Energiespeichers

B E S C H R E I B U N G

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines wiederaufladbaren Energiespeichers, wobei der Energiespeicher mindestens einen Zellblock mit einer Anzahl J von in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweist.

Ein Energiespeicher umfasst mehrere in Reihe und/ oder parallel geschaltete galvanische Zellen, die als Batteriezellen bezeichnet werden. Bei der Entladung der Batteriezellen wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie kann von einem Verbraucher genutzt werden, der vom elektrischen Stromnetz unabhängig ist, beispielsweise von einem Elektrofahrzeug. Darüber hinaus kann die elektrische Energie des Energiespeichers von einem Verbraucher genutzt werden, der in ein Stromnetz eingebunden ist, um eine Unterbrechung der Stromversorgung durch das Stromnetz zu überbrücken. Der mit wiederaufladbaren Batteriezellen ausgestattete Energiespeicher wird nach einer Entladung wieder aufgeladen, um für den erneuten Einsatz zur Verfügung zu stehen.

Bei Energiespeichern (Akkumulatoren), die aus mehreren seriell miteinander verbundenen wiederaufladbaren Batteriezellen bestehen, ist es unter anderem für die Lebensdauer des Energiespeichers wichtig, dass jede einzelne Zelle weder beim Aufladen des Energiespeichers überladen noch beim Entladen zu tief entladen wird und alle Zellen möglichst den gleichen Ladezustand aufweisen. Dieses gilt insbesondere für Energiespeicher, die aus mehreren seriell miteinander verbundenen Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien und/oder Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien bestehen.

In einer Reihenschaltung der Batteriezellen werden alle Batteriezellen von dem gleichen Ladestrom durchflossen. Da Batteriezellen unterschiedliche Innenwiderstände oder Wirkungsgrade aufweisen können, sind die Verlustleistungen der einzelnen Batteriezellen beim Laden unterschiedlich. Dies führt dazu, dass nicht alle Batteriezellen nach dem Laden die gleiche Kapazität aufweisen, die für ein späteres Entladen genutzt werden kann. Diese Kapazität wird auch als Nutzkapazität bezeichnet. Die Batteriezelle mit dem größten Innenwiderstand oder dem schlechtesten Wirkungsgrad weist nach Abschluss des Aufladens des Zellblocks die geringste Nutzkapazität auf, da bei ihr die Verlustleistung am größten ist. Dies führt bei anschließendem Entladen dazu, dass diese Zelle am weitesten entladen wird. Sie ist also die Batteriezelle mit dem höchsten Depth of Discharge DoD im Zellblock. Je höher aber der DoD einer Zelle, umso niedriger die Lebensdauer dieser Zelle. Dies führt für diese eine Zelle zu einer überproportionalen Alterung und damit zum vorzeitigen Ausfall des Zellblocks.

Zur Bestimmung des jeweiligen Ladezustandes einer Batteriezelle kann deren jeweilige Zellspannung gemessen und dann beim Über- oder Unterschreiten vorgegebener Zellspannungswerte gegebenenfalls ein Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen des Zellblocks erfolgen, sofern die Batteriezellen unterschiedliche Ladezustände aufweisen. Dabei tritt allerdings das Problem auf, dass die Zellspannung zumindest abschnittsweise während des jeweiligen Ladevorganges einer Batteriezelle weitgehend konstant bleibt, so dass es schwierig ist, aus der Zellspannung auf den augenblicklichen Ladezustand der entsprechenden Batteriezelle zu schließen. Lediglich kurz vor Erreichen der jeweiligen Lade- bzw. Entladeschlussspannung ergibt sich ein relativ starker Anstieg bzw. Abfall der jeweiligen Zellspannung, der für entsprechende Regelungsvorgänge für einen Ladungsausgleich herangezogen werden kann. Diese Ausgleichsvorgänge benötigen allerdings sehr viel Zeit. In dieser Zeit ist der Batterieblock nicht für den Normalbetrieb einsetzbar.

In der Regel sind derartige Energiespeicher daher jeweils mit einer häufig auch als Batteriemanagement-System bezeichneten Vorrichtung verbunden, die einerseits mittels einer Ladekontrolleinrichtung den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen ständig überwacht und andererseits versucht, bei unterschiedlichen Ladezuständen der einzelnen Batteriezellen diese auszugleichen. Dabei kann der auch als Balancing bezeichnete Ausgleich der Ladezustände der Batteriezellen durch passives oder aktives Balancing erfolgen. Außerdem beginnt bei den bekannten Batteriemanagementsystemen der Ladungsausgleich erst, wenn mindestens eine der Batteriezellen voll geladen ist, so dass der gesamte Ladevorgang eines Zellblockes relativ zeitaufwendig ist.

Bei dem passiven Balancing wird bei derjenigen Batteriezelle, die ihre Ladeschlussspannung als erstes erreicht hat, die überschüssige Energie über einen Widerstand in Wärme umgewandelt und geht damit für den Ladevorgang verloren.

