Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zum Schalten von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher sowie ein Verfahren zum Schalten von Zellen eines elektrochemischen

Energiespeichers. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung

Verbesserungen bei der Ansteuerung der einzelnen Zellen zur Verringerung von Schaltverlusten.

Im Stand der Technik ist es bekannt, einzelne elektrochemische Speicherzellen ("Zellen") eines elektrochemischen Energiespeichers in Reihe und/oder parallel zu schalten, um jeweils gewünschte Quellcharakteristiken zu erzielen. Eine Reihenschaltung elektrochemischer Energiespeicher erhöht die maximale Klemmenspannung, während eine Parallelschaltung den maximalen

Klemmenstrom erhöht. Um ungleichen Ladungs- und Gesundheitszuständen der einzelnen Zellen des elektrochemischen Energiespeichers gerecht zu werden, wird im Stand der Technik vorgeschlagen, die Zellen anhand von

Wahrscheinlichkeitsfunktionen an der Energieabgabe und/oder der

Energieaufnahme des elektrochemischen Energiespeichers teilhaben zu lassen. In diesem Zusammenhang sind auch sogenannte intelligente Zellen ("Smart Cells") vorgeschlagen worden, welche eine elektrochemische Zelle, zwei Leistungshalbleiter bzw. Leistungstransistoren in einer Halbbrückenkonfiguration sowie einen Zellüberwachungsschaltkreis mit einer integrierten Steuereinheit umfassen. Figur 1 zeigt ein Schaltbild einer solchen, auch als intrinsisch sicheren Batteriezelle bezeichneten, Smart Cell. Parallel zu einer Zelle 3 ist ein

Zellüberwachungsschaltkreis 2 sowie eine Anordnung leistungselektronischer Schalter vorgesehen. Letztere weist hintereinander geschaltete

Halbleiterschaltdioden 4, 7 sowie ebenfalls hintereinander geschaltete Dioden 5, 6 auf, welche in umgekehrter Orientierung zu den Halbleiterschaltdioden 4, 7 vorgesehen sind. Die Halbleiterschaltdiode 4 sowie die Diode 5 bilden dabei einen oberen Teil der Halbbrücke, wobei die Halbleiterschaltdiode 7 und die Diode 6 einen unteren Teil der Halbbrücke bilden. Ein zwischen den

Halbleiterschaltdioden 4, 7 und den Dioden 5, 6 vorgesehener Anschluss 8 bildet gemeinsam mit einem am gemeinsamen Schaltpunkt der Zelle 3, des

Zellüberwachungsschaltkreises 2 sowie der unteren Halbbrücke 6, 7

vorgesehenen Anschluss 9 den Ausgang der Smart Cell 1. Beim normalen Betrieb wird die Zelle 3 unter Verwendung des oberen Teils der Halbbrücke 4, 5 eingeschaltet, während der untere Teil der Halbbrücke 6, 7 zum Abschalten der

Zelle 3 verwendet wird. Sobald die Zelle einen unerlaubten Zustand erreicht (z.B. maximal Minus- oder Minimalspannung bzw. Maximaltemperatur bzw.

Minimaltemperatur), wodurch die Sicherheit der Smart Cell 1 beeinträchtigt wird, wird der obere Teil der Halbbrücke 4, 5 abgeschaltet, während der untere Teil 6, 7 eingeschaltet wird. Eine (nicht dargestellte) Alternative zur in Figur 1 dargestellten Smart Cell 1 verwendet eine Vollbrücke, welche eine Umkehr der Polarität der elektrischen Spannung ermöglicht. Um einen vorgegebenen Wert einer Klemmenspannung V _Se t_totai zu erreichen, wird gemäß dem Stand der Technik vorgeschlagen, dass eine Steuereinheit des elektrochemischen

Energiespeichers es einer oder mehreren Smart Cells 1 erlaubt, sich miteinander in Reihe bzw. parallel zu verbinden, während sie jeweils mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit P _on eingeschaltet werden.

Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Erzeugung der Ausgangsspannung V _act uai_totai unter Verwendung einer

Einschaltwahrscheinlichkeit für die Smart Cell 1 . 1m Flussdiagramm 10 wird ein aktueller Vorgabewert für die Spannung V _set total innerhalb einer Steuereinheit 1 1 mit einem Korrekturwert 12 multipliziert. Dem Ergebnis wird ein weiterer Wert addiert, welcher sich aus der Differenz des Vorgabewertes V _set total und einem tatsächlichen Klemmenspannungswert V _ac tuai_totai. welche mit einem zweiten

Korrekturfaktor 14 multipliziert wird, in einem Addierer 13 addiert wird. Im

Ergebnis wird eine Einschaltwahrscheinlichkeit P _on einer Vielzahl 16 von

Batteriezellen zugeführt, welche zum tatsächlichen Spannungswert V _act uai_totai führt, der auf eine Last 17 gegeben werden kann.

