Titel

Verfahren zum Austausch von Batteriezellen während des Betriebes Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austausch von

Batteriezellen einer Batterie während des Betriebes.

Stand der Technik Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt

Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einer solchen Batterie bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen. Dies kann entweder durch Vorsehen von mehreren Zellwickeln innerhalb eines Batteriezellengehäuses oder durch externes Verschalten von Batteriezellen geschehen.

Das Prinzipschaltbild eines üblichen elektrischen Antriebssystems, wie es beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt, ist in Figur 1 dargestellt. Eine Batterie 110 ist an einen

Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen

Kondensator 11 1 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 1 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Ausgängen gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines elektrischen

Antriebsmotors 1 13 bereitstellt. Die Kapazität des Kondensators 1 11 muss groß genug sein, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug ergibt sich eine hohe Kapazität im Bereich von mF.

Figur 2 zeigt die Batterie 110 der Figur 1 in einem detaillierteren Blockschaltbild. Eine Vielzahl von Batteriezellen sind in Serie sowie optional zusätzlich parallelgeschaltet, um eine für eine jeweilige Anwendung gewünschte hohe Ausgangsspannung und Batteriekapazität zu erreichen. Zwischen den Pluspol der Batteriezellen und ein positives Batterieterminal 1 14 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 116 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen den Minuspol der Batteriezellen und ein negatives Batterieterminal 1 15 eine

Trenneinrichtung 117 geschaltet werden. Die Trenn- und Ladeeinrichtung 1 16 und die Trenneinrichtung 117 umfassen jeweils ein Schütz 118 beziehungsweise 119, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen von den Batterieterminals abzutrennen, um die Batterieterminals spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen ist andernfalls erhebliches Gefährdungspotential für Wartungspersonal oder dergleichen gegeben. In der Lade- und Trenneinrichtung 116 ist zusätzlich ein Ladeschütz

120 mit einem zu dem Ladeschütz 120 in Serie geschalteten Ladewiderstand

121 vorgesehen. Der Ladewiderstand 121 begrenzt einen Aufladestrom für den Kondensator 11 1 , wenn die Batterie an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz 118 offen gelassen und nur der Ladeschütz 120 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 114 die Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz 1 19 geschlossen und gegebenenfalls das Ladeschütz 120 geöffnet werden.

Problematisch ist, dass in realen Anwendungen eine hohe Batteriespannung gefordert wird, weshalb eine hohe Anzahl von Batteriezellen in Serie geschaltet werden muss, gleichzeitig jedoch die Gefahr eines Ausfalles der

Gesamtanordnung mit der Anzahl der seriengeschalteten Batteriezellen steigt, weil bereits eine einzige defekte Batteriezelle den Stromfluss aufgrund der Serienschaltung unterbinden kann. Da Batteriesysteme, wie oben erwähnt, in sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt werden, werden entsprechend hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit des

Batteriesystems gestellt. Unter Zuverlässigkeit versteht man die Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit korrekt zu arbeiten. Die Verfügbarkeit ist die Wahrscheinlichkeit, ein reparierbares System zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in einem funktionsfähigen Zustand vorzufinden. Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen, wobei jedes

Batteriemodul eine Koppeleinheit und wenigstens eine zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltete Batteriezelle umfasst, eingeführt. Das Verfahren weist wenigstens die folgenden Schritte auf: Detektieren einer defekten Batteriezelle und desjenigen Batteriemoduls, welches die defekte Batteriezelle enthält;

Abkoppeln der defekten Batteriezelle durch Ausgeben eines entsprechenden Steuersignales an die Koppeleinheit des detektierten Batteriemoduls;

ausgangsseitiges Überbrücken des detektierten Batteriemoduls;

Ankoppeln einer funktionsfähigen Batteriezelle an das detektierte Batteriemodul; und

Beenden des ausgangsseitigen Überbrückens des detektierten Batteriemoduls durch Beenden des Ausgebens des entsprechenden Steuersignals an die

Koppeleinheit des detektierten Batteriemoduls.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass eine defekte Batteriezelle detektiert und von der Serienschaltung der Batteriezellen der Batterie abgekoppelt werden kann, so dass die verbleibenden funktionsfähigen Batteriezellen weiter als