Bei dem aktiven Balancing wird hingegen die Energie, die man einer Batteriezelle mit zu hoher Zellspannung entnimmt, nicht in thermische Energie umgewandelt, sondern zum Laden der anderen Zellen des Energiespeichers verwendet. Allerdings beginnt auch bei dem aktiven Balancing der Ladungsausgleich erst wenn mindestens eine der Batteriezellen des Zellblockes ihre Ladeschlussspannung erreicht hat.

Aus der DE 102017 009 850 A1 ist ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Energiespeichers mit mindestens einem Zellblock aus mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen ohne aktives oder passives Balancing bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren erreichen alle Batteriezellen gleichzeitig ihre Ladeschlussspannung oder Entladeschlussspannung. Hierzu wird unter Berücksichtigung eines vorgegebenen C-Faktors, welcher dem Quotient von maximalem Ladestrom I _N;max zur Kapazität C _N jeder der Batteriezellen entspricht, aus der Kapazität C _N jeder Batteriezellen ihr charakteristischer maximaler Ladestrom I _N;max bestimmt. Während einer vorgegebenen Zeit t, welche kleiner oder gleich dem Kehrwert des C-Faktors ist, werden alle Batteriezellen gleichzeitig mit den ihnen jeweils zugeordneten maximalen Ladeströmen I _N;max geladen. Die Differenz zwischen dem zur Verfügung stehenden Ladestrom I ₀ und dem maximalen Ladestrom I _N;max einer Batteriezelle wird über Hilfs-Lade- /Entladeeinrichtungen als Hilfs-Ladestrom von dem Zellblock entnommen oder diesem zugeführt. Das Entladen erfolgt entsprechend.

Aus der DE 102019 129415 B3 ist ein Verfahren zum Aufladen und/ oder Entladen eines wiederaufladbaren Energiespeichers mit einem Strom I ₀ bekannt, wobei der Energiespeicher mindestens einen Zellblock mit einer Anzahl J von in Reihe geschalteten Batteriezellen umfasst und mindestens einige der Batteriezellen unterschiedliche Wirkungsgrade η _N mit 1 ≤ N ≤ J aufweisen. Dabei wird zunächst die Batteriezelle mit dem schlechtesten Wirkungsgrad η _min bestimmt. Anschließend werden die Wirkungsgrade η _N aller übrigen Batteriezellen an diesen schlechtesten Wirkungsgrad η _min angeglichen, so dass für den angeglichenen Wirkungsgrad η _N ' der Batteriezellen gilt: η _N ' = η _min .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Energiespeichers mit in Reihe geschalteten Batteriezellen ohne aktives oder passives Balancing zur Verfügung zu stellen, bei dem alle Batteriezellen gleichzeitig geladen werden und am Ende des Ladevorgangs alle Batteriezellen ihre vorgegebene Ladeschlussspannung aufweisen, und zwar insbesondere auch dann, wenn einzelne Batteriezellen unterschiedliche Ladezustände, Kapazitäten, Innenwiderstände, Wirkungsgrade oder Gesundheitszustände aufweisen, wobei auf Hilfsladeströme und Hilfsentladeströme sowie auf eine aktive Angleichung der Wirkungsgrade der Batteriezellen verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Aufladen eines Energiespeichers nach Anspruch 1 gelöst. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem Energiespeicher mit mindestens einem Zellblock mit einer Anzahl J von in Reihe geschalteten Batteriezellen, welche unterschiedliche Kapazitäten C _n , unterschiedliche Innenwiderstände und/ oder unterschiedliche Wirkungsgrade mit 1 ≤ n ≤ J aufweisen können, alle J Batteriezellen mit einem Ladestrom I ₀ aufgeladen werden, bis eine Batteriezelle i mit 1≤ i ≤ J eine für diese Batteriezelle i vorgegebene Ladeschlussspannung U _i,L erreicht, und dass dann für alle Batteriezellen der Ladestrom auf einen Wert l _i reduziert wird, für den gilt: 0A < l _i < I ₀ .

Dabei ist l _i ein für diese Batteriezelle i vorgegebener Ladestrom, bei dem die Zellspannung U _i der Batteriezelle i nicht über die Ladeschlussspannung U _i,L dieser Batteriezelle i ansteigt, während alle Batteriezellen weiterhin mit dem Ladestrom l _i geladen werden.

Alle reduzierten Ladeströme l _i führen nicht zu einem Ansteigen der Zellspannung U _i ,L der Batteriezelle i. Dennoch sorgt der Ladestrom l _i dafür, dass die übrigen Batteriezellen des Zellblocks weiter geladen werden und ihre Zellspannung weiter ansteigt.