In Figur 3 ist ein Prinzipschaltbild einer Reihenschaltung 20 von intrinsisch sicheren Batteriezellen 21 , 22, 23, 2n dargestellt. Eine Steuereinheit 24 macht den Zellen 21 , 22, 23, 2n Vorgaben bezüglich einer Einschaltwahrscheinlichkeit P _on und bzw. oder einer Ausschaltwahrscheinlichkeit P _off . Als Eingabegröße erhält die Steuereinheit 24 die an der Last 17 abfallende Klemmenspannung Vactuaijotai- Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betrieb, insbesondere das Balancing (Zellzustandsausgleich) eines gattungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers effizienter und schneller durchzuführen.

Offenbarung der Erfindung Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch einen zweistufigen Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst. Dabei wird in einem ersten Schritt eine einzige Wahrscheinlichkeitsverteilungskurve zur Anpassung der Spannung einer Zelle erzeugt und in einem zweiten Schritt eine Abweichung der

Klemmenspannung vom Vorgabewert verwendet, um auf Basis der

Ladezustände der Zellen in Verbindung mit einer mathematischen Funktion eine

Korrektur der Zellspannungen zu errechnen. Hierzu umfasst das

erfindungsgemäße Verfahren zum Schalten von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers die folgenden Schritte: Zunächst wird ein erster Sollwert einer Ausgangsspannung des aus mehreren Zellen bestehenden Energiespeichers festgelegt. Dieser kann beispielsweise aufgrund eines Betriebszustandes einer angeschlossenen Last bestimmt werden. Anschließend wird eine erste

Wahrscheinlichkeit zum Schalten einer ersten Zelle des elektrochemischen Energiespeichers festgelegt. Die erste Wahrscheinlichkeit kann auch weiteren Zellen oder sämtlichen Zellen des elektrochemischen Energiespeichers zugewiesen werden. Auf Basis der ersten Wahrscheinlichkeit wird der Betrieb

(Einschalten und oder Ausschalten) der Zelle bestimmt. Die erste

Wahrscheinlichkeit ist hierbei lediglich eine Mindestvoraussetzung zur

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Selbstverständlich können unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten (zum Beispiel Einschaltwahrscheinlichkeit und Ausschaltwahrscheinlichkeit) festgelegt und der ersten Zelle zugeordnet werden. Zudem wird ein erster gemeinsamer Ladezustandsgrenzwert für alle Zellen des elektrochemischen Energiespeichers in Abhängigkeit des ersten Sollwertes (Ausgangsspannung) definiert. Der Ladezustandsgrenzwert bestimmt dabei eine untere Grenze eines Ladezustandes für die Zellen des

elektrochemischen Energiespeichers, unterhalb dessen die erste Zelle unabhängig von der ersten Wahrscheinlichkeit ausgeschaltet bleibt. Dies schließt nicht aus, dass der erste Wahrscheinlichkeitswert der ersten Zelle zugewiesen worden ist. Lediglich seine Anwendung wird durch ein Unterschreiten des Ladezustandsgrenzwertes verhindert. Oberhalb des Ladezustandsgrenzwertes kann die erste Zelle entsprechend der ersten Wahrscheinlichkeit ein- bzw.

ausgeschaltet werden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass ein Ladezustandsausgleich zwischen den Zellen eines elektrochemischen

Energiespeichers viele unabhängige Wahrscheinlichkeitsfunktionen involviert, welche in Summe hohe Schaltverluste erzeugen und eine lange Zeitdauer in Anspruch nehmen können. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Zusätzlich kann das Verfahren ein Festlegen eines zweiten, vom ersten Sollwert der Ausgangsspannung abweichenden Sollwertes der Ausgangsspannung des Energiespeichers umfassen. Dieser zweite Sollwert kann beispielsweise im Ansprechen auf einen veränderten Betriebszustand einer mit dem

elektrochemischen Energiespeicher verbundenen Last festgelegt werden. Im Ansprechen darauf wird der erste gemeinsame Ladezustandsgrenzwert für alle Zellen des elektrochemischen Energiespeichers in Abhängigkeit des zweiten Sollwertes neu definiert. Auf diese Weise kann bestimmt werden, dass beispielsweise bei einem erhöhten Bedarf an elektrischer Leistung auch solche

Zellen an der Leistungsbilanz des elektrochemischen Energiespeichers teilhaben, deren Ladezustand unterhalb des ersten Ladezustandsgrenzwertes, nicht jedoch unterhalb des zweiten (neu definierten) Ladezustandsgrenzwertes liegen. Auf diese Weise kann unabhängig von einer Neudefinition der ersten Wahrscheinlichkeit eine Anpassung der Ausgangsspannung erfolgen, wodurch

Zeitverluste und Signalisierungsaufwand gering ausfallen.