Batterie eine Ausgangsspannung zur Verfügung stellen können. Anschließend können eine funktionsfähige Batteriezelle an das Batteriemodul mit der defekten Batteriezelle angekoppelt und die Abkopplung des Batteriemoduls beendet werden. Die Erfindung ermöglicht es so, die Batterie und eine von der Batterie versorgte oder unterstützte Vorrichtung trotz des tatsächlichen oder

bevorstehenden Defektes einer Batteriezelle weiterzubetreiben und die Batterie im Betrieb zu reparieren, wodurch Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit stark gesteigert werden. Das Verfahren kann einen zusätzlichen Schritt des Entfernens der

abgekoppelten defekten Batteriezelle aufweisen. Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet den Vorteil, dass defekte Batteriezellen beliebig oft ausgewechselt werden können, ohne das Volumen der Batterie zu erhöhen. Der Schritt des Detektierens der defekten Batteriezelle beinhaltet bevorzugt einen Schritt des Bestimmens eines Alterungszustandes der Batteriezellen und einen Schritt des Vergleichens des bestimmten Alterungszustandes mit einem vorbestimmten maximalen Alterungszustand. Eine Batteriezelle wird hierbei als defekt angesehen, wenn ihr Alterungszustand größer als der vorbestimmte maximale Alterungszustand ist. Diese Variante des erfindungsgemäßen

Verfahrens bietet den Vorteil, dass von einem Ausfall bedrohte Batteriezellen frühzeitig erkannt und bereits vor dem Ausfall die Maßnahmen für den unterbrechungsfreien Weiterbetrieb des Verfahrens ergriffen werden können. Generell ist im Rahmen der Erfindung unter einer„defekten Batteriezelle" auch eine bereits über eine bestimmte Alterung hinaus gealterte Batteriezelle gemeint.

Der Schritt des Bestimmens des Alterungszustandes der Batteriezellen kann insbesondere Schritte des Bestimmens eines Batteriestroms, einer

Batteriezellspannung und einer Batteriezelltemperatur umfassen. Diese charakteristischen Parameter von Batteriezellen lassen eine Schätzung des

Alterungszustandes von Batteriezellen zu, wofür im Stand der Technik zahlreiche Verfahren bekannt sind, welche sich im Rahmen des Verfahrens der Erfindung einsetzen lassen. Besonders bevorzugt werden die Schritte des Abkoppeins der defekten

Batteriezelle und des ausgangsseitigen Überbrückens des detektierten

Batteriemoduls gleichzeitig ausgeführt. Wird der Schritt des Abkoppeins vor dem Schritt des Überbrückens ausgeführt, wird der Stromfluss in der Batterie für diese Zeitspanne unterbrochen. Im umgekehrten Fall würde die defekte Batteriezelle kurzzeitig kurzgeschlossen, was eine weitere Beschädigung der Batteriezelle oder weiterer Batteriezellen desselben Batteriemoduls zur Folge haben kann.

Die Koppeleinheit des detektierten Batteriemoduls führt bei bevorzugten

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens den Schritt des ausgangsseitigen Überbrückens des detektierten Batteriemoduls aus. Da die

Koppeleinheit auch den Schritt des Abkoppeins der defekten Batteriezelle durchführt, kann auf diese Weise besonders einfach sichergestellt werden, dass die beiden Schritte gleichzeitig, und durch das Steuersignal veranlasst, ausgeführt werden. Zum Schutz von Wartungspersonal wird besonders bevorzugt im Schritt des

Abkoppeins der defekten Batteriezelle die defekte Batteriezelle zweipolig abgekoppelt, so dass an keinem der beiden Pole der defekten Batteriezelle oder der Batteriezellen des betroffenen Batteriemoduls eine hohe Spannung der verbleibenden Batteriezellen anliegt.

Eine an die Batterie angeschlossene Vorrichtung kann von dem Schritt des Abkoppeins der defekten Batteriezelle bis zum Schritt des Beendens des ausgangsseitigen Überbrückens mit einer reduzierten Eingangsspannung betrieben werden. Der Betrieb mit reduzierter Leistung trägt dem Umstand Rechnung, dass während der genannten Zeitspanne nur eine reduzierte

Ausgangsspannung der Batterie und somit auch nur eine entsprechend reduzierte maximale Ausgangsleistung zur Verfügung stehen.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Steuereinheit und einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen, wobei jedes

Batteriemodul eine Koppeleinheit und wenigstens eine zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltete Batteriezelle umfasst. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit ausgebildet, das Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt durchzuführen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung führt ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem

elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem zweiten

Erfindungsaspekt ein.

