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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Abgleichen wenigstens zweier elektrischer Energiespeicherzellen.
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Es ist allgemein bekannt, Energiespeichersysteme (auch als Batterien oder Akkumulator bezeichnet) aus einer einzigen Energiespeicherzelle oder aus einer Vielzahl von in Serie und/oder parallel geschalteten Energiespeicherzellen aufzubauen. Durch die Anzahl der Energiespeicherzellen, die jeweils in Reihe miteinander verschaltet sind, ergibt sich die Gesamtspannung des Energiespeichersystems, wobei sich die Zellspannungen der in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen addieren. Die Zahl der parallel verbundenen Energiespeicherzellen bestimmt ferner die speicherbare Ladungsmenge des Energiespeichersystems, wobei sich die Kapazitäten der parallelen Energiespeicherzellen addieren.
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Solche aus einzelnen Energiespeicherzellen zusammengesetzte Energiespeichersysteme finden beispielsweise zum Antrieb von Elektromotoren in Fahrzeugen Verwendung. Die Steigerung der Effektivität und die damit einhergehende Verringerung des Ausstoßes klimaschädlicher Abgase sind maßgebliche Gründe für die Entwicklung neuartiger, alternativer Antriebssysteme für eine Vielzahl möglicher Anwendungen, wie Pkw, Lkw, Schiffe, Züge, etc. Bei diesen Anwendungen, bei denen die Antriebsleistung bislang vornehmlich durch Verbrennungsmotoren erzeugt wird, besteht die Möglichkeit durch Elektrifizierung, d.h. durch ein Ergänzen der Verbrennungskraftmaschine um bzw. dem vollständigen Ersetzen durch einen Elektromotor, zum einen den Wirkungsgrad des gesamthaften Antriebssystems nachhaltig zu verbessern und darüber hinaus bei Traktionsanwendungen eine etwaig anfallende Bremsenergie zu regenerieren, zu konservieren und ggf. für die nachfolgende Beschleunigung des Fahrzeugs wieder zur Verfügung zu stellen. Dem elektrischen Energiespeichersystem - der Batterie bzw. Akkumulator - kommt bei diesen Applikationen zum Zwischenspeichern bzw. zum Bereitstellen der elektrischen Energie eine Schlüsselrolle zu.
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Das Parallelschalten von einzelnen Energiespeicherzellen in einem Energiespeichersystem birgt Schwierigkeiten dahingehend, dass es aufgrund von Fertigungstoleranzen zu unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Energiespeicherzellen, die formal gleiche Nenndaten besitzen, kommen kann. Durch diese verschiedenen Eigenschaften können sich insbesondere real voneinander abweichende Spannungen gleichartiger Energiespeicherzellen ergeben. Zudem ist beim Verbau von Energiespeicherzellen in einem Energiespeichersystem nicht zwingend gewährleistet, dass alle Energiespeicherzellen den gleichen Ladezustand, und damit verbunden, die gleiche Zellspannung aufweisen. Werden Energiespeicherzellen mit unterschiedlicher Spannung elektrisch parallel geschaltet, fließt augenblicklich ein Ausgleichsstrom von Zelle zu Zelle.
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Moderne Batterietechnologien weisen häufig eine sehr hohe Leistungsfähigkeit und damit einen sehr geringen Innenwiderstand auf. Aufgrund dessen können die Ausgleichsströme beim Parallelschalten sehr hohe Werte annehmen, die im Moment des Zusammenbaus des Energiespeichersystems zum einen bereits zu einer Vorschädigung der einzelnen Energiespeicherzellen führen können und andererseits die mechanischen Kontaktstellen zwischen den einzelnen Batteriezellen (Zellverbinder) thermisch durch Stromverlustwärme bzw. korrosiv durch Lichtbogen angreifen, oder im ungünstigen Fall kann die Kontaktstelle brechen oder sich entlöten.
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Bei einer Reihenschaltung einzelner Energiespeicherzellen ist der fließende Batteriestrom gleich dem Strom der durch jede der einzelnen Energiespeicherzellen fließt. Bei einem Laden der Batterie steigt der Ladezustand der Energiespeicherzellen an. Haben die Energiespeicherzellen in einer Reihenschaltung unterschiedliche Ladezustände, so erreicht beim Laden diejenige Energiespeicherzelle mit dem zu Beginn höchsten Ladezustand zuerst den Zustand der Vollladung. Wird das Energiespeichersystem entladen, ist diejenige Energiespeicherzelle mit dem zu Beginn geringsten Ladezustand zuerst vollständig entladen. Ist eine Energiespeicherzelle vollständig geladen oder entladen, muss der Lade- bzw. Entladevorgang unterbrochen werden, um ggf. eine Beschädigung einzelner Energiespeicherzellen durch Überladen oder Tiefentladen zu vermeiden. Die Streuung der Ladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen bestimmt daher den nutzbaren Kapazitätsbereich des aus einzelnen Energiespeicherzellen gebildeten Energiespeichersystems. Die Streuung der Ladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen ist daher so gering wie möglich zu halten, um eine möglichst große nutzbare Kapazität des Energiespeichersystems zu erreichen.
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Es besteht also die Notwendigkeit die einzelnen Energiespeicherzellen oder zumindest einzelne Untergruppen von Energiespeicherzellen vor dem Zusammenbau zu einem leistungsfähigen Energiespeichersystem und insbesondere vor dem Einbau des Energiespeichersystems, beispielsweise in ein Fahrzeug, miteinander derart abzugleichen, dass die einzelnen Energiespeicherzellen oder zumindest die Untergruppen von Energiespeicherzellen auf ein gleiches Spannungsniveau gebracht werden, ohne dass dabei zu große Ausgleichsströme fließen, die zu einer Beschädigung der Energiespeicherzellen oder der Kontakte führen könnten.
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Offenbarung der Erfindung
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zum Abgleichen wenigstens zweier elektrischer Energiespeicherzellen mittels einer Abgleichvorrichtung, welches die folgenden Schritte aufweist: Anordnen der wenigstens zwei Energiespeicherzellen in einer Aufnahmevorrichtung der Abgleichvorrichtung in einem ersten Verfahrensschritt, Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den wenigstens zwei Energiespeicherzellen mittels einer Steuervorrichtung der Abgleichvorrichtung in einem zweiten Verfahrensschritt, Modifizieren eines elektrischen Widerstands der elektrisch leitfähigen Verbindung durch die Steuervorrichtung in einem dritten Verfahrensschritt und Herausnehmen der wenigstens zwei Energiespeicherzellen aus der Aufnahmevorrichtung in einem vierten Verfahrensschritt.