Bevorzugt kann eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Sollwert ermittelt und zur Neudefinition des ersten gemeinsamen

Ladezustandsgrenzwertes verwendet werden. Mit anderen Worten kann auf

Grundlage einer vordefinierten mathematischen Funktion der erste gemeinsame Ladezustandsgrenzwert nach Ermittlung der Änderung der Soll- Ausgangsspannung neu definiert werden. Dies bietet eine einfache Möglichkeit zur Anpassung des ersten Sollwertes.

Bevorzugt kann den Zellen durch den elektrochemischen Energiespeicher (bzw. dessen Steuereinheit) eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Sollwert mitgeteilt werden, im Ansprechen worauf die Zellen anhand eines vordefinierten Algorithmus' den neuen Ladezustandsgrenzwert individuell ermitteln. Der vordefinierte Algorithmus kann beispielsweise eine Anzahl von gespeicherten Werten umfassen, aus welchen die einzelne Zelle einen der Differenz nächstliegenden auswählt und einen zugeordneten

Ladezustandsgrenzwert lädt und fortan verwendet. Eine solche Anpassung des Ladezustandsgrenzwertes ist mit minimalem Signalisierungsaufwand und geringstmöglicher Rechenleistung innerhalb der einzelnen Zellen (bzw. deren Zellüberwachungsschaltkreise) darstellbar.

Alternativ kann den Zellen der neue (aktualisierte) Ladezustandsgrenzwert durch den elektrochemischen Energiespeicher bzw. dessen Steuereinheit mitgeteilt werden. Auf diese Weise kann eine Berechnung des Ladezustandsgrenzwertes innerhalb der Smart Cells gänzlich unterbleiben.

Auch der erste Wahrscheinlichkeitswert kann den Zellen vom Energiespeicher bzw. dessen Steuereinheit zur Verfügung gestellt werden. Wie oben ausgeführt, können für Einschaltvorgänge und Ausschaltvorgänge unterschiedliche

Wahrscheinlichkeiten P _on /P _0ff zugewiesen und angewendet werden. Auf diese Weise können auch neue Spannungssollwerte realisiert werden, welche durch eine Anpassung des Ladezustandsgrenzwertes allein nicht erzielt werden können.

Die Ausgangsspannung des elektrochemischen Energiespeichers kann durch die Anpassung eines ersten Wahrscheinlichkeitswertes für eine

Einschaltwahrscheinlichkeit und durch Anpassung eines zweiten

Wahrscheinlichkeitswertes für eine Ausschaltwahrscheinlichkeit definiert werden. Im Zuge dessen kann zur Erhöhung des Sollwertes der erste

Wahrscheinlichkeitswert erhöht und bei einer Verringerung des Sollwertes der zweite Wahrscheinlichkeitswert erhöht werden. Dies bietet mehr Flexibilität bei der Anpassung eines Sollwertes für die Ausgangsspannung des

elektrochemischen Energiespeichers.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein

elektrochemischer Energiespeicher mit Zellen zum Speichern elektrischer

Energie und einer Verarbeitungseinrichtung vorgeschlagen. Für die Zellen, welche als Smart Cells ausgestaltet sein können, gilt das in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Gesagte entsprechend. Die

Verarbeitungseinrichtung kann beispielsweise als Steuerungseinheit ausgestaltet sein, wie sie ebenfalls in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren funktional beschrieben worden ist. Durch diese Elemente ist der

elektrochemische Energiespeicher eingerichtet, das erfindungsgemäße

Verfahren durchzuführen, wie es oben im Detail beschrieben worden ist. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten

Erfindungsaspekt beschriebenen derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:

Figur 1 ein schematisches Schaltbild einer Smart Cell;

Figur 2 ein schematisches Flussdiagramm zur Definition der

Ausgangsspannung eines Energiespeichers;

Figur 3 ein Prinzipschaltbild einer intrinsisch sicheren Batteriezelle;

