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Die
Erfindung betrifft ein Batteriepack mit mehreren, wiederaufladbaren
Einzelzellen, die parallel zueinander geschaltet sind.
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Es
ist bekannt, Einzelzellen in sogenannten Batteriepacks zusammenzufassen.
Hierunter sind Anordnungen von zusammengeschalteten Einzelzellen
zu verstehen, die einen Verbund bilden und beispielsweise im mobilen
Bereich, unter anderem in der Kraftfahrzeugtechnik, elektrische
Energie zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern zur Verfügung stellen.
Die Zusammenschaltung der Einzelzellen, also die Packbildung, ist
notwendig, um das Vermögen
einer einzelnen Zelle zu verbessern. Das in Reihe schalten von einzelnen
Zellen führt
zu einer Addition der Zellenspannungen und stellt daher eine entsprechend
große
Batteriepackspannung zur Verfügung.
Das Parallelschalten von Einzelzellen erhöht die Stromlieferfähigkeit
des Batteriepacks, so dass auch stark belastende Verbraucher betrieben
werden können.
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Es
ist bekannt, Einzelzellen eines Batteriepacks zusammenzuschalten,
um ein Debalancieren zu verhindern. Unter einem Vermeiden eines „Debalancierens" ist zu verstehen,
dass ein Zustand nicht auftreten soll, bei dem die einzelnen Ladezustände der
verschiedenen Einzelzellen sehr weit voneinander abweichen, das
heißt,
ein „Auseinanderlaufen" der Ladezustände der
einzelnen Zellen ist nicht erwünscht.
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Zur
Vermeidung des erwähnten
Debalancierens ist es bekannt, die Spannungen der einzelnen Zellen
eines Batteriepacks während
des Entlade- und/oder Ladevorgangs Einzeln zu erfassen und zu überwachen.
Dies bedeutet, dass jede einzelne Zelle mit entsprechenden Überwachungsanschlüssen und Leitungsverbindungen
zu versehen ist und diese Überwachungsleitungen
zu einer Überwachungsschaltung
zu führen
sind, um zum Beispiel bei einer zu hohen beziehungsweise zu tiefen
elektrischen Spannung der Einzelzelle gegenüber anderen Einzelzellen die
erstgenannte Einzelzelle aus dem Verbund herauszunehmen, was beispielsweise
mittels entsprechender Schaltelemente oder elektronischer Bauelemente
erfolgt. Aus alledem wird deutlich, dass die bekannte Lösung mit
Einzelüberwachung
und individueller Außerbetriebsetzung
sehr verdrahtungsaufwendig, überwachungsaufwendig
und damit kostenaufwendig ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Aufgrund
der erfindungsgemäß vorgesehenen
Möglichkeit,
die Einzelzellen derart auszubilden beziehungsweise auszuwählen, dass
ihr Innenwiderstand mit abnehmendem Ladezustand dieser Einzelzelle
ansteigt. Durch eine Verwendung beziehungsweise Auswahl derartiger
Einzelzellen, die – in
einem Batteriepack zusammengefasst – parallel zueinander geschaltet
sind, ergibt sich eine dem Debalancieren entgegensteuernde Wirkung.