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In vorteilhafter Weise ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein besonders einfach und schnell durchzuführender Abgleich der zwei Energiespeicherzellen ermöglicht (auch als Symmetrierung oder Balancierung bezeichnet). Dies wird dadurch erzielt, dass die Energiespeicherzellen vor dem Verbau in ein Energiespeichersystem in der Aufnahmevorrichtung angeordnet werden und hier eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Energiespeicherzellen hergestellt wird, so dass in kontrollierter Art und Weise Ausgleichsströme zwischen Energiespeicherzellen mit unterschiedlichem Spannungsniveau fließen können und die Energiespeicherzellen somit auf ein gleiches Spannungsniveau gebracht werden. Anschließend werden die Energiespeicherzellen einfach aus der Aufnahmevorrichtung herausgenommen und sind für den Verbau in einem Energiespeichersystem vorbereitet. Die Veränderung des elektrischen Widerstands im dritten Verfahrensschritt hat den Vorteil, dass durch einen großen elektrischen Widerstand im zweiten Verfahrensschritt zunächst nur ein kleiner Ausgleichsstrom zwischen den Energiespeicherzellen fließen kann, von welchem keine Gefahr für die Energiespeicherzellen oder die Kontakte ausgeht, und nach dem Abklingen dieses Ausgleichsstroms der elektrische Widerstand im dritten Verfahrensschritt gesenkt werden kann, so dass ein zügigerer Abgleich erzielt wird, da der Ausgleichstrom durch die Reduzierung des elektrischen Widerstands steigt. Die Energiespeicherzellen umfassen vorzugsweise jeweils eine einzige Batteriezelle oder eine Mehrzahl von Batteriezellen, welche beispielsweise in Reihe und/oder parallel miteinander verschaltet sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen. sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung zeitabhängig und/oder in Abhängigkeit eines Ausgleichsstroms zwischen den wenigstens zwei Energiespeicherzellen modifiziert wird, wobei der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung vorzugsweise reduziert wird, sobald der Ausgleichsstrom einen Schwellenwert unterschreitet und/oder sobald eine voreingestellte Zeitspanne abgelaufen ist. In vorteilhafter Weise wird die Reduktion des elektrischen Widerstands somit automatisch eingeleitet, wenn erkannt wird, dass eine ausreichende Zeit zum Spannungsausgleich bereits zur Verfügung gestellt wurde, so dass auch bei kleineren elektrischen Widerständen keine gefährlich hohen Ausgleichsströme mehr zu befürchten sind, oder dass der Spannungsausgleich aufgrund des niedrigen Ausgleichsstroms beschleunigt werden kann, indem ein kleinerer elektrischer Widerstand verwendet wird. Der elektrische Widerstand wird wahlweise insbesondere kontinuierlich oder diskontinuierlich in Abhängigkeit des Ausgleichsstroms oder der verstrichenen Zeit, seit der Ausgleichsstrom zu fließen begonnen hat, eingestellt. Der elektrische Widerstand umfasst beispielsweise ein aktives Bauelement, wie beispielsweise einem Feld-Effekt-Transistor, der entsprechend gesteuert wird. Denkbar ist, dass die Spannung am „Controlgate“ des Feld-Effekt-Transistors zur Modifikation des elektrischen Widerstands zwischen „Source“ und „Drain“ entsprechend beschaltet wird. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Reduzierung des elektrischen Widerstands im dritten Verfahrensschritt erzielt werden. Das aktive Bauelement ist dabei vorzugsweise zusätzlich mit einem ohmschen Widerstand in Serie geschaltet. Alternativ weist der elektrische Widerstand ein passives Bauelement, wie beispielsweise ein selektiv zuschaltbarer und/oder abschaltbarer ohmscher Widerstand, auf. Bei dieser bevorzugten Lösung bedarf es vorteilhafterweise keiner komplexen Analogschaltung zur Besteuerung eines aktiven Bauelements. Der Schaltungsaufwand ist somit besonders gering und die Abgleichvorrichtung ist besonders kostengünstig herstellbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt die elektrisch leitfähige Verbindung über einen ersten elektrischen Widerstand hergestellt wird und wobei im dritten Verfahrensschritt ein zweiter elektrischer Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung zugeschaltet wird. Vorzugsweise werden im dritten Verfahrensschritt weitere zweite Widerstände zugeschaltet, sobald der Ausgleichsstrom einen weiteren Schwellenwert unterschreitet und/oder sobald eine weitere voreingestellte Zeitspanne abgelaufen ist.
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In vorteilhafter Weise ist somit ein besonders einfacher und schneller Abgleich der wenigstens zwei Energiespeicherzellen möglich. Dies wird dadurch erzielt, dass zweiten Verfahrensschritt, zunächst das Fließen eines ersten Ausgleichsstrom zwischen Energiespeicherzellen über den ersten Widerstand ermöglicht wird, wobei der erste Widerstand insbesondere derart groß gewählt wird, dass auch bei großen Spannungsunterschieden zwischen den Energiespeicherzellen nur ein ungefährlich kleiner Ausgleichsstrom fließen kann (und somit eine Beschädigung der Energiespeicherzellen oder deren Kontakt vermieden wird), wobei anschließend, d.h. im dritten Verfahrensschritt, einfach der zweite Widerstand zugeschaltet wird und somit der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den beiden Energiespeicherzellen verringert wird. Der Ausgleichsstrom nimmt im zweiten Verfahrensschritt mit der Zeit ab, da sich die elektrischen Spannungen der beiden Energiespeicherzellen mit zunehmender Zeit einander angleichen, d.h. das Angleichen der elektrischen Spannungen erfolgt bei einem konstanten elektrischen Widerstand immer langsamer. Durch das Zuschalten des zweiten Widerstands oder das Überbücken des ersten Widerstands wird der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Energiespeicherzellen insbesondere reduziert, so dass der Ausgleichsstrom trotz sich angleichender Spannungen wieder erhöht wird. Das Zuschalten des zweiten elektrischen Widerstands oder das Überbrücken des ersten elektrischen Widerstands führt somit dazu, dass der Abgleichvorgang einerseits sicherer ist, da ein größerer erster elektrischer Widerstand gewählt werden kann und somit zu Beginn des Abgleichvorgangs kleinere Ausgleichsströme fließen, und andererseits durch die Anpassung bzw. Reduzierung des elektrischen Widerstands im dritten Verfahrensschritt der Abgleichvorgang beschleunigt wird, ohne dass hierfür die Realisierung von komplexer (analoger) Schaltungstechnik notwendig ist.