Die Zellspannung aller J Batteriezellen wird während des Aufladens kontinuierlich oder zu bestimmten Zeitpunkten bestimmt. Für jede Batteriezelle wird die erfasste Zellspannung regelmäßig mit der für die Batteriezelle vorgegebenen Ladeschlussspannung verglichen. Beispielsweise kann die Zellspannung in regelmäßigen Zeitabständen bestimmt werden. Darüber hinaus kann die Zellspannung immer dann bestimmt werden, wenn eine der Batteriezellen ihre vorgegebene Ladeschlussspannung erreicht hat.

Sobald beim Ladevorgang eine Batteriezelle i ihre Ladeschlussspannung erreicht, wird der Ladestrom von I ₀ auf l _i reduziert. Der Ladevorgang wird von konstantem Strom CC auf konstante Zellspannung Constant Cell Voltage CCV umgeschaltet, so dass in dieser Batteriezelle i die Zellspannung U _i nicht weiter ansteigt. In allen anderen Batteriezellen führt das Laden mit dem reduzierten Ladestrom l _i zu einer Erhöhung der Zellspannung U _n mit 1 ≤n≤J und n≠i und zu einem Ansteigen des Ladezustands.

Der Ladestrom von wird l _i auf einen Ladestrom l _i reduziert mit 1 ≤ j ≤ J und j ≠ i und l _i < l _i , wenn beim Laden der Batteriezellen mit dem Ladestrom l _i eine weitere Batteriezelle j ihre vorgegebene Ladeschlussspannung erreicht, bevor das Aufladen beendet wird. Dies gilt für die Batteriezelle, die nach der Batteriezelle i als nächste ihre vorgegebene Ladeschlussspannung erreicht und auch für jede weitere Batteriezelle, die danach ihre Ladeschlussspannung erreicht, solange das Aufladen noch andauert. Das Aufladen wird erst beendet, wenn der reduzierte Ladestrom kleiner ist als ein vorgegebener Ladestrom-Schwellenwert I _SW .

Da der Ladestrom von I ₀ auf l _i reduziert wird, wenn die Batteriezelle i ihre vorgegebene Ladeschlussspannung U _i,L erreicht hat, und der Ladestrom l _i kleiner ist als I ₀ , kann es beim ersten Aufladen eines Zellblocks nach dem erfindungsgemäßen Aufladen einige Zeit dauern, bis alle Batteriezellen ihre vorgegebene Ladeschlussspannung erreicht haben. Da beim anschließenden Entladen alle Batteriezellen bei ihrer vorgegebenen Ladeschlussspannung starten, werden die Batteriezellen nicht bis zu einer DoD entladen, die zu einer überproportionalen Alterung und zu einem vorzeitigen Ausfall des Zellblocks führt. Es wird davon ausgegangen, dass bei allen weiteren Ladevorgängen dieses Zellblocks die Batteriezellen nahezu gleichzeitig oder kurz nacheinander ihre vorgegebene Ladeschlussspannung erreichen, so dass bei den weiteren Ladevorgängen eine schnelle Aufladung erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von bekannten Verfahren, bei denen der gesamte Zellblock auf eine Block-Ladeschlussspannung geladen wird. Diese Block-Ladeschlussspannung liegt in der Regel deutlich unterhalb einer Ladeschlussspannung, die sich aus der Summe der einzelnen Ladeschlussspannungen aller Zellen ergibt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Zellblock so lange geladen, bis alle Batteriezellen des Zellblocks eine für sie vorgegebene Ladeschlussspannung unter Berücksichtigung einer Toleranz erreicht haben, die klein ist gegenüber der vorgegebenen Ladeschlussspannung der Zellen. Die vorgegebene Ladeschlussspannung für die J Batteriezellen des Zellblocks kann für alle Batteriezellen gleich sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass für verschiedene Batteriezellen unterschiedliche Ladeschlussspannungen vorgegeben werden. Die Ladeschlussspannung des Zellblocks ergibt sich auch hier aus der Summe der Ladeschlussspannungen der einzelnen Batteriezellen.