Da der Innenwiderstand der Zelle vom Ladezustand der Zelle derart
abhängig
ist, dass er mit abnehmenden Ladezustand – insbesondere in einem Bereich
niedrigem Ladezustands – ansteigt,
wird eine im Zellenverbund enthaltende Zelle, die einen tieferen
Ladezustand als die übrigen
Zellen aufweist, gegen Ende der Entladung weniger stark als die übrigen Zellen
entladen, da ihr Innenwiderstand größer ist, als bei den anderen,
parallel geschalteten Zellen. Demgemäß ist dem „Auseinanderlaufen" der Ladezustände der
einzelnen Zellen entgegengewirkt. Aufwendige Überwachungsmittel, wie sie
zum Stand der Technik erwähnt
wurden, sind daher nicht erforderlich; vielmehr findet im erfindungsgemäßen Bat teriepack
quasi ein eigenständiges
Balancieren der Einzelzellen untereinander statt, ohne dass zusätzliche
Mittel eingesetzt werden müssen.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die parallel
geschalteten Einzelzellen eine Zellenebene bilden und das mehrere
Zellenebenen vorgesehen sind, die in Reihe zueinander geschaltet
sind. Der Zellenverbund des Batteriepacks weist demgemäß Gruppen
von Einzelzellen, sogenannte Zellenebenen auf, die zueinander in
Reihe geschaltet sind, wodurch sich die Zellenebenen-Spannungen addieren,
so dass die Batteriepackspannung aus der Summe der Spannungen der Zellenebenen
resultiert. Da sich in jeder einzelnen Zellenebene aufgrund des
sich erhöhenden
Innenwiderstandes zum Beispiel einer oder mehrerer Zellen bei abnehmendem
Ladezustand der jeweiligen Einzelzelle beim Entladevorgang balancierend
verhält, ist
diese Wirkung auch bei dem Gesamtverbund mit mehreren in Reihe liegenden
Zellenebenen gegeben.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Einzelzellen derart ausgebildet oder
ausgewählt
sind, dass ihr Innenwiderstand mit zunehmendem Ladezustand – in einem
Bereich hohem Ladezustands – ansteigt. Hieraus
ergibt sich in einem Diagramm, bei dem der Innenwiderstand über den
Ladezustand der Einzelzelle aufgetragen ist, im Zusammenhang mit
der Lehre des Anspruchs 1, eine wannenförmige Kennlinie.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Einzelzellen Lithiumzellen sind. Die
Lithiumzellen weisen in Bezug auf die Abhängigkeit ihres Innenwiderstands vom
Ladezustand den Verlauf gemäß Anspruch
1 auf und realisieren auch das Merkmal des Anspruchs 3, das heißt, der über den
Ladezustand aufgetragene Innenwiderstand bildet eine wannenförmige Kennlinie.
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Ferner
ist von Vorteil, dass die Batteriepackspannung mittels einer Begrenzungsschaltung
auf einen Spannungsbereich begrenzt wird, der größer ist als die Summe der minimalen
Betriebsspannungen der in Reihe geschalteten Einzelzellen und kleiner
ist als die Summe der maximalen Betriebsspannungen der in Reihe
geschalteten Einzelzellen. Unter „Batteriepackspannung" ist die sich aus
dem Schaltungsverbund der Einzelzellen ergebende Gesamtspannung
zu verstehen. Die erwähnte
Begrenzungsschaltung kann in den Batteriepack integriert sein oder
ist als separate Schaltungseinheit ausgeführt, so dass insgesamt eine
Einrichtung vorliegt, bestehend aus Batteriepack und Begrenzungsschaltung.
Unter den erwähnten „Betriebsspannungen" ist der jeweilige Spannungsbereich
der Einzelzellen zu verstehen, der vom Hersteller für die jeweilige
Einzelzelle während
des Betriebs, also ihres Zustands zwischen Entladen und Vollaufgeladen
vorgegeben ist. Die Betriebsspannung einer Einzelzelle kann – in Abhängigkeit
von ihrem Ladezustand – beispielsweise
in einem Spannungsbereich von 2,5 V bis 4,2 V liegen. Wie erwähnt, wird
dieser Spannungsbereich nicht ausgenutzt, sondern der aus einer
Reihenschaltung mehrerer mit parallelgeschalteten Zellen versehenen Zellenebenen
resultierende Spannungsbereich des Batteriepacks wird mittels der
erwähnten
Begrenzungsschaltung auf ein „Spannungsfenster" begrenzt. Liegt
beispielsweise eine 10S3P-Konfiguration eines Batteriepacks vor,
das heißt,
zehn Einzelzellen sind in Serie geschaltet, wobei jede Zellenebene drei
parallelgeschaltete Einzelzellen umfasst, so ergibt sich aufgrund
der Betriebsspannung einer Einzelzelle von 2,5 V bis 4,2 V eine
resultierende Batteriepackspannung von 25 V bis 42 V. Durch die
Begrenzungsschaltung, die eine Schutz- und/oder Überwachungsfunktion vornimmt,
und insbesondere als elektronische Schaltung ausgebildet ist, wird
dieser Spannungsbereich begrenzt, beispielsweise auf den Bereich
von 27 V bis 41 V. Hierdurch lässt
sich der gesamte Batteriepack über
eine große
Zyklenzahl sicher und problemlos betreiben, ohne dass infolge von Überbeanspruchungen
eine Debalancierung gefördert
wird.