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Das Wort Zuschalten im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet insbesondere, dass entweder der zweite elektrische Widerstand zusätzlich zum ersten elektrischen Widerstand in die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den beiden Energiespeicherzellen geschaltet wird, beispielsweise parallel zum ersten elektrischen Widerstand, oder dass die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Energiespeicherzellen anstelle über den ersten elektrischen Widerstand nur noch über den zweiten elektrischen Widerstand geschaltet wird (der erste elektrische Widerstand wird dann beim Zuschalten des zweiten elektrischen Widerstands von wenigstens einer der Energiespeicherzellen getrennt). Denkbar ist auch eine Kombination von Zuschalten des zweiten elektrischen Widerstands und Überbrücken des ersten elektrischen Widerstands, indem der zweite elektrische Widerstand dem ersten elektrischen Widerstand parallel geschaltet wird. Der erste elektrische Widerstand umfasst insbesondere einen ersten ohmschen Widerstand, während der zweite elektrische Widerstand insbesondere einen zweiten ohmschen Widerstand umfasst. Denkbar ist, dass der zweite ohmsche Widerstand insbesondere einen kleineren elektrischen Widerstand als der erste ohmsche Widerstand aufweist (dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich).
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt die elektrisch leitfähige Verbindung über einen ersten elektrischen Widerstand hergestellt wird und wobei im dritten Verfahrensschritt der erste elektrische Widerstand überbrückt wird. In vorteilhafter Weise wird der elektrische Widerstand auch durch ein einfaches Überbrücken des ersten elektrischen Widerstand reduziert, wobei der notwendige Schaltungsaufwand hierfür vergleichsweise niedrig ist. Denkbar ist, dass eine Mehrzahl von ersten Widerständen in Serie geschaltet ist und im dritten Verfahrensschritt sukzessive die ersten Widerstände überbrückt werden, so dass sich der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung sukzessive (insbesondere diskontinuierlich) verringert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt weitere zweite Widerstände zugeschaltet werden, sobald der Ausgleichsstrom einen weiteren Schwellenwert unterschreitet und/oder sobald eine weitere voreingestellte Zeitspanne abgelaufen ist. Vorzugsweise wird im dritten Verfahrensschritt somit der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Energiespeicherzellen durch das sukzessive Zuschalten der weiteren zweiten Widerstände sukzessive reduziert, um ein möglichst schnelles Abgleichen der Energiespeicherzellen zu erzielen und gleichzeitig das Auftreten von zu großen Ausgleichströmen wirksam zu verhindern.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Energiespeicherzellen im zweiten und/oder dritten Verfahrensschritt zusätzlich aufgeladen, entladen oder umgeladen werden. In vorteilhafter Weise werden die Energiespeicherzellen somit nicht nur hinsichtlich ihrer Zellspannungen einander angeglichen, sondern auch auf ein gewünschtes gemeinsames Spannungsniveau gebracht. Für den Ladevorgang werden die Energiespeicherzellen hierzu mit einer Stromquelle verbunden, während sie für den Entladevorgang mit einer Stromsenke bzw. einer Last verbunden werden. Vorzugsweise werden dabei eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen abgeglichen und gleichzeitig mit einer Stromquelle oder -senke verbunden, so dass die Mehrzahl von Energiespeicherzellen möglichst schnell auf ein gemeinsames Spannungsniveau geladen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiespeicherzellen im ersten Verfahrensschritt derart in einer Aufnahmevorrichtung angeordnet werden, dass Kontakte der Energiespeicherzellen automatisch von weiteren Kontakten der Aufnahmevorrichtung kontaktiert werden und/oder wobei die Energiespeicherzellen im ersten Verfahrensschritt jeweils mittels einer Fördereinrichtung automatisiert in der Aufnahmevorrichtung angeordnet werden und/oder im vierten Verfahrensschritt mittels der Fördereinrichtung automatisiert aus der Aufnahmevorrichtung genommen werden. In vorteilhafter Weise wird somit ein vergleichsweise schneller und einfacher Abgleich der Energiespeicherzellen erzielt, da die Energiespeicherzellen lediglich vor dem Abgleichvorgang in der Aufnahmevorrichtung angeordnet und nach dem Abgleichvorgang wieder aus der Aufnahmevorrichtung herausgenommen werden müssen. Ein Vorgang zum Anschließen der Energiespeicherzellen kann vollständig eingespart werden. Vorzugsweise werden die Energiespeicherzellen mittels der Fördereinrichtung automatisch in der Aufnahmevorrichtung angeordnet, wobei die Energiespeicherzellen in der Aufnahmevorrichtung einzeln, in Gruppen oder gemeinsam miteinander abgeglichen werden. Vorzugsweise werden die einzelnen Energiespeicherzellen automatisch zunächst in der Aufnahmevorrichtung angeordnet, anschließend mittels des Zuordnungsschrittes automatisch zu Energiespeichern (beispielsweise Stränge von Energiespeicherzellen) zugeordnet, wobei anschließend im Abgleichvorgang die Mehrzahl von Energiespeicherzellen einander angeglichen werden und vorzugsweise auf ein gemeinsamen Spannungsniveau aufgeladen werden. Die Aufnahmevorrichtung stellt somit eine Art Prüfungsstand kombiniert mit einer Zuordnungsvorrichtung und einer Lade- bzw. Umladevorrichtung dar. Nachdem die Energiespeicherzellen das Zuordnungs-, Abgleich- und/oder Ladeverfahren durchlaufen haben, werden sie automatisch aus der Aufnahmevorrichtung herausgenommen und sind dann beispielsweise bereit für den weiteren Vertrieb, für den Zusammenbau zu einem Energiespeichersystem und/oder zum Einbau in ein Fahrzeug. Denkbar ist, dass die Energiespeicherzellen beim Herausnehmen aus der Aufnahmevorrichtung entsprechend ihrer Zuordnung markiert oder registriert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Energiespeicherzellen im dritten Verfahrensschritt auf ein im Wesentlichen gleiches Zellspannungsniveau gebracht werden und wobei anschließend in Abhängigkeit