Der Ladestrom wird für alle Batteriezellen abgeschaltet, wenn der reduzierte Ladestrom l _i oder l _j kleiner als ein vorgegebener Ladestrom-Schwellenwert I _sw ist. Anschließend wird zu jeder Batteriezelle die Zellspannung U _n mit 1≤ n ≤ J bestimmt. Dann werden die Batteriezelle m mit der kleinsten Zellspannung U _m = U _min und die Batteriezelle I mit der größten Zellspannung U _i = U _max bestimmt. Mit Ausnahme der Batteriezelle m werden danach alle anderen Batteriezellen des Zellblocks über Widerstände entladen, die zu den Batteriezellen parallel geschaltet sind, bis für die Zellspannung U _i der Batteriezelle I gilt U _I = U _min . Anschließend wird das erfindungsgemäße Verfahren wiederholt und es werden alle J Batteriezellen mit dem Ladestrom I ₀ geladen, bis die Batteriezelle i als erste ihre vorgegebene Ladeschlussspannung U _i,L erreicht und der Ladestrom auf l _i reduziert wird. Das Absenken der Zellspannung aller Batteriezellen sorgt dafür, dass alle Batteriezellen beim anschließenden Laden mit gleichen oder ähnlichen Zellspannungen starten. Dieser Vorgang des Ladens und anschließenden Entladens bei ausgeschaltetem Ladestrom kann mehrfach wiederholt werden. Dies kann gegebenenfalls In immer kürzeren Intervallen durchgeführt werden. Bei jedem Zyklus nähern sich die Zellspannungen der Zellen weiter aneinander an. Die Abweichung der Ladeschlussspannung der einzelnen Zellen weicht nach mehreren Zyklen immer weniger unter den Zellen ab. Das Verfahren wird beendet, wenn die Differenz U _max - U _min kleiner oder gleich einen vorgegebenen Grenzwert ΔU ₁ ist. Dieser Grenzwert kann beispielsweise 5mV sein.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Erreichen der vorgegebenen Ladeschlussspannung U _iL der Batteriezelle I durch die Reduktion des Ladestroms auf l _i beim Aufiaden des Energiespeichers von konstantem Strom, auch genannt Constant Currant CC, umgeschaltet auf konstante Zellspannung der Batteriezelle i, auch genannt Constant Cell Voltage CCV. Es kommt daher im Unterschied zu bekannten Ladeverfahren auf das Erreichen der Ladeschlussspannung einer Batteriezelle anstelle der Block-Ladeschlussspannung an und darüber hinaus wird bei Erreichen dieses Ziels nicht die Blockspannung auf konstante Spannung CV gesetzt, sondern lediglich die Zellspannung derjenigen Batteriezelle, die bereits ihre vorgegebene Ladeschlussspannung erreicht hat. Alle anderen Batteriezelle werden weiterhin geladen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gilt für den vorgegebenen Spannungswert ΔU ₁ :

0,01 * U _n,L ≤ ΔU ₁ ≤ 0,02 * U _n,L wobei U _n,L die vorgegebene Ladeschlussspannung mindestens einer der J Batteriezellen ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gilt für den vorgegebenen Spannungswert ΔU ₁ : 5 mV ≤ ΔU ₁ ≤ 10 mV.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist für alle J Batteriezellen die vorgegebene Ladeschlussspannung U _n,L gleich und es gilt: U _n,L = U _{n+1 ,L} für 1≤ n ≤ J-1 oder anders ausgedrückt: U _1,L = U _2,L = U _3,L = ... = U _J,L .

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dass der Ladestrom-Schwellenwert I _SW für alle Batteriezellen gleich.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist für jede Batteriezelle der reduzierte Ladestrom I _SW,n vorgegeben in Abhängigkeit von einem jeder Batteriezelle zugeordneten maximalen Ladestrom I _n,max . Dabei gilt für den reduzierten Ladestrom I _SW,n : 0,01 I _n;max ≤ I _SW,n ≤ 0,02 I _n;max mit 1

Der maximale Ladestrom I _n;max einer Batteriezelle wird unter Berücksichtigung eines vorgegebenen C-Faktors bestimmt. Dabei entspricht der C-Faktor dem Quotient aus maximalem Ladestrom I _n;max und Kapazität C _n der betreffenden Batteriezelle. Der maximale Ladestrom einer Batteriezelle und der C-Faktor werden beispielsweise von einer Kontroll- und Steuereinrichtung bestimmt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entspricht der reduzierte Ladestrom I _n für jede Batteriezelle zwischen 1 % und 2% des Ladestroms I ₀ und es gilt:

0,01 I ₀ ≤ I _n 0,02 I ₀ . Der reduzierte Ladestrom I _n kann für alle Batteriezellen gleich sein. Alternativ dazu kann der reduzierte Ladestrom unterschiedlich sein.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für alle J Batteriezellen nach dem Laden des Zellblocks die Kapazität C _n mit 1 ≤ n ≤ J bestimmt. Dabei weisen zunächst alle J Batteriezellen die gleiche Ladeschlussspannung unter Berücksichtigung der Toleranz ΔU ₁ auf. Die Ladeschlussspannung stimmt für alle Batteriezellen entweder mit ihrer vorgegebenen Ladeschlussspannung U _n,L überein oder weicht von dieser um maximal ΔU ₁ ab und es gilt: U _n,L - ΔU ₁ ≤ U _n U _n,L .. Ausgehend von dieser Ladeschlussspannung der Batteriezellen werden alle J Batteriezellen mit dem Entladestrom I ₀ ' entladen. Sobald eine Batteriezelle p mit 1 ≤ p ≤ J ihre vorgegebene Entladeschlussspannung U _p,E erreicht, wird die Entladung aller Batteriezellen gestoppt und es wird die Zeit t _E vom Beginn der Entladung bis zum Ende der Entladung bestimmt. Anschließend wird zu jeder Batteriezelle die Zellspannung U _n mit 1 ≤ n ≤ J zum Zeitpunkt t _E bestimmt. Zu der Batteriezelle p, welche als erste ihre vorgegebene Entladeschlussspannung U _p,E erreicht hat, wird aus der zeit t _E , dem Entladestrom I ₀ ' , der Ladeschlussspannung U _p,L und der Zellspannung U _P = U _p,E die Kapazität C _P bestimmt. Zu der Batteriezelle p wird die Zellspannung zwischen dem Beginn der Entladung und dem Ende der Entladung in Abhängigkeit von der Zeit als Spannungs-Zeit-Kurve vorgegeben. Auf dieser Spannungs-Zeit-Kurve der Batteriezelle p werden den Zellspannungen U _n ; welche die Batteriezellen zum Zeitpunkt t _E aufweisen, Zeiten t _n zugeordnet. Aus den Zeiten t _n und der Kapazität C _P wird für alle verbleibenden J-1 Batteriezellen ihre Kapazität C _n bestimmt, die diese beim Erreichen ihrer vorgegebenen Entladeschlussspannung aufweisen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zu allen Batteriezellen beim Entladen die Zellspannung in Abhängigkeit von derzeit erfasst. Für alle Batteriezellen wird die Zellspannung in Abhängigkeit von der Zeit als Spannungs-Zeit-Kurve abgespeichert.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Kapazität C _n der J Batteriezellen in bestimmten Zeitabständen bestimmt und in einem Speicher abgespeichert. Sie steht damit für Vergleiche oder zur Bestimmung des Alterungszustands der Batteriezellen zur Verfügung und kann bei Bedarf abgerufen werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist für jede Batteriezelle die initiale Kapazität C _n,initial mit 1 ≤ n < J vorgegeben, wobei die initiale Kapazität C _n,initial diejenige Kapazität ist, die die Batteriezelle vor der Erstinbetriebnahme aufweist. Für jede Batteriezelle wird in bestimmten Zeitabständen aus der Kapazität C _n und der initialen Kapazität C _n,initial der Zustand State of Health SoH der Batteriezelle bestimmt mit folgender Gleichung: SoH = C _n / C _n,initial * 100. Dabei kann die initiale Kapazität C _n,initial mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unmittelbar bei der Erstinbetriebnahme des Zellblocks bestimmt werden oder mit einem anderen Verfahren oder sie kann von einem Hersteller vorgegeben werden. Der Alterungszustand der Batteriezellen kann auf diese Weise in bestimmten Zeitabständen oder auf konkrete Anfrage bestimmt werden und steht damit jederzeit zur Verfügung. Der Zustand SoH der Batteriezellen kann in einem Speicher abgespeichert werden, so dass er zu beliebigen Zeitpunkten abgerufen werden kann. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt:

Figur 1 Schaltplan eines Energiespeichers,

Figur 2 Zellspannung in Abhängigkeit von der Zeit bei drei Batteriezellen des Zellblocks des Energiespeichers gemäß Figur 1

Figur 3 Spannungs-Zeit-Diagramm der Batteriezellen eines von Figur 1 verschiedenen Energiespeichers.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist ein Schaltplan eines Energiespeichers 1 dargestellt, der beispielsweise zur Energieversorgung eines Versorgungsnetzes eines Gebäudes dient und durch eine Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie (Photovoltaikanlage, Windstromanlage, Biogasanlage etc.) beispielsweise über einen bidirektionalen AC/DC-Wandler 100 auf- und entladbar ist. Der Energiespeicher 1 umfasst bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Zellblock 2 mit fünf seriell miteinander verbundenen, wiederaufladbaren Batteriezellen 3, 4, 5, 6, 7. Die Anzahl J der Batteriezellen beträgt damit 5: J=5. Dabei weist - die Batteriezelle mit n=1 die Bezugszahl 3 auf,

- die Batteriezelle mit n=2 die Bezugszahl 4 auf,

- die Batteriezelle mit n=3 die Bezugszahl 5 auf,

- die Batteriezelle mit n=4 die Bezugszahl 6 auf,

- die Batteriezelle mit n=5 die Bezugszahl 7 auf.

Jede der Batteriezellen 3 bis 7 ist mit einem schaltbaren Widerstand 8, 9, 10, 11 , 12 ausgestattet. Dabei ist der schaltbare Widerstand 8 der Batteriezelle 3 parallelgeschaltet. Entsprechendes gilt für die Widerstände 9, 10, 11 , 12 und die Batteriezellen 4, 5, 6, 7. Schaltbar bedeutet, dass die Widerstände für eine zeitlich begrenzte Dauer während des Ladens oder Entladens des Zellblocks zu den Batteriezellen parallel geschaltet sind.