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Schließlich kann
vorgesehen sein, dass die Einzelzellen mittels elektrischer Verbindungen
zusammengeschaltet sind, wobei die Verbindungen strombegrenzende
Bauteile, insbesondere Widerstände,
Dioden oder Transistoren, aufweisen. Hierdurch werden die zwischen
den einzelnen Zellen aufgrund unterschiedlicher Zustände fließenden Ausgleichsströme begrenzt.
Im Falle der Verwendung von nichtlinearen Bauelementen und/oder
Steuer- beziehungsweise Regelfunktionen ist es sogar möglich, eine
Regulierung der Ausgleichsströme
derart vorzunehmen, dass einer Debalancierung entgegengewirkt wird.
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Die
Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele
und zwar zeigt:
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1 eine
Zellenanordnung von mehreren Einzelzellen eines Batteriepacks,
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2 ein
Batteriepack nach einem weiteren Ausführungsbeispiel und
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3 ein
Diagramm einer Einzelzelle hinsichtlich ihres Innenwiderstands in
Abhängigkeit
vom Ladezustand.
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Die 1 zeigt
einen Batteriepack 1, der auch als Zellenverbund von Einzelzellen 2 bezeichnet
werden kann.
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Bei
dem Batteriepack 1 der 1 handelt
es sich um eine 3S3P-Konfiguration,
das heißt,
es sind insgesamt drei Einzelzellen jeweils in Reihe geschaltet,
wobei jede der so gebildeten Zellenebenen 3 bis 5 jeweils
drei parallel geschaltete Einzelzellen 2 aufweist.
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Wesentlich
ist die Anordnung der elektrischen Verbindungen, die die elektrische
Zusammenschaltung der Einzelzellen 2 bewirken.
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Die
Zellenebene 3 weist die Einzelzellen 6, 7 und 8 auf,
wobei die Einzelzelle 6 einen Anschluss 6+ und
einen Anschluss 6– aufweist.
Die Einzelzelle 7 besitzt einen Anschluss 7+ und
einen Anschluss 7–. Die
Einzelzelle 8 besitzt einen Anschluss 8+ und einen
Anschluss 8–.
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Die
Zellenebene 4 weist die Einzelzellen 9, 10 und 11 auf,
wobei die Einzelzelle 9 einen Anschluss 9+ und
einen Anschluss 9– besitzt.
Die Einzelzelle 10 weist einen Anschluss 10+ und
einen Anschluss 10– auf.
Die Einzelzelle 11 weist einen Anschluss 11+ und
einen Anschluss 11– auf.
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Schließlich besitzt
die Zellenebene 5 die Einzelzellen 12, 13 und 14,
wobei die Einzelzelle 12 einen Anschluss 12+ und
einen Anschluss 12– besitzt. Die
Einzelzelle 13 weist einen Anschluss 13+ und einen
Anschluss 13– auf.
Die Einzelzelle 14 besitzt einen Anschluss 14+ und
einen Anschluss 14–.
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Die
vorstehend erwähnten „+ Bezeichnung" entsprechen den
jeweiligen positiven Potential der Einzelzelle; die erwähnten „– Bezeichnung" entsprechen dem
negativen elektrischen Potential der jeweiligen Einzelzelle 2.
Die Anschlüsse 6– und 9+ fallen zusammen.
Gleiches gilt für
die Anschlüsse 7– und 10+, 8– und 11+, 9– und 12+, 10– und 13+ sowie 11– und 14+.
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Die
Einzelzellen 2 der jeweiligen Zellenebene 3, 4 und 5 sind
mittels elektrischer Verbindungen miteinander verschaltet. Zwischen
dem Anschluss 6+ und dem Anschluss 7+ ist eine
elektrische Verbindung 15 geschaltet. Eine elektrische
Verbindung 16 verbindet den Anschluss 7+ mit dem
Anschluss 8+. Eine elektrische Verbindung 17 ist
zwischen den Anschluss 6– und 7– beziehungsweise 9+ und 10+ geschaltet.
Die Anschlüsse 7– und 8– beziehungsweise 10+ und 11+ sind über eine
elektrische Verbindung 18 miteinander verschaltet. Die
Anschlüsse 9– und 10– beziehungsweise 12+ und 13+ stehen über eine elektrische
Verbindung 19 miteinander in elektrischem Kontakt. Eine
elektrische Verbindung 20 verbindet die Anschlüsse 10– und 11– beziehungsweise 13+ und 14+.