des jeweiligen Zellspannungsniveaus eine Zuordnung der Energiespeicherzellen zu einem Energiespeichersystem durchgeführt wird. Die Energiespeicherzellen werden vorzugsweise in einem fünften Verfahrensschritt in Abhängigkeit ihrer Zuordnung zu einem Energiespeichersystem zusammengebaut und miteinander verschaltet. In vorteilhafter Weise erlaubt die Zuordnung der einzelnen Energiespeicherzellen auch nach dem Herausnehmen der Energiespeicherzellen aus der Aufnahmevorrichtung im vierten Verfahrensschritt noch eine Identifizierung der einzelnen Energiespeicherzellen dahingehend, dass erkennbar ist, mit welchen anderen Energiespeicherzellen sie abgeglichen wurden bzw. auf welches Zellspannungsniveau sie gebracht wurden. Mit diesen Zuordnungsinformation können später Chargen von miteinander abgeglichenen Energiespeicherzellen gebildet werden, aus welchen ein gemeinsames Energiespeichersystem aufgebaut werden kann oder dass es beim Verschalten der Energiespeicherzellen, beispielsweise beim Endverbau in ein Fahrzeug, zu unerwarteten Ausgleichsströmen kommt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass vor dem ersten Verfahrensschritt eine zu den wenigstens zwei Energiespeicherzellen kompatible Aufnahmevorrichtung ausgewählt wird. Die Aufnahmevorrichtung wird ferner in einem weiteren Verfahrensschritt, welcher zeitlich vor oder nach dem ersten Verfahrensschritt durchgeführt wird, mittels einer Koppeleinheit lösbar mit der Steuervorrichtung gekoppelt. Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise mit einer Vielzahl von verschiedenen Aufnahmevorrichtungen koppelbar, so dass für jeden abzugleichenden Typ von Energiespeicherzelle eine entsprechende Aufnahmevorrichtung gewählt werden kann, deren Geometrie an den Typ der Energiespeicherzelle angepasst ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass für jeden Typ von Energiespeicherzelle eine eigene Steuervorrichtung benötigt wird. Das Abgleichverfahren ist somit vergleichsweise günstig zu realisieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in einem Zuordnungsschritt eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinheit zugeordnet werden, wobei vorzugsweise im Zuordnungsschritt wenigstens ein Zellenparameter jeder der Energiespeicherzellen detektiert wird und in Abhängigkeit der Zellenparameter die Mehrzahl von Energiespeicherzellen zur Energiespeichereinheit zugeordnet werden. Wenn Energiespeichereinheiten, beispielsweise als Untereinheit eines großen Energiespeichersystems, aus einer Vielzahl von einzelnen Energiespeicherzellen aufgebaut werden (beispielsweise durch Serienschaltung der Energiespeicherzellen in einem Strang), besteht das Problem, dass die Kapazität dieser Energiespeichereinheiten stark schwankt, da die Kapazitäten der einzelnen Energiespeicherzellen fertigungsbedingten Schwankungen unterliegen. Wenn mehrere Stränge solcher Energiespeicherzellen miteinander verbunden werden ist es vorteilhaft, wenn die Kapazitäten dieser einzelnen Stränge möglichst nah beieinander liegen, also eine möglichst geringe Streuung aufweisen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Energiespeicherzellen vor der Zuordnung zu den Energiespeichereinheiten vermessen werden und dann in Abhängigkeit dieser Messdaten zugeordnet werden. Auf diese Weise wird insbesondere eine möglichst gleichmäßige Zuordnung erzielt. Beispielsweise ist denkbar, dass jeder Strang (in Serie geschaltete Energiespeicherzellen) eine möglichst ähnliche Anzahl von Energiespeicherzellen mit besonders niedriger Kapazität aufweist, so dass nicht zufällig alle Energiespeicherzellen mit besonders niedriger Kapazität in einem einzigen Strang angeordnet werden, wodurch die Kapazität des gesamten aus mehreren parallel geschalteten Strängen zusammengesetzten Energiespeichersystems maßgeblich durch diesen Strang mit besonders vielen Energiespeicherzellen besonders niedriger Kapazität nachteilig beeinflusst wird. Denkbar ist ferner, dass einzelnen Energiespeicherzellen mit geringer Kapazität direkt parallel zu Energiespeicherzellen mit hoher Kapazität geschaltet werden, um so parallel Zelleinheiten mit möglichst gleicher kumulierter Kapazität zu erhalten. Als zu vermessender Zellenparameter kommen beispielsweise die elektrische Kapazität (Ah), der Innenwiderstand, die Ausgangsspannung oder ähnliche Werte der jeweiligen Energiespeicherzelle in Frage. Die Zuordnung kann beispielsweise in einer Nummerierung derjenigen Energiespeicherzellen liegen, welche in späteren Schritten jeweils zu einem Strang zusammengeschlossen werden sollten
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Abgleichvorrichtung zum Abgleichen wenigstens zweier elektrischer Energiespeicherzellen, wobei die Abgleichvorrichtung eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme wenigstens zweier Energiespeicherzellen und eine Steuervorrichtung aufweist und wobei die Steuervorrichtung derart konfiguriert ist, dass zunächst eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den wenigstens zwei Energiespeicherzellen hergestellt wird und dass anschließend der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung modifiziert wird.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit in vorteilhafter Weise ein sicheres und schnelles Abgleichen wenigstens zweier elektrischer Energiespeicherzellen mit einer möglichst einfachen, ausfallsicheren und kostengünstig zu realisierenden Abgleichvorrichtung. Mittels der erfindungsgemäßen Abgleichvorrichtung ist in einfacher Weise eine Angleichung der Spannungen einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen möglich, bevor die einzelnen Energiespeicherzellen zu einem Energiespeichersystem zusammengebaut werden. Durch das Abgleichen der Spannungen der Energiespeicherzellen wird dann ein Fließen von Ausgleichsströmen zwischen den Energiespeicherzellen beim Zusammenbau von parallel verschalteten Energiespeicherzellen verhindert und darüber hinaus eine größtmögliche nutzbare Kapazität von elektrisch in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen in einem Energiespeichersystem erreicht.