Besonders bevorzugt sind dabei die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen die Vorteile einer hohen Zellspannung und eines hohen Energiegehaltes in einem gegebenen Volumen.

Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen:

Figur 1 ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 ein Blockschaltbild einer Batterie gemäß dem Stand der Technik, Figur 3 eine erste Ausführung einer Koppeleinheit zum Einsatz in einer Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann,

Figur 4 eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der ersten

Ausführungsform der Koppeleinheit,

Figuren 5A und 5B zwei Ausführungsformen eines Batteriemoduls mit der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit,

Figur 6 eine zweite Ausführungsform einer Koppeleinheit zum Einsatz in einer Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann,

Figur 7 eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der zweiten

Ausführungsform der Koppeleinheit, Figur 8 eine Ausführungsform eines Batteriemoduls mit der zweiten

Ausführungsform der Koppeleinheit,

Figur 9 eine Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, und

Figur 10 ein Flussdiagramm einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausführungsformen der Erfindung

Figur 3 zeigt eine erste Ausführung einer Koppeleinheit 30 zum Einsatz in einer Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ausgebildet, einen der Eingänge 31 oder 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden und den anderen abzukoppeln.

Figur 4 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster und ein zweiter Schalter 35 beziehungsweise 36 vorgesehen sind. Jeder der Schalter ist zwischen einen der Eingänge 31 beziehungsweise 32 und den Ausgang 33 geschaltet. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31 , 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang 33 hochohmig wird, was beispielsweise im Fall einer Reparatur oder Wartung nützlich sein kann. Zudem können die Schalter 35, 36 einfach als

Halbleiterschalter wie zum Beispiel MOSFETs oder IGBTs verwirklicht werden. Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 30 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignales reagieren kann.

Die Figuren 5A und 5B zeigen zwei Ausführungsformen eines Batteriemoduls 40 mit der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit 30. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 11 ist zwischen die Eingänge der Koppeleinheit 30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen 11 beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle 1 1 vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen 1 1. Im Beispiel der Figur 5A sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten Terminal 41 und der negative Pol der Batteriezellen 1 1 mit einem zweiten Terminal 42 verbunden. Es ist jedoch eine beinahe spiegelbildliche Anordnung wie in Figur 5B möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 1 1 mit dem ersten Terminal 41 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Terminal 42 verbunden sind. Figur 6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Koppeleinheit 50 zum Einsatz in einer Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Die Koppeleinheit 50 besitzt zwei Eingänge 51 und 52 sowie zwei Ausgänge 53 und 54. Sie ist ausgebildet, entweder den ersten Eingang 51 mit dem ersten Ausgang 53 sowie den zweiten Eingang 52 mit dem zweiten Ausgang 54 zu verbinden (und den ersten Ausgang 53 vom zweiten Ausgang 54 abzukoppeln) oder aber den ersten Ausgang 53 mit dem zweiten Ausgang 54 zu verbinden (und dabei die Eingänge 51 und 52 abzukoppeln). Bei bestimmten

Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 51 , 52 von den Ausgängen 53, 54 abzutrennen und auch den ersten Ausgang 53 vom zweiten Ausgang 54 abzukoppeln. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den ersten Eingang 51 mit dem zweiten Eingang 52 zu verbinden. Figur 7 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der zweiten

Ausführungsform der Koppeleinheit 50, bei der ein erster, ein zweiter und ein dritter Schalter 55, 56 und 57 vorgesehen sind. Der erste Schalter 55 ist zwischen den ersten Eingang 51 und den ersten Ausgang 53 geschaltet, der zweite Schalter 56 ist zwischen den zweiten Eingang 52 und den zweiten

Ausgang 54 und der dritte Schalter 57 zwischen den ersten Ausgang 53 und den zweiten Ausgang 54 geschaltet. Diese Ausführungsform bietet ebenfalls den Vorteil, dass die Schalter 55, 56 und 57 einfach als Halbleiterschalter wie zum Beispiel MOSFETs oder IGBTs verwirklicht werden können. Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen

Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 50 innerhalb einer geringen

Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignales reagieren kann.