Eine elektrische Verbindung 21 verbindet den Anschluss 12– mit 13– und
eine elektrische Verbindung 22 stellt eine Verbindung zwischen
dem Anschluss 13– und 14– her.
Eine elektrische Verbindung 23 führt vom Anschluss 6+ zu
einer Batteriepackklemme 24, die positives Potential aufweist,
und eine elektrische Verbindung 25 führt vom Anschluss 12– zu
einer Batteriepackklemme 26, die negatives Potential besitzt.
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Aus
dem vorstehenden wird deutlich, dass jede Einzelzelle 2 mittels
elektrischer Verbindungen mit anderen Einzelzellen 2 parallel
geschaltet ist. Dies gilt in jeder Zellenebene 3 bis 5.
Ferner handelt es sich bei den Einzelzellen 2 beziehungsweise 6 bis 14 um
Lithiumzellen 27 oder Lithiumionenzellen. Dies bedeutet,
dass eine Charakteristik gemäß 3 vorliegt.
Die 3 zeigt auf der Ordinate den Innenwiderstand einer
Einzelzelle 2, also einer Lithiumzelle 27, in
Abhängigkeit
vom Ladezustand (Abszisse). Entfernt von der Abszisse liegt ein
hoher Innenwiderstand Ri vor gekennzeichnet mit dem Buchstaben „h"; nahe der Abszisse
liegt ein niedriger Innenwiderstand Ri vor, gekennzeichnet durch
den Buchstaben „n". Parallel zur Ordinate
verläuft
eine Hilfslinie 28, wobei „l" den leeren Ladezustand Lz der Lithiumzelle 27 kennzeichnet.
Mit „v" ist der volle Ladezustand
Lz der Lithiumzelle 27 gekennzeichnet. Der Abstand der
Hilfslinie 28 von der Ordinate Ri ist mit „te" gekennzeichnet.
Er gibt den Tiefentladebereich der Lithiumzelle 27 an,
der im normalen Betrieb nicht angefahren werden sollte. Der Bereich
des Ladezustands Lz zwischen „l" und „v" ist der normale Betriebsbereich
NB der Lithiumzelle 27. Die eingetragene Kennlinie 29 der 3 gibt
die Abhängigkeit des
Innenwiderstandes Ri vom Ladezustand Lz an. Es wird deutlich, dass
im entladenden Zustand der Innenwiderstand Ri größer als in einem weniger entladenen
Zustand der Lithiumzelle 27 ist. Der Innenwiderstand Ri
wird minimal bei einem Ladezustand von zirka 80 %. Dieser Ladezustand
wird im Diagramm der 3 dargestellt. Anschließend – also in
Richtung eines volleren Ladezustands Lz steigt der Innenwiderstand
Ri wieder an, so dass sich insgesamt eine Kennlinie 29 entsprechend
einer Wannenfunktion für die
Lithiumzelle 27 ergibt.
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Die
aus der 3 ersichtliche Charakteristik, nämlich dass
der Innenwiderstand Ri der Einzelzelle 2 beziehungsweise
der Lithiumzelle 27, mit abnehmendem Ladezustand (begonnen
von dem 80 %-Ladezustand)
ansteigt, hat in Bezug auf die Schaltungsanordnung der 1 zur
Folge, dass in jeder Zellenebene 3, 4 und 5 eine
Einzelzelle 2, die möglicherweise
einen geringeren, also tieferen Ladezustand Lz aufweist, als eine
oder mehrere andere Einzelzelle/n 2 dieser Zellenebene,
aufgrund ihres entsprechend größeren Innenwiderstands
Ri weniger stark entladen wird, als die übrigen, parallel geschalteten Einzelzellen 2.
Dies führt
dazu, dass sie sich balancierend verhält, also einem Debalancieren
der Einzelzellen des Batteriepacks 1 selbsttätig entgegenwirkt.
Entsprechendes gilt für
die übrigen
Zellenebenen, so dass insgesamt aufgrund der jeweils mittels elektrischer
Verbindungen, insbesondere 17, 18, 19 und 20,
einem Debalancieren des Batteriepacks 1 entgegengewirkt
wird.