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Die Aufnahmevorrichtung ist vorzugsweise lösbar mit der Steuervorrichtung gekoppelt, so dass die Abgleichvorrichtung universell ist und an verschiedenste Typen von Energiespeicherzellen flexibel angepasst werden kann. Insbesondere muss hierfür lediglich eine Aufnahmevorrichtung an die Steuervorrichtung angeschlossen werden, welche der äußeren Geometrie der abzugleichenden Energiespeicherzelle Rechnung trägt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung einen ersten elektrischen Widerstand und wenigstens einen zweiten elektrischen Widerstand aufweist und wobei die Steuervorrichtung derart konfiguriert ist, dass zunächst eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den wenigstens zwei Energiespeicherzellen über den ersten elektrischen Widerstand hergestellt wird und dass zur Modifikation des elektrischen Widerstands wenigstens der eine zweite elektrische Widerstand der elektrischen Verbindung zugeschaltet wird. Der erste elektrische Widerstand umfasst vorzugsweise einen ersten ohmschen Widerstand, während der zweite elektrische Widerstand vorzugsweise einen zweiten ohmschen Widerstand umfasst. Das Zuschalten des zweiten Widerstands ist vorteilhafterweise mit einem einfachen elektrischen Schalter realisierbar, ohne dass es hierfür einer komplexen Steuerung bedarf. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass die Steuervorrichtung einen ersten elektrischen Widerstand aufweist und wobei die Steuervorrichtung derart konfiguriert ist, dass zunächst eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den wenigstens zwei Energiespeicherzellen über den ersten elektrischen Widerstand hergestellt wird und dass zur Modifikation des elektrischen Widerstands wenigstens der erste elektrische Widerstand der elektrischen Verbindung überbrückt wird. In vorteilhafter Weise wird der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung auch durch ein einfaches Überbrücken des ersten elektrischen Widerstand reduziert, wobei der notwendige Schaltungsaufwand hierfür vergleichsweise niedrig ist. Denkbar ist, dass eine Mehrzahl von ersten Widerständen in Serie geschaltet ist und im dritten Verfahrensschritt sukzessive die ersten Widerstände überbrückt werden, so dass sich der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung sukzessive (insbesondere diskontinuierlich) verringert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgleichvorrichtung ein Messmittel zur Messung eines Ausgleichsstroms zwischen den wenigstens zwei Energiespeicherzellen und einen Komparator zum Vergleichen des Ausgleichsstroms mit einem Schwellenwert aufweist, wobei die Steuerschaltung dazu konfiguriert ist, den elektrischen Widerstand zu modifizieren, wenn der Komparator detektiert, dass der Ausgleichsstrom den Schwellenwert unterschreitet. Auf diese Weise wird ein möglichst schneller Abgleich erzielt, da ein Absinken des Ausgleichsstroms unmittelbar zur Reduzierung des elektrischen Widerstands und somit zum Ansteigen des Ausgleichsstroms führt. Der Schwellenwert ist vorzugsweise voreingestellt und ist besonders bevorzugt von außen nachjustierbar. Denkbar ist ferner, dass das Messmittel überprüft, dass der Ausgleichsstrom stets unterhalb einer kritischen Stromstärke bleibt und eine Notabschaltung der Abgleichvorrichtung durchführt wird, wenn der Ausgleichsstrom auf eine kritische Stromstärke steigt, um die Energiespeicherzellen vor Beschädigungen durch zu große Ausgleichsströme, beispielsweise wenn eine Energiespeicherzelle defekt ist, zu schützen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgleichvorrichtung einen Zeitgeber aufweist und wobei die Steuerschaltung dazu konfiguriert ist, den zweiten oder einen weiteren Widerstand zuzuschalten, wenn der Zeitgeber detektiert, dass eine Zeitspanne abgelaufen ist. Auf diese Weise ist eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung der Abgleichvorrichtung möglich, da die Steuervorrichtung lediglich einen Schalter zum Zuschalten des zweiten Widerstands und/oder zum Überbrücken des ersten Widerstands betätigen muss, wenn der Zeitgeber detektiert, dass die Zeitspanne abgelaufen ist. Insbesondere ist denkbar, dass die Abgleichvorrichtung sowohl das Messmittel, als auch den Zeitgeber aufweist und dass im dritten Verfahrensschritt der elektrische Widerstand verändert wird oder das Abgleichverfahren beendet wird, wenn entweder die Zeitspanne abgelaufen ist oder der Ausgleichsstrom unter den Schwellenwert sinkt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Aufnahmevorrichtung weitere Kontakte derart aufweist, dass bei einer Anordnung der Energiespeicherzellen in der Aufnahmevorrichtung die weiteren Kontakte mit entsprechenden Kontakten der Energiespeicherzellen in Kontakt kommen, wobei die Aufnahmevorrichtung bevorzugt jeweils eine Aussparung zur Aufnahme der Energiespeicherzellen aufweist und wobei die weiteren Kontakte besonders bevorzugt in einem Bodenbereich der Aussparung angeordnet sind und wobei die weiteren Kontakte ganz besonders bevorzugt in Richtung der Aussparung federbelastet ausgebildet sind. Vorteilhafterweise werden die Energiespeicherzellen bei der Anordnung in der Aufnahmevorrichtung somit automatisch kontaktiert, so dass ein möglichst schneller und einfacher Ablauf der ersten und vierten Verfahrensschritte ermöglicht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgleichvorrichtung eine Fördereinrichtung zum automatisierten Anordnen von Energiespeicherzellen in der Aufnahmevorrichtung aufweist. Die Fördereinrichtung ist vorzugsweise eine Art Bestückungsautomat, bei welchem die Energiespeicherzellen vorzugsweise mittels eines Greifers, im ersten Verfahrensschritt in der Aufnahmevorrichtung und insbesondere in entsprechenden Aussparungen der Aufnahmevorrichtung angeordnet werden oder im vierten Verfahrensschritt aus der Aufnahmevorrichtung herausgenommen werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer Abgleichvorrichtung gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2a, 2b zeigen schematische Seitenansichten einer Abgleichvorrichtung gemäß der beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3a, 3b zeigen schematische Ansichten einer Abgleichvorrichtung gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt den Verlauf einer Ausgleichsstroms in Abhängigkeit der Zeit in einer Abgleichvorrichtung gemäß der beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
- 5 zeigt eine schematische Ansicht einer Abgleichvorrichtung gemäß einer beispielhaften dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer Abgleichvorrichtung 1 zum Abgleichen einer Mehrzahl von elektrischen Energiespeicherzellen 100 gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Abgleichvorrichtung 1 dient dazu, eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 100, die in späteren Verfahren zu einem oder mehreren Energiespeichersystemen zusammengebaut werden können, in einer gemeinsamen Vorrichtung aufzunehmen, um eine Prüfung, ein Abgleichen, ein Laden, ein Entladen und/oder ein Umladen der Energiespeicherzellen 100 vorzunehmen. Die Abgleichvorrichtung 1 fungiert somit nach Art eines Prüfstandes mit einer integrierten Abgleich- und Ladestation. Insbesondere werden die Energiespeicherzellen 100 vor dem Weitervertrieb mittels der Abgleichvorrichtung 1 auf ein gewünschtes einheitliches Spannungsniveau gebracht.
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Die einzelnen Energiespeicherzellen 100 werden dabei in einem ersten Verfahrensschritt in einer Aufnahmevorrichtung 10 der Abgleichvorrichtung 1 angeordnet. Dieser erste Verfahrensschritt wird beispielsweise mittels einer nicht abgebildeten Fördereinrichtung, vorzugsweise mit einem Greifer durchgeführt, welche die Energiespeicherzellen 100 automatisiert in Aussparungen der Aufnahmevorrichtung 10 platziert. Bei der Anordnung gelangen automatisch die Kontakte der Energiespeicherzellen 100 in Kontakt mit weiteren Kontakten 30 der Aufnahmevorrichtung 10. Die Aufnahmevorrichtung 10 ist über eine Anschlusskupplung 80 mit einer, in 1 nicht illustrierten, zentralen Steuervorrichtung 90 der Abgleichvorrichtung 1 koppelbar, so dass eine Ansteuerung der einzelnen in der Aufnahmevorrichtung 10 angeordneten Energiespeicherzellen 100 durch die Steuervorrichtung 90 ermöglicht wird.
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Die Steuervorrichtung 90 führt in einem zweiten und dritten Verfahrensschritt einen Abgleich der Energiespeicherzelle 100 durch. Optional ist hierbei denkbar, dass zunächst Untergruppen von Energiespeicherzellen 100 gebildet werden, welche jeweils eine Parallel- und/oder Serienschaltung von einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen 100 umfassen, wobei in diesem Fall die zusammengeschalteten Untergruppen miteinander abgeglichen werden, so dass nicht alle Energiespeicherzellen 100 einzeln abgeglichen werden müssen.