Die Figur 8 zeigt eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 60 mit der zweiten Ausführungsform der Koppeleinheit 50. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 1 1 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 50 in Serie geschaltet. Auch diese Ausführungsform des Batteriemoduls 60 ist nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen 1 1 beschränkt, es kann wiederum auch nur eine einzelne Batteriezelle 1 1 vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt- seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen 1 1. Der erste Ausgang der

Koppeleinheit 50 ist mit einem ersten Terminal 61 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 40 mit einem zweiten Terminal 62 verbunden. Das Batteriemodul 60 bietet gegenüber dem Batteriemodul 40 der Figuren 5A und 5B den Vorteil, dass die Batteriezellen 1 1 durch die Koppeleinheit 50 von der restlichen Batterie beidseitig abgekoppelt werden können, was einen gefahrlosen Austausch im laufenden Betrieb ermöglicht, da an keinem Pol der Batteriezellen 1 1 die gefährliche hohe Summenspannung der restlichen Batteriemodule der Batterie anliegt.

Figur 9 zeigt eine Ausführungsform einer Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Die Batterie weist einen Batteriemodulstrang 70 mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen 40 oder 60 auf, wobei vorzugsweise jedes Batteriemodul 40 oder 60 dieselbe Anzahl von Batteriezellen 11 in identischer Weise verschaltet enthält. Generell kann der Batteriemodulstrang 70 jede Zahl von Batteriemodulen 40 oder 60 größer 1 enthalten. Auch können an den Polen des Batteriemodulstranges 70 zusätzlich Lade- und

Trenneinrichtungen und Trenneinrichtungen wie bei Figur 2 vorgesehen sein, wenn Sicherheitsbestimmungen dies erfordern. Allerdings sind solche

Trenneinrichtungen erfindungsgemäß nicht notwendig, weil eine Abkopplung der Batteriezellen 11 von den Batterieanschlüssen durch die in den Batteriemodulen 40 oder 60 enthaltenen Koppeleinheiten 30 oder 50 erfolgen kann.

Figur 10 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsvariante des

erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren startet im Schritt SO. Im Schritt S1 werden ein Batteriestrom und eine Batteriezellspannung sowie optional eine Batteriezelltemperatur bestimmt. Im Schritt S2 wird aus diesen charakteristischen Parametern ein Alterungszustand der gemessenen Batteriezelle berechnet, der im darauffolgenden Schritt S3 mit einem vorbestimmten maximalen

Alterungszustand verglichen wird. Im Schritt S4 wird festgestellt, ob der

Alterungszustand der gemessenen Batteriezelle größer als der vorbestimmte maximale Alterungszustand ist. Ist dies nicht der Fall, wird zum Schritt S5 verzweigt, in dem geprüft wird, ob weitere Batteriezellen vorhanden sind, die noch geprüft werden müssen. Sind weitere solche Batteriezellen vorhanden, wird zum Schritt S1 zurück verzweigt und die nächste Batteriezelle geprüft.

Andernfalls wird das Verfahren mit dem Schritt S10 beendet. Wurde im Schritt S4 festgestellt, dass der Alterungszustand der gemessenen Batteriezelle größer als der vorbestimmte maximale Alterungszustand ist, wird die Batteriezelle als defekt angesehen und mit dem Schritt S6 fortgesetzt, in dem die defekte Batteriezelle durch Ausgeben eines entsprechenden Steuersignales an die Koppeleinheit des Batteriemoduls, das die defekte Batteriezelle enthält, von den übrigen seriengeschalteten Batteriezellen beziehungsweise

Batteriemodulen abgekoppelt wird. Gleichzeitig wird im Schritt S6 das

Batteriemodul, das die defekte Batteriezelle enthält, ausgangsseitig überbrückt, so dass das Batteriemodul elektrisch inaktiv und die verbleibenden

Batteriemodule zu einem einzigen Strang seriengeschaltet werden. Im Schritt S7 wird die abgekoppelte defekte Batteriezelle entfernt und im folgenden Schritt S8 eine funktionsfähige Batteriezelle an das Batteriemodul mit der defekten Batteriezelle angekoppelt. Im Schritt S9 wird das ausgangsseitige Überbrücken des Batteriemoduls durch Beenden des Ausgebens des entsprechenden Steuersignals an seine Koppeleinheit beendet und so die funktionsfähige Batteriezelle wieder in die Serienschaltung aller Batteriezellen der Batterie einbezogen.