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Die 2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Batteriepacks 1, das sich gegenüber dem Ausführungsbeispiel
der 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass Parallelschaltungspfade
mehrfach vorhanden sind. So sind die Zellenebenen 3,4 und 5 durch
jeweils drei parallel zueinander geschaltete Lithiumzellen 27 gebildet,
wobei die Zellenebene 3 über eine elektrische Verbindung 30 mit
der Zellenebene 4 und die Zellenebene 4 über eine
elektrische Verbindung 31 mit der Zellenebene 5 zur
Reihenschaltung der einzelnen Zellenebenen verbunden ist. Ferner
führt eine
elektrische Verbindung 32 der Zellenebene 3 zu
der Batteriepackanschlussklemme 24 und eine elektrische
Verbindung 33 zu der Batteriepackanschlussklemme 26.
Alle übrigen
Ausgestaltungen entsprechen denen der 1. Auch
beim Ausführungsbeispiel
der 2 sind somit die Lithiumzellen 27 der
jeweiligen Zellenebene 3, 4 und 5 parallel
zu einander geschaltet und die so gebildeten Zellenebenen 3, 4 und 5 sind
mittels der elektrischen Verbindungen 30 bis 33 in
Reihe zueinander geschaltet. Es tritt derselbe Effekt, wie beim
Ausführungsbeispiel
der 1 beschrieben, auf, so dass einem Debalancieren
entgegengewirkt wird.
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Unabhängig von
der Schaltungsart gemäß 1 oder 2 ist
jeweils vorgesehen, dass der Batteriepack 1 vorzugsweise
jeweils mit einer elektronischen Begrenzungsschaltung 34 versehen
ist. Dies ist beispielhaft in der 2 dargestellt.
Die Eingänge 35 und 36 der
Begrenzungsschaltung 34 sind mit den Batteriepackanschlussklemmen 24 und 26 verbunden.
Bei der Begrenzungsschaltung 34 handelt es sich um eine
Schutz- und Überwachungselektronik,
die verhindert, dass im Betrieb der volle Betriebsspannungsbereich
des Batteriepacks 1 ausgenutzt ist, wie er von den Herstellern
angegeben wird. Hat beispielsweise eine Lithiumzelle 27 einen
Betriebsspannungsbereich, der dem normalen Betriebsbereich NB der 3 entspricht,
von 2,5 V bis 4,2 V in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Ladezustand Lz, so ergebe sich daraus aufgrund
der Reihenschaltung dreier Zellenebenen 3 bis 5 ein
Betriebsspannungsbereich von 7,5 V bis 12,6 V. Dieser Spannungsbereich
liegt an den Eingangsklemmen 35 und 36 der Begrenzungsschaltung 34 an
und wird mittels einer hier nicht näher beschriebenen Elektronik
auf ein Spannungsfenster reduziert, das innerhalb des genannten
Bereichs liegt, also beispielsweise auf den Spannungsbereich 8V bis 12V,
der an den Ausgangsklemmen 37 und 38 der Begrenzungsschaltung 34 zur
Verfügung
gestellt wird. An die Ausgangsklemmen 37 und 38 werden
die elektrischen Verbraucher angeschlossen, nicht an die Batteriepackanschlussklemmen 24 und 26,
zwischen denen die Batteriepackspannung Up liegt. Die Folge ist, dass
die Einzelzellen 2 unter optimalen Bedingungen betrieben
werden und daher eine sehr hohe Lebensdauer bei einem sicheren Betrieb
aufweisen.
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Nach
Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei den
elektrischen Verbindungen 15 bis 22 sowie 23 und 25 und 30 bis
33 zumindest teilweise nicht um „harte" elektrische Verbindungen handelt, also
nicht um niederohmige gut leitende Anschlussdrähte, sondern um stromschaltende
oder stromreduzierende Bauteile, elektrische Bauteile oder elektronische
Bauteile, wie Widerstände
und/oder Dioden und/oder Transistoren und/oder Tyristoren usw.,
um Ausgleichsströme,
die zwischen den Einzelzellen 2 und/oder zwischen den Zellenebenen 3 bis 5 fließen, zu
begrenzen oder sogar bewusst gesteuert oder geregelt zu regulieren.