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Der Abgleichvorgang wird von der Steuervorrichtung 90 nun wie folgt durchgeführt: Zunächst wird im zweiten Verfahrensschritt eine elektrisch leitfähige Verbindung über eine elektrische Last 95 zwischen den Energiespeicherzellen 100 hergestellt. Da die verschiedenen Energiespeicherzellen 100 in der Regel nicht exakt den gleichen Ladungszustand und somit nicht die gleiche Ausgangsspannung aufweisen, wird durch die elektrische Last 95 nun ein Ausgleichsstrom 80 zwischen den Energiespeicherzellen fließen, dessen Stromstärke sowohl von dem elektrischen Widerstand der elektrischen Last 95 als auch von der Spannungsdifferenz zwischen den Energiespeicherzellen 100 abhängt. Zu Beginn des Abgleichvorgangs ist der erste elektrische Widerstand ausreichend groß gewählt, damit der Ausgleichsstrom 80 nicht derart groß wird, dass er Beschädigungen an den Energiespeicherzellen 100 und/oder an ihren Kontakten herbeiführen könnte. Mit steigendem Abgleich der Spannungen sinkt der Ausgleichsstrom 80. Damit der Abgleichvorgang nicht unnötig lange dauert, wird in dem dritten Verfahrensschritt der elektrische Widerstand der elektrischen Last 95 reduziert. Hierdurch steigt der Ausgleichsstrom 80 sprunghaft an und der Abgleichvorgang wird beschleunigt. Der elektrische Widerstand wird vorzugsweise kontinuierlich oder diskontinuierlich reduziert, wenn eine bestimmte Zeitspanne, seit dem der Ausgleichsstrom 80 zu fließen begonnen hat, verstrichen ist oder wenn der Ausgleichsstrom 80 einen unteren Schwellenwert erreicht oder unterschritten hat.
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Denkbar ist, dass die Steuervorrichtung 90 die Energiespeicherzellen 100 während des Abgleichvorgangs zusätzlich mit einer Stromquelle oder einer Stromsenke verbindet, um neben dem Abgleichen aller Energiespeicherzellen 100 die Energiespeicherzellen 100 ferner auf eine gewünschten Zielspannung zu laden oder zu entladen.
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Denkbar ist, dass die Abgleichvorrichtung 1 ferner Messmittel aufweist, um die abgeglichenen Energiespeicherzellen 100 hinsichtlich ihrer Zellenparameter, wie Ausgangsspannung, elektrische Kapazität, Innenwiderstand oder dergleichen, zu überprüfen.
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Nach dem Abgleichen werden die abgeglichenen Energiespeicherzellen 100 vorzugsweise mittels der Fördereinrichtung automatisiert wieder aus der Aufnahmevorrichtung 10 herausgenommen. Denkbar ist, dass die Energiespeicherzellen 100 entsprechend ihrer eingestellten und abgeglichenen Zellspannung und/oder der mittels des Messmittels erhaltenen Prüfergebnisse markiert oder registriert werden, damit sie später beispielsweise in Chargen mit gleichen Zellspannungen zusammengefasst werden können.
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Nachdem die Energiespeicherzellen 100 aus der Aufnahmevorrichtung 10 herausgenommen wurden, können die Energiespeicherzellen 100 gleicher Chargen, insbesondere an ihrem Bestimmungsort, verbaut und zu größeren Energiespeichersystemen verschaltet werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass beim endgültigem Verschalten große Ausgleichsströme auftreten.
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Die Aufnahmevorrichtung 10 weist optional eine Abdeckung (in 1 nicht dargestellt) auf. Denkbar ist, dass die Abdeckung in der geschlossenen Position verriegelt wird, wenn der Abgleichvorgang durchgeführt wird und/oder ein schwerwiegender Fehler detektiert wird. Insbesondere ist denkbar, dass eine Verriegelung erfolgt, wenn eine zu hohe Temperatur detektiert und/oder zu hohe Ausgleichsströme fließen, damit ein etwaiger menschlicher Bediener der Abgleichvorrichtung keinen Gefahren ausgesetzt wird.
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Die Aufnahmevorrichtung 10 ist optional ferner mit einer Temperaturüberwachung ausgestattet, wobei vorzugsweise jede in der Aufnahmevorrichtung 10 angeordnete Energiespeicherzelle 100 einzeln auf ihre Temperatur hin überwacht wird. Denkbar ist, dass eine Notabschaltung des Abgleichvorgangs erfolgt, wenn die Temperatur einer Energiespeicherzelle einen voreingestellten Temperaturschwellenwert überschreitet. In analoger Weise ist denkbar, dass die Aufnahmevorrichtung 10 mit einem Gassensor (beispielsweise Fluorwasserstoff- oder Kohlenmonooxidgassensor) ausgestattet ist, um die Energiespeicherzellen 100 auf mögliche Gasemissionen hin zu überwachen. Ferner ist denkbar, dass eine Überstromerkennung implementiert ist, welche eine Zwangsabschaltung des Abgleichvorgangs vornimmt, falls der Ausgleichstrom zwischen den Energiespeicherzellen 100 einen vorbestimmten Stromwert übersteigt.
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In 2a und 2b sind schematische Seitenansichten einer Abgleichvorrichtung 1 gemäß der beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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In 2a sind schematisch die Aufnahmevorrichtung 10, die Anschlusskupplung 70 und die Steuervorrichtung 90 abgebildet. Die Aufnahmevorrichtung 10 ist trennbar über die Anschlusskupplung 80 mit der Steuervorrichtung 90 verbunden, so dass die Steuervorrichtung 90 wahlweise auch mit anderen Aufnahmevorrichtungen 10 koppelbar ist. Auf diese Weise kann die Aufnahmevorrichtung 10 ortsbeweglich gestaltet sein und unterschiedliche Aufnahmevorrichtung 10 nach Bedarf an die Steuervorrichtung 90 gekoppelt werden. Insbesondere ist die Steuervorrichtung 90 somit je nach Typ der abzugleichenden Energiespeicherzellen 100 stets mit einer Aufnahmevorrichtung 10 koppelbar, die an die jeweilige geometrische äußere Form der aufzunehmenden Energiespeicherzellen 100 angepasst ist.