Zur Kontrolle des Lade- bzw. Entladezustandes der einzelnen Batteriezellen 3 bis 7 ist eine Kontroll- und Speichereinrichtung 13 vorgesehen, die über entsprechende Datenleitungen 14 sowohl mit den schaltbaren Widerständen 8 bis 12 als auch mit dem bidirektionalen AC/DC-Wandler 100 verbunden ist.

Nachfolgend wird das Laden des Zellblocks 2 beschrieben:

Alle Batteriezellen 3 bis 7 im Zellblock 2 werden zunächst mit dem Ladestrom I ₀ geladen. Die Zellspannung der Batteriezellen wird kontinuierlich erfasst. Für jede Batteriezelle wird die erfasste Zellspannung U _n mit der vorgegebenen Ladeschlussspannung U _n,L dieser Batteriezelle verglichen. Für alle Batteriezellen 3 bis 7 ist die vorgegebene Ladeschlussspannung U _n,L gleich. Sie beträgt 4,2 V. Es gilt: U _1,L = U _2,L = U _3,L = U _4,L = U _5,L = 4,2 V. Das Aufladen aller Batteriezellen mit dem Ladestrom I ₀ dauert an, bis eine der Batteriezellen 3 bis 7 als erste ihre vorgegebene Ladeschlussspannung erreicht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies die Batteriezelle mit n=2 und Bezugszahl 4. Die Batteriezelle i, die als erste ihre vorgegebene Ladeschlussspannung erreicht, ist damit die Batteriezelle 4 und es gilt i=2. Nun wird der Ladestrom auf I ₂ reduziert, wobei gilt: 0A < I ₂ < I ₀ . Anschließend werden alle Batteriezellen 3 bis 7 mit dem Ladestrom I ₂ geladen, bis die nächste Batteriezelle ihre vorgegebene Ladeschlussspannung erreicht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies die Batteriezelle mit n= 1 und Bezugszahl 3. Die Batteriezelle j, die als zweite ihre vorgegebene Ladeschlussspannung erreicht, ist Batteriezelle 3. Nun wird der Ladestrom auf I ₁ reduziert, wobei gilt: OA < I ₁ < < I ₂ < I ₀ .

Anschließend wird beim Erfassen der Zellspannungen U _n und dem Vergleichen der Zellspannungen U _n mit den vorgegebenen Ladeschlussspannungen U _n,L der Batteriezellen festgestellt, dass auch die übrigen Batteriezellen mit den Bezugszahlen 5, 6, 7 bereits eine Zellspannung aufweisen, die sich von ihrer vorgegebenen Ladeschlussspannung um maximal die Toleranz AU1 = 5 mV unterscheiden. Das Aufladen wird beendet. Die Block-Ladeschlussspannung des Zellblocks beträgt 5*4,2 V= 21 V. Dies gilt auch unter Berücksichtigung der Toleranz AU1 = 5 mV für die Ladeschlussspannung jeder der Batteriezellen.

Wenn festgestellt wird, dass der reduzierte Ladestrom I ₁ kleiner ist als ein vorgegebener Ladestrom-Schwellenwert I _SW , wird der Ladestrom abgeschaltet. Dann wird diejenige Batteriezelle ermittelt, die die kleinste Zellspannung aufweist. Im vorliegenden Fall ist dies die Batteriezelle 6 mit n=4. Ferner wird die Batteriezelle mit der größten Zellspannung ermittelt. Im vorliegenden Fall ist dies die Bateriezelle 4 mit n=2. Es gilt U ₄ < U ₅ < U ₃ < U ₁ < U ₂ .

Dann werden die Batteriezellen 3, 4, 5 und 7 bei ausgeschaltetem Ladestrom über die ihnen zugeordneten schaltbaren Widerstände 8, 9, 10, 12 entladen, bis ihre Zellspannung mit der Zellspannung U4 übereinstimmt. Dann wird der Vorgang des Ladens mit I ₀ wie oben beschrieben wiederholt. Da bei der Wiederaufnahme des Ladens nun alle Batteriezellen bei der gleichen Zellspannung beginnen, wird davon ausgegangen, dass die vorgegebenen Ladeschlussspannungen wie oben beschrieben erreicht werden. Das Bestimmen der Kapazitäten C _n der Batteriezellen 3 bis 7 erfolgt folgendermaßen:

Zu Beginn ist der Zellblock 2 geladen, wobei alle Batteriezellen 3 bis 7 ihre vorgegebene Ladeschlussspannung U _n = 4,2 V aufweisen mit 1≤n≤5. Dann wird der Zellblock 2 mit dem Entladestrom I ₀ ' entladen. Durch die in Reihe geschalteten Batteriezellen 3 bis 7 fließt der Entladestrom lo‘. Während dem Entladen wird kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen die Zellspannung U _n der Batteriezellen 3 bis 7 bestimmt und mit der Entladeschlussspannung U _n,E verglichen, die für jede der Batteriezellen vorgegeben ist. Wenn festgestellt wird, dass mindestens eine der Batteriezellen 3 bis 7 ihre vorgegebene Entladeschlussspannung erreicht hat, passiert folgendes:

- die Entladung des Zellblocks 2 wird beendet, so dass kein Entladestrom mehr fließt,

- die Zeit t _E wird bestimmt, welche vom Beginn der Entladung bis zum Ende der Entladung vergangen ist,

- zu jeder Batteriezelle wird die Zellspannung U _n (t _E ) bestimmt, welche die Batteriezellen 3 bis 7 zum Zeitpunkt t _E aufweisen,

- zu der Batteriezelle 5 mit n=3, welche als erste ihre vorgegebene Entladeschlussspannung erreicht hat, wird aus der Zeit t _E , dem Entladestrom l ₀ ', der Ladeschlussspannung U _3,L der Batteriezelle 5 und der Entladeschlussspannung U ₃ (t _E ) = U _3,E die Kapazität C ₃ der Batteriezelle 5 bestimmt,

- zu der Batteriezelle 5 mit n=3 wird eine Spannungs-Zeit-Kurve erstellt, indem während des Entladens von t=0 see bis t= t _E die Zellspannung in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen wird,

- auf dieser Spannungs-Zeit-Kurve werden den Zellspannungen U _n (t _E ) aller Batteriezellen außer der Batteriezelle 5 Zeiten t _n zugeordnet, für die gilt U _n (t _E ) = U ₃ (t _n ), - aus den Zeiten t _n und der Kapazität C ₃ wird für die Batteriezellen 3, 4, 6, 7 die Kapazität bestimmt, die die Batteriezellen 3, 4, 6, 7 beim Erreichen ihrer vorgegebenen Entladeschlussspannung aufweisen.

In Figur 2 sind die Spannungs-Zeit-Kurven U _n (t) der Batteriezellen 3, 4 und 5 mit n=1 , 2 und 3 beim Entladen des Zellblocks 2 mit dem Entladestrom I ₀ ' dargestellt. Die Spannungs-Zeit-Kurven der Batteriezellen 6 und 7 mit n=4 und n=5 sind zur Vereinfachung und zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Batteriezelle 5 mit n=3 erreicht als erste ihre vorgegebene Entladeschlussspannung U3,E zum Zeitpunkt t= t _E . Zu diesem Zeitpunkt weisen die Batteriezelle 3 mit n=1 die Zellspannung U ₁ (t _E ) und die Batteriezelle 4 mit n=2 die Zellspannung U ₂ (t _E ) auf, wobei U _3,E < U ₁ (t _E ) < U ₂ (t _E ). Die beiden Batteriezellen 3, 4 mit n=1 und n=2 haben zum Zeitpunkt t _E ihre Entladeschlussspannungen UI ,E und U2,E noch nicht erreicht. Anhand der Spannungs-Zeit-Kurve U ₃ (t) werden den Zellspannungen U ₁ (t _E ) und U ₂ (t _E ) Zeiten t ₁ und t ₂ zugeordnet, so dass gilt: U ₁ (t _E ) = U ₃ (t ₁ ) und U ₂ (t _E ) = U3(t ₂ ).

Aus den Spannungen U ₃ (t ₁ ) und U ₃ ( t ₂ ), den Zeiten t ₁ , t ₂ und t _E und der bereits bestimmten Kapazität C ₃ werden anschließend die Kapazitäten Ci und C2 berechnet, die die Batteriezellen 3, 4 mit n=1 und n=2 beim Erreichen ihrer vorgegebenen Entladeschlussspannung U _1,E und U _2,E aufweisen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Spannungs-Zeit-Kurven der Batteriezellen 3, 4 qualitativ mit der Spannungs-Zeit-Kurve der Batteriezelle 5 übereinstimmen.

Die Bestimmung der Kapazitäten der Batteriezellen 6, 7 erfolgt entsprechend.

Die auf diese Weise bestimmten Kapazitäten C _n mit 1 ≤ n ≤ 5 werden auch als Nutzkapazitäten bezeichnet.

Die Kapazitäten C ₁ , C ₂ , C ₃ , C ₄ und C ₅ werden in einem in der Zeichnung nicht dargestellten Speicher abgespeichert. In diesem Speicher sind darüber hinaus die Kapazitäten C _n,initial abgespeichert, die jede der fünf Batteriezellen vor der Erstinbetriebnahme aufwies. Dies initiale Kapazität ist für jede der Batteriezellen vorgegeben. Anhand der Gleiche SoH = C _n / C _n,initial * 100 wird für jede der fünf Batteriezellen der Alterungszustand SoH bestimmt und abgespeichert.