Figur 4 ein Diagramm zur Definition von Einschalt- und

Ausschaltwahrscheinlichkeiten als Funktion einer Änderung des

Spannungssollwertes;

Figur 5 eine Darstellung eines exemplarischen Zusammenhangs

zwischen einem Ladezustandsgrenzwert und dem Betrag einer Änderung des Spannungssollwertes; und

Figur 6 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung Figur 4 zeigt einen möglichen Zusammenhang zur Definition eines ersten Wahrscheinlichkeitswerts P _on sowie eines zweiten Wahrscheinlichkeitswerts P _{o f} in Abhängigkeit einer normierten Änderung der Ausgangsspannung. Die

Änderung der Ausgangsspannung ist normiert auf den bisherigen vordefinierten Wert für die Ausgangsspannung. Für positive Werte ergibt sich ein linearer

Anstieg der ersten Wahrscheinlichkeit P _on , wobei die erste Wahrscheinlichkeit einen Wert von 0 annimmt, sofern die normierte Spannungsänderung ebenfalls 0 ist, und die erste Wahrscheinlichkeit einen Wert von 1 annimmt, sofern die normierte Spannungsänderung ebenfalls den Wert 1 hat. Für negative normierte Änderungen der Ausgangsspannung ergibt sich ein linearer Zusammenhang für die zweite Wahrscheinlichkeit P _off , wobei die zweite Wahrscheinlichkeit P _off einen Wert von 1 annimmt, sofern die normierte Änderung der Ausgangsspannung einen Wert von -1 annimmt und die zweite Wahrscheinlichkeit P _off einen Wert von 0 annimmt, sofern die normierte Änderung ebenfalls einen Wert von 0 aufweist.

Figur 5 zeigt einen möglichen Zusammenhang zwischen einer Änderung des Ladezustandsgrenzwertes Δ SOC| _imi t in Abhängigkeit eines Betrages der Änderung der Ausgangsspannung. Der Verlauf zeigt eine linear ansteigende Kurve, welche die Abszisse für positive Werte des Betrages der Änderung der Ausgangsspannung schneidet. Für den Fall kleiner Änderungen des Betrages der Ausgangsspannung kann der Ladezustandsgrenzwert SOC| _imi t kontinuierlich erhöht werden, was nur stärkeren Zellen eine Teilnahme am Balancing- Verfahren erlaubt. Dabei führen die stärkeren Zellen die Einschalt- bzw.

Ausschaltschritte unter Verwendung der jeweiligen Wahrscheinlichkeiten P _on und P _0ff aus und tragen so zum aktiven Balancing der Zellen ausschließlich bei.

Hierbei bestimmen die stärkeren Zellen den SOC-Level, bei welchem das Balancing ausgeführt werden soll. Schwächere Zellen, welche der Bedingung SOCceii > SOCiimit nicht genügen und daher permanent ausgeschaltet bleiben, nehmen am aktiven Balancing der Zellen nicht teil.

Figur 6 zeigt ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wird für einen elektrochemischen Energiespeicher ein erster Sollwert einer

Ausgangsspannung festgelegt. In Schritt 200 wird eine erste Wahrscheinlichkeit zum Schalten einer ersten Zelle des elektrochemischen Energiespeichers festgelegt, wobei die erste Wahrscheinlichkeit ein Zuschalten und/oder

Abschalten der ersten Zelle zu bzw. von dem elektrochemischen Energiespeicher vorgibt. In Schritt 300 wird ein erster gemeinsamer

Ladezustandsgrenzwert für alle Zellen des elektrochemischen Energiespeichers in Abhängigkeit des ersten Sollwertes definiert. Unabhängig von dem ersten Wahrscheinlichkeitswert wird in Schritt 400 die erste Zelle ausgeschaltet, sofern ihr Ladezustand unterhalb des Ladezustandsgrenzwertes liegt. Mit anderen Worten bleibt die erste Zelle zumindest so lange ausgeschaltet, wie ihr

Ladezustand unterhalb des Ladezustandsgrenzwertes liegt. Anschließend wird in Schritt 500 (z.B. aufgrund eines geänderten Betriebszustandes einer Last des elektrochemischen Energiespeichers) ein zweiter, vom ersten Sollwert der Ausgangsspannung abweichender Sollwert der Ausgangsspannung des

Energiespeichers festgelegt. Anschließend wird in Schritt 600 zur Anpassung der Ausgangsspannung der erste gemeinsame Ladezustandsgrenzwert für alle Zellen des elektrochemischen Energiespeichers in Abhängigkeit des ersten Sollwertes neu definiert.

Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften

Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten

Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.