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In 2b ist beispielhaft eine Aussparung der Aufnahmevorrichtung 10 dargestellt, in die eine Energiespeicherzelle 100 manuell oder automatisiert einlegbar ist. Die Energiespeicherzelle 100 wird beispielsweise mittels der Fördereinrichtung im Rahmen des ersten Verfahrensschrittes automatisiert in der Aussparung angeordnet. Die Aussparung weist in ihrem Bodenbereich zwei Durchgangsöffnungen 20 auf. In jeder der beiden Durchgangsöffnungen 20 ist ein weiterer Kontakt 30 (für einen Pluspol und einen Minuspol der Energiespeicherzelle 100) angeordnet, der mittels einer Feder 40 in Richtung der Aussparung federelastisch vorgespannt ist. Die weiteren Kontakte 30 sind dabei derart angeordnet, dass sie mit Kontakten einer in der Aussparung angeordneten Energiespeicherzelle 100 korrespondieren. Bei der Anordnung der Energiespeicherzelle 100 in der Aussparung werden die Kontakte der Energiespeicherzelle 100 durch die auf die Energiespeicherzelle 100 wirkende Gewichtskraft auf die elastisch vorgespannten weiteren Kontakte 30 gedrückt, wodurch sich eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den Kontakten der Energiespeicherzelle 100 und den weiteren Kontakten 30 ausbildet.
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Der Querschnitt und die Form der Aussparungen sind vorzugsweise jeweils an die äußere Form der Energiespeicherzellen 100 angepasst, so dass Energiespeicherzellen 100 unterschiedlicher Bauweise (z.B. zylindrische Zellen, prismatische Zellen, Coffeebag-Zellen) in die Aufnahmevorrichtung 10 eingelegt werden können. Die Geometrie der Aufnahmevorrichtung 10 ist dabei insbesondere derart gestaltet, dass die Energiespeicherzellen 100 nur in einer vorgegebenen Orientierung in die Aussparung eingelegt werden, um so die Polung der Kontaktierung (Minuspol, Pluspol) vorzugeben.
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In 3a und 3b sind schematische Ansichten einer Abgleichvorrichtung 1 gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei insbesondere die Verschaltung innerhalb der Abgleichvorrichtung 1 schematisch illustriert ist. In 3a sind beispielhaft eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 100 abgebildet. Jede Energiespeicherzelle 100 ist mit einer elektrischen Last 95 in Serie geschaltet, wobei die einzelnen Stränge aus Energiespeicherzellen 100 und elektrischer Last 95 parallel zueinander geschaltet sind. Wenn nun Spannungsunterschiede zwischen den Energiespeicherzellen 100 bestehen fließen Ausgleichsströme 80 zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen 100, wobei die Ausgleichsströme 80 von den Energiespeicherzellen 100 mit höheren Zellspannungen zu den Energiespeicherzellen 100 mit niedrigeren Zellspannungen fließen, so dass sich nach der Angleichung eine mittlere Spannung für alle Energiespeicherzellen 100 einstellt. Die elektrische Last 95 wird dabei von der Steuerschaltung 90 gesteuert.
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In 3b ist eine Detailansicht einer der in 3a illustrierten elektrischen Lasten 95 dargestellt. Die elektrische Last 95 umfasst einen mit einem ersten Schalter 91 in Serie geschalteten ersten elektrischen Widerstand 50, einen mit einem zweiten Schalter 92 in Serie geschalteten zweiten elektrischen Widerstand 51 und einen mit einem dritten Schalter 93 in Serie geschalteten dritten elektrischen Widerstand 52. Der Strang aus erstem Schalter 91 und erstem elektrischen Widerstand 50, der Strang aus zweitem Schalter 92 und zweitem elektrischen Widerstand 51 und der Strang aus drittem Schalter 93 und drittem elektrischen Widerstand 52 sind einander parallel geschaltet. Der erste, zweite und dritte elektrische Widerstand sind jeweils ohmsche Widerstände. Der erste, zweite und dritte Schalter 91, 92, 93 werden von der Steuervorrichtung 90 gesteuert. In einem ersten Teilschritt des Abgleichvorgangs wird von der Steuerschaltung 90 der erste Schalter 91 geschlossen, so dass eine elektrische Verbindung zwischen den in 3a illustrierten Energiespeicherzellen 100 hergestellt wird. Es fließt nun ein Ausgleichsstrom 80 über den ersten ohmschen Widerstand 50. Der erste ohmsche Widerstand 50 ist dabei derart groß gewählt, dass selbst bei großem Spannungsunterschieden zwischen den Energiespeicherzellen 100 nur ein begrenzt großer Ausgleichsstrom 80 fließt, so dass keine Beschädigungen der Energiespeicherzellen 100 und/oder der Kontakte drohen. Mit zunehmenden Spannungsabgleich sinkt die Stromstärke des Ausgleichsstroms 80.
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Wenn ein vorbestimmter Schwellenwert unterschritten wird oder eine vorbestimmte Zeitspanne abgelaufen ist, schaltet in einem zweiten Teilschritt des Abgleichvorgangs die Steuervorrichtung 90 den zweiten Schalter 92, wodurch der zweite elektrische Widerstand 51 zugeschaltet wird. Hierdurch reduziert sich der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den verschiedenen Energiespeicherzellen 100, so dass der Ausgleichsstrom 80 sprunghaft ansteigt. Mit einem weiteren Spannungsangleich zwischen den Energiespeicherzellen 100 sinkt der Ausgleichsstrom 80 mit der Zeit erneut. Wenn der Ausgleichsstrom erneut einen weiteren Schwellenwert erreicht oder eine weitere Zeitspanne abgelaufen ist, wird in einem dritten Teilschritt des Abgleichvorgangs von der Steuervorrichtung 90 der dritte Schalter 93 geschaltet, wodurch der dritte elektrische Widerstand 52 zugeschaltet wird. Der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Energiespeicherzellen 100 wird somit erneut reduziert und der Ausgleichsstrom 80 steigt wiederrum sprunghaft an.
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Die Energiespeicherzellen 100 werden durch den Abgleich der Spannungen auf einen gemeinsamen Zielspannungswert gebracht bzw. durch Umladen die Spannungen aller Energiespeicherzellen 100 angeglichen. Denkbar ist auch, dass die Gleichheit der Spannungen der Energiespeicherzellen 100 hergestellt wird, indem diese mit gesteuerten Spannungsquellen während des Abgleichvorganges auf eine bestimmte Zellspannung (z.B. 3,7 V bei Lithium-Ionen-Batterien) geladen, entladen oder umgeladen werden. Vorteilhafterweise können die Widerstandswerte der elektrischen Widerstände 50, 51, 52 variieren und/oder der wirksame ohmsche Widerstand der elektrischen Last 95 durch Parallelschalten von 50 | | 51 bzw. 50 | | 52 bzw. 51 | | 52 bzw. 50 | | 51 | | 52 variiert werden.
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Denkbar ist ferner, dass die elektrische Last 95 von weiteren Schaltern zuschaltbare weitere ohmschen Widerständen aufweist, wobei in diesem Fall die weiteren Schalter von der Steuervorrichtung 90 in analoger Weise wie der zweite und dritte Schalter 92, 93 geschaltet werden.
