sondern von Batteriezelle zu Batteriezelle transferiert wird, und der Spannungsbereich, für den die Transistoren ausgelegt sein müssen, gegenüber dem aus der DE-Anmeldung 10200804361 1.9 bekannten Batteriesystem reduziert ist. Dadurch kann das Balancieren der Batteriezellen besonders vorteilhaft mit integrierten Schaltkreisen durchgeführt werden.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels eines Batteriesystems mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen und eines Verfahren mit den im Anspruch 10 genannten Merkmalen gelöst.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst mindestens drei in Reihe geschaltete Batteriezellen, wobei eine erste Batteriezelle mit einer zweiten Batteriezelle verbunden ist und die zweite Batteriezelle mit einer dritten Batteriezelle verbunden ist, mindestens ein Schaltmittel, mindestens zwei Gleichrichtmittel, die dazu ausgelegt sind, nur in einer Richtung einen Stromfluss zuzulassen, und mindestens ein Energiespeichermittel zum zeitweiligen Speichern in dem Batteriesystem gespeicherter Energie. Das mindestens eine Energiespeichermittel ist dazu ausgelegt, nach dem Einschalten des mindestens einen Schaltmittels in der zweiten Batteriezelle gespeicherte Energie zeitweilig zu speichern. Die mindestens zwei Gleichrichtmittel sind dazu ausgelegt, nach dem Ausschalten des mindestens einen Schaltmittels in dem mindestens einen Energiespeichermittel gespeicherte Energie der ersten Batteriezelle zuzuführen, wenn das Verhältnis der Spannung der ersten Batteriezelle zu der Spannung der dritten Batteriezelle niedriger ist als das Verhältnis der Soll-Spannung der ersten Batteriezelle zu der Soll-Spannung der dritten Batteriezelle, und in dem mindestens einen Energiespeichermittel gespeicherte Energie der dritten Batteriezelle zuzuführen, wenn das Verhältnis der Spannung der ersten Batteriezelle zu der Spannung der dritten Batteriezelle höher ist als das Verhältnis der Soll-Spannung der ersten Batteriezelle zu der Soll-Spannung der dritten Batteriezelle. Dadurch wird erreicht, dass die Batteriezellen balanciert werden, ohne dass in den Batteriezellen gespeicherte Energie gezielt in Wärmeenergie umgewandelt wird, und dass das mindestens eine Schaltmittel durch einen Transistor realisiert werden kann, dessen Source-Anschluss auf konstantem Potential bleibt und der daher nur eine einfache Ansteuerung benötigt.

Vorzugsweise umfasst das Batteriesystem mindestens einen Transformator, wobei das mindestens eine Energiespeichermittel durch die Sekundärwicklung des mindestens einen Transformators gebildet ist. Jedes der mindestens zwei Gleichrichtmittel kann eine Diode sein. Das mindestens eine Schaltmittel kann ein Transistor sein. Das mindestens eine Schaltmittel kann in einer integrierten Schaltung angeordnet sein.

Vorzugsweise ist ein erstes Ende des mindestens einen Schaltmittels mit einem ersten Pol der zweiten Batteriezelle leitend verbunden, ein zweites Ende des mindestens einen Schaltmittels mit einem ersten Ende der Sekundärwicklung des mindestens einen Transformators leitend verbunden und ein zweites Ende der Sekundärwicklung des mindestens einen Transformators mit einem zweiten Pol der zweiten Batteriezelle leitend verbunden. Vorzugsweise ist ein erstes Ende der Primärwicklung des mindestens einen Transformators, das dem ersten Ende der Sekundärwicklung des mindestens einen Transformators entspricht, mit dem ersten Pol der zweiten Batteriezelle leitend verbunden, ein zweites Ende der Primärwicklung des mindestens einen Transformators mit einem ersten Ende eines ersten Gleichrichtmittels leitend verbunden und ein zweites Ende des ersten Gleichrichtmittels mit dem ersten Pol der ersten Batteriezelle leitend verbunden.

Vorzugsweise ist ein erstes Ende eines zweiten Gleichrichtmittels mit dem ersten Ende der Sekundärwicklung des mindestens einen Transformators leitend verbunden und ein zweites Ende des zweiten Gleichrichtmittels mit dem zweiten Pol der dritten Batteriezelle leitend verbunden.

Vorzugsweise ist das Verhältnis der Windungszahl der Primärwicklung des mindestens einen Transformators zu der Windungszahl der Sekundärwicklung des mindestens einen Transformators gleich dem Verhältnis der Soll-Spannung der dritten Batteriezelle zu der Soll-Spannung der ersten Batteriezelle.

Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Balancieren der Batteriezellen eines Batteriesystems bereit, wobei das Batteriesystem mindestens drei in Reihe geschaltete Batteriezellen umfasst, wobei eine erste Batteriezelle mit einer zweiten Batteriezelle verbunden ist und die zweite Batteriezelle mit einer dritten Batteriezelle verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: Einschalten eines Schaltmittels, Speichern von in der zweiten Batterie gespeicherter Energie in einem Energiespeichermittel, Ausschalten des Schaltmittels, Zuführen in dem Energiespeichermittel gespeicherter Energie an die erste Batteriezelle mittels eines ersten Gleichrichtmittels, wenn das Verhältnis der Spannung der ersten Batteriezelle zu der Spannung der dritten Batteriezelle niedriger ist als das Verhältnis der Soll-Spannung der ersten Batteriezelle zu der Soll- Spannung der dritten Batteriezelle, und Zuführen in dem Energiespeichermittel gespeicherter Energie an die dritte Batteriezelle mittels eines zweiten Gleichrichtmittels, wenn das Verhältnis der Spannung der ersten Batteriezelle zu der Spannung der dritten Batteriezelle höher ist als das Verhältnis der Soll-Spannung der ersten Batteriezelle zu der Soll-Spannung der dritten Batteriezelle. Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems mit einer Vielzahl von Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems, in dem die Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik balanciert werden;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems gemäß der DE-Anmeldung 10200804361 1.9; und

Fig. 4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems. Drei Batteriezellen Z-i, Z ₂ und Z ₃ sind in Reihe geschaltet. Das Batteriesystem kann weitere Batteriezellen umfassen, von denen je drei benachbarte Batteriezellen entsprechend den Batteriezellen Z-i, Z ₂ und Z ₃ verschaltet sein können. Der positive Pol der Batteriezelle Z-i ist mit dem negativen Pol der Batteriezelle Z ₂ verbunden, und der positive Pol der Batteriezelle Z ₂ ist mit dem negativen Pol der Batteriezelle Z ₃ verbunden. Jeder Batteriezelle, die mit zwei Batteriezellen be- nachbart ist, sind ein Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung sowie zwei Dioden und ein Transistor zugeordnet. Beispielsweise sind der Batteriezelle Z ₂ ein Transformator mit der Primärwicklung L _b3 und der Sekundärwicklung L _b4 sowie die Dioden D _b3 und D _b4 und der Transistor Q ₂ zugeordnet.

Ein erstes Ende des Transistors Q ₂ ist mit dem negativen Pol der Batteriezelle Z ₂ verbunden, ein zweites Ende des Transistors Q ₂ ist mit einem ersten Ende der Sekundärwicklung L _b4 verbunden, und ein zweites Ende der Sekundärwicklung L _b4 ist mit dem positiven Pol der Batteriezelle Z ₂ verbunden.

Das dem ersten Ende der Sekundärwicklung L _b4 entsprechende erste Ende der Primärwicklung L _b3 ist mit dem negativen Pol der Batteriezelle Z ₂ verbunden, ein zweites Ende der Primärwicklung L _b3 ist mit einem ersten Ende der Diode D _b3 verbunden, und ein zweites Ende der Diode D _b3 ist mit dem negativen Pol der Batteriezelle Zi verbunden. Ein erstes Ende der Diode D _b4 ist mit dem ersten Ende der Sekundärwicklung L _b4 verbunden, und ein zweites Ende der Diode D _b4 ist mit dem positiven Pol der Batteriezelle Z ₃ verbunden.

Die Durchlassrichtung der Dioden ist so gewählt, dass die Batteriezelle Z-ι über die Diode D _b3 geladen aber nicht entladen werden kann und dass die Batteriezelle Z ₃ über die Diode D _b4 geladen aber nicht entladen werden kann.

Wird der Transistor Q ₂ eingeschaltet, so wird ein Strom in der Induktivität L _b4 aufgebaut. Nach einer bestimmten Zeit wird der Transistor Q ₂ wieder ausgeschaltet. Die in der Induktivität L _b4 gespeicherte Energie wird nun wieder abgebaut. Besitzt beispielsweise die Batteriezelle .^ eine niedrigere Spannung als die Batteriezelle Z ₃ , so wird die in der Induktivität L _b4 gespeicherte Energie über die Diode D _b3 in die Batteriezelle .^ abgebaut. Besitzt dagegen die Batteriezelle Z ₃ eine niedrigere Spannung als die Batteriezelle Z-i , so wird die in der Induktivität L _b4 gespeicherte Energie über die Diode D _b4 in die Batteriezelle Z ₃ abgebaut. Somit wird Energie in die geringer geladene Batteriezelle transferiert. Durch geeignete Betätigung der Transistoren Q-ι , Q ₂ , Q ₃ , ... können so sämtliche Batteriezellen miteinander balanciert werden.

Die obige Beschreibung geht davon aus, dass wie üblich sämtliche Batteriezellen dieselbe Soll-Spannung aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, Batteriezellen mit verschiedenen Soll-Spannungen zu balancieren; in diesem Fall muss das Verhältnis der Windungszahl der Primärwicklung L _b3 zu der Windungszahl der Sekundärwicklung L _b4 gleich dem Verhältnis der Soll-Spannung der Batteriezelle Z ₃ zu der Soll-Spannung der Batteriezelle Zi sein.