Figur 3 zeigt zwei Zyklen des Entladens und anschließenden Ladens eines Zellblocks mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen. Die Anzahl der Zellen ist größer als bei dem in Figur 1 dargestellten Zellblock 2. Der Aufbau des Zellblocks ist jedoch ansonsten entsprechend zu dem in Figur 1 dargestellten Zellblock 2. In dem Schaubild gemäß Figur 3 ist zu den einzelnen Zellen des Zellblocks die Zellspannung U in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Zum Zeitpunkt to wird in einem ersten Zyklus das Laden beendet und der Ladestrom I ₀ ausgeschaltet: lo=OA. Es wird davon ausgegangen, dass zuvor mindestens eine Zelle ihre vorgegebene Ladeschlussspannung U _n,L erreicht hat, dass daraufhin mindestens einmal der Ladestrom reduziert wurde und dass der reduzierte Ladestrom l _i oder l _j kleiner als ein vorgegebener Ladestrom-Schwellenwert ist. Zum Zeitpunkt to hat die Zelle m mit der kleinsten Zellspannung die Spannung Um = U _min und die Zelle I mit der größten Zellspannung die Spannung U _I = U _max . Da es sich um die kleinste Zellspannung im ersten Zyklus handelt, wird sie als U _min.1 bezeichnet. Ab dem Zeitpunkt to werden mit Ausnahme der Zelle m alle übrigen Zellen bei ausgeschaltetem Ladestrom über Widerstände entladen, welche den Zellen parallelgeschaltet sind. Die den Zellen parallelgeschalteten Widerstände entsprechen der Darstellung in Figur 1 . Das Entladen der Zellen dauert von to bis t ₁ . In diesem Zeitraum sinkt die Zellspannung der Zellen. Das Entladen wird zum Zeitpunkt t ₁ beendet, wenn die Zellspannung der Zelle I U _min.1 entspricht: U _I = U _min.1 . Zu diesem Zeitpunkt liegt die Zellspannung U _n der Zellen in einem Bereich U _n ≤ U _min.1 . Zum Zeitpunkt t ₁ wird der Ladestrom I ₀ wieder eingeschaltet und die Zellen werden wieder geladen, bis zum Zeitpunkt t ₂ , zu dem mindestens eine Zelle erneut ihre Ladeschlussspannung erreicht hat, der Ladestrom mindestens einmal reduziert wurde und der reduzierte Ladestrom l _i oder l _j kleiner als ein vorgegebener Ladestrom-Schwellenwert I _SW ist. Zum Zeitpunkt t ₂ wird der Ladestrom wieder ausgeschaltet. Der erste Zyklus, der von to bis t ₂ dauert, ist abgeschlossen. Zum Zeitpunkt t ₂ weist die Zelle mit der kleinsten Zellspannung die Spannung U _min,2 auf. Diese Spannung ist größer als die Zellspannung U _min.1 zu Beginn des ersten Zyklus. Es gilt U _min,2 > U _min.1 . Vom Zeitpunkt t ₂ bis zum Zeitpunkt t ₃ werden die Zellen bis auf die Zelle mit der kleinsten Zellspannung bei ausgeschaltetem Ladestrom über die ihnen parallel geschalteten Widerstände wieder entladen, bis zum Zeitpunkt t ₃ , wenn die Zellspannung der Zelle I U _min,2 entspricht: U _I = U _min,2 . Dann wird der Ladestrom wieder eingeschaltet und die Zellen werden wieder bis zum Zeitpunkt t ₄ geladen. Zum Zeitpunkt t ₄ weist die Zelle mit der kleinsten Zellspannung die Spannung U _min,3 auf. Diese Spannung ist größer als die Zellspannung U _min,2 und U _min.1 zu Beginn des ersten und zweiten Zyklus. Es gilt U _min,3 > U _min,2 > U _{min, 1} . Der zweite Zyklus dauert von t ₂ bis t ₄ . Die Darstellung gemäß Figur 3 zeigt folgendes:

- die Zellspannung U _min wird von Zyklus zu Zyklus größer, so dass der Unterschied zwischen der Ladeschlussspannung U _max der Zelle mit der größtem Zellspannung und U _min immer kleiner wird. Die Wiederholung der Zyklen kann beendet werden, wenn sich die Zellspannungen U _max und U _min in einem Zyklus um weniger als einen vorgegebenen Wert unterscheiden.

- Die Dauer der Zyklen wird kürzer, da U _min größer wird.

Sämtliche Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszahlen

1 Energiespeicher

2 Zellblock

3 Batteriezelle

4 Batteriezelle

5 Batteriezelle

6 Batteriezelle

7 Batteriezelle

8 Schaltbarer Widerstand

9 Schaltbarer Widerstand

10 Schaltbarer Widerstand

11 Schaltbarer Widerstand

12 Schaltbarer Widerstand

13 Kontroll- und Speichereinrichtung

14 Datenleitung

100 bidirektionaler AC/DC-Wandler