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In 4 ist der Verlauf des Ausgleichsstroms 80 in Abhängigkeit der Zeit in einer Abgleichvorrichtung 1 gemäß der beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. 4 zeigt ein Diagramm, in welchem der Verlauf des Ausgleichsstroms 80 im ersten, zweiten und dritten Teilschritt des Abgleichvorgangs dargestellt ist, wobei auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Stromstärke aufgetragen ist. Zum Zeitpunkt t=0 wird die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Energiespeicherzellen 100 über den ersten elektrischen Widerstand 50 hergestellt. Der Ausgleichsstrom 80 zwischen den Energiespeicherzellen 100 steigt sprunghaft und sinkt aufgrund des zunehmenden Spannungsabgleichs zwischen den Energiespeicherzellen 100 mit der Zeit ab. Zum Zeitpunkt t = t1 wird der elektrische Widerstand der in Reihe geschalteten elektrischen Last 95 durch Zuschalten des zweiten Widerstands 51 verringert, wodurch der fließende Ausgleichsstrom 80 sprunghaft ansteigt. Anschließend sinkt der Ausgleichsstrom 80 mit der Zeit wieder ab, bis zum Zeitpunkt t = t2 der elektrische Widerstand der elektrischen Last 95 durch Zuschalten vom dritten elektrischen Widerstand 52 wiederum verringert wird. Der Ausgleichsstrom 80 steigt hierdurch erneut sprunghaft an. Auf diese Weise wird der im zeitlichen Mittel fließende Ausgleichsstrom gesteuert und die Gleichheit der Spannungen der Energiespeicherzellen 100 in vergleichsweise kurzer Zeit und mit geringem Schaltungsaufwand erreicht.
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In 5 ist die elektrische Last 95 einer Abgleichvorrichtung 1 gemäß einer beispielhaften dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt, wobei die dritte Ausführungsform im Wesentlichen der in 3b illustrierten zweiten Ausführungsform gleicht, wobei die elektrische Last 95 hier durch eine Serienschaltung des ersten, zweiten und dritten elektrischen Widerstands 50, 51, 51 aufgebaut ist, wobei der erste elektrische Widerstand 50 von dem ersten Schalter 91, der zweite elektrische Widerstand 51 vom zweiten Schalter 92 und der dritte elektrische Widerstand 52 vom dritten Schalter 93 überbrückbar ist. Die Steuerschaltung 90 schaltet wiederum im ersten Teilschritt den ersten Schalter 91, im zweiten Teilschritt den zweiten Schalter 92 und im dritten Teilschritt den dritten Schalter 93, wodurch sich der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Energiespeicherzellen 100 sukzessive reduziert. Zusätzlich weist die elektrische Last 95 vorzugsweise einen Sicherheitswiderstand 53 mit einem geringen elektrischen Widerstand auf, welcher ständig zugeschaltet ist.
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In 6 ist ferner ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Abgleichen wenigstens zweier elektrischer Energiespeicherzellen 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im ersten Schritt 200 wird der Abgleichvorgang gestartet, so dass ein Ausgleichsstrom 80 zwischen wenigstens zwei elektrischen Energiespeicherzellen 100 in Abhängigkeit der Unterschiede in den Zellspannungen der Energiespeicherzellen 100 zu fließen beginnt. Hierbei wird in einem zweiten Schritt 201 ständig überwacht, ob der Ausgleichsstrom 80 unter einem Sicherheitsschwellenwert bleibt. Sollte der Sicherheitsschwellenwert überschritten werden, so ist dies ein Indiz für eine defekte Energiespeicherzelle 100 oder ein Defekt in der Abgleichvorrichtung 1. Der Abgleichvorgang wird dann in einem dritten Schritt 202 notabgeschaltet. Wenn der Sicherheitsschwellenwert nicht überschritten wird, wird der Abgleichvorgang fortgesetzt. Dabei wird in einem vierten Schritt 203 ständig überprüft, ob bis zum Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne der Ausgleichsstrom 80 durch die elektrische Last 95, insbesondere nach Durchlaufen des ersten, zweiten und/oder dritten Teilschrittes, unter einen vorbestimmten Schwellenwert sinkt. Wird der Schwellenwert innerhalb der Zeitspanne nicht erreicht, so ist ein vollständiger Abgleich der Energiespeicherzellen 100 nicht möglich und es wird in einem fünften Schritt 204 ein Fehlersignal erzeugt und der Abgleichvorgang unterbrochen. Ist ein Abgleich nicht möglich, so ist dies ein Indiz dafür, dass sich in der Aufnahmevorrichtung 10 eine defekte Energiespeicherzelle 100 oder eine Energiespeicherzelle 100 minderer Qualität befindet. In einem sechsten Schritt 205 wird diese Energiespeicherzelle 100 lokalisiert und ausgetauscht. Das Abgleichverfahren wird anschließend von neuem gestartet.
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Wenn im vierten Schritt 203 der Schwellenwert innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne erreicht wird, ist dies ein Maß dafür, dass die Energiespeicherzellen 100 vollständig abgeglichen sind und der Abgleichvorgang wird in einem siebten Schritt 206 beendet. Anschließend werden aus den Energiespeicherzellen 100 in einem achten Schritt 207 Chargen gebildet, welche sich dadurch auszeichnen, dass alle in einer Charge befindlichen Energiespeicherzellen 100 im Abgleichvorgang auf die gleiche Zielzellspannung eingestellt wurden. Aus den Chargen werden in einem neunten Schritt 208 Module konfektioniert, d.h. es werden Energiespeichersysteme aufgebaut, die aus einer Vielzahl von Energiespeicherzellen 100 und insbesondere aus einer Vielzahl von Energiespeicherzellen 100 einer Charge aufgebaut werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgleichvorrichtung
- 10
- Aufnahmevorrichtung
- 20
- Durchgangsöffnung
- 30
- Weitere Kontakte
- 40
- Feder
- 50
- Erster elektrischer Widerstand
- 51
- Zweiter elektrischer Widerstand
- 52
- Dritter elektrischer Widerstand
- 53
- Sicherheitswiderstand
- 70
- Anschlusskupplung
- 80
- Ausgleichsstrom
- 90
- Steuervorrichtung
- 91
- Erster Schalter
- 92
- Zweiter Schalter
- 93
- Dritter Schalter
- 95
- Elektrische Last
- 100
- Energiespeicherzelle
- 200
- Erster Schritt
- 201
- Zweiter Schritt
- 202
- Dritter Schritt
- 203
- Vierter Schritt
- 204
- Fünfter Schritt
- 205
- Sechster Schritt
- 206
- Siebter Schritt
- 207
- Achter Schritt
- 208
- Neunter Schritt
