DE102012204966A1

DE102012204966A1 - Batteriesystem mit Balancing-Schaltung

Info

Publication number: DE102012204966A1
Application number: DE201210204966
Authority: DE
Inventors: Brem Kumar Saravanan; Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Vielzahl von Batteriezellen, denen jeweils eine Balancing-Schaltung (22, 28) zugeordnet ist. Die Balancing-Schaltung (22, 28) umfasst eine Reihenschaltung aus wenigstens einem Widerstand (24, 30, 34) und mindestens einem Schaltmittel (14) sowie einer, zur Reihenschaltung parallel geschalteten Batteriezelle (16), und mindestens einem, zur Reihenschaltung parallel geschalteten ASIC (20). Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kaltleiter (26, 32), der sich in unmittelbarer Nähe zu dem wenigstens einen Widerstand (24, 30, 34) befindet, dazu ausgelegt ist, nach dem Einschalten des mindestens einen Schaltmittels (14), durch die Hitzeeinwirkung des wenigstens einen Widerstands (24, 30, 34), seinen Widerstandswert mindestens so weit zu erhöhen, dass die Spannung an dem wenigstens einen Widerstand (24, 30, 34) so weit abfällt, dass sie sich in einem, für diesen wenigstens einen Widerstand (24, 30, 34) zulässigen Spannungsbereich bewegt und den Stromfluss durch die Reihenschaltung auf einen zuvor durch die Dimensionierung der Bauteile festgelegten Wert begrenzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Balancieren der Batteriezellen eines Batteriesystems.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann (z. B. ein Ausfall der Traktionsbatterie bei einem Elektrofahrzeug) oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann (bei Windkraftanlagen werden z. B. Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen).
1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik. Zwischen dem Pluspol 10 und dem Minuspol 12 des Batteriesystems sind eine Lade- und Trenneinrichtung 14, eine Vielzahl von Batteriezellen Z₁, ..., Z_n sowie optional eine weitere Trenneinrichtung 16 in Reihe geschaltet. Die Lade- und Trenneinrichtung 14 umfasst einen Trennschalter 18, einen Ladeschalter 20 sowie einen Ladewiderstand 22. Die optionale Trenneinrichtung 16 umfasst einen Trennschalter 24. Um die Anforderungen an die Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erfüllen, werden eine Vielzahl von Batteriezellen Z₁, ..., Z_n in Reihe geschaltet werden; es ist auch bekannt, Batteriezellen oder in Reihe geschaltete Gruppen von Batteriezellen parallel zu schalten.
Ein Problem beim Einsatz vieler einzelner in Reihe geschalteter Batteriezellen besteht darin, dass die Batteriezellen nicht perfekt gleich sind, was zu ungleichen Zellspannungen führen kann, insbesondere über längere Zeitspannen von der Größenordnung der Lebensdauer der Batterie. Da insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien das Überladen oder das Tiefentladen einzelner Zellen zu einer irreversiblen Schädigung der Batterie führt, muss in regelmäßigen Zeitabständen ein sogenanntes Zell-Balancing durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Zellen durch externe Beschaltungsmaßnahmen so ge- oder entladen, dass sie wieder gleiche Zellspannung besitzen.
Stand der Technik ist dabei das sogenannte Widerstandsbalancing, bei dem ein Widerstand oder eine Widerstandskombination über Schalter einzelne Zellen so lange belastet, bis alle Zellen das gleiche Spannungsniveau erreicht haben. Figur 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems nach diesem Prinzip. Die in Reihe geschalteten Batteriezellen Z₁, ..., Z_n werden über die Schalter S₁, ..., S_n mit den Widerständen R₁, ..., R_n belastet. Beispielsweise wird die Batteriezelle Z₁ über die Widerstände R₁ und R₂ entladen, wenn der Schalter S₁ eingeschaltet ist. Bei diesem Verfahren werden zunächst alle Zellspannungen gemessen, die Spannungen der einzelnen Zellen miteinander verglichen und über eine zentrale Steuersoftware die Schalter so lange eingeschaltet, bis die zu entladenden Zellen auf das gewünschte Niveau entladen sind.
3 zeigt das Widerstandsbalancing nach dem Stand der Technik, mit einer Balancing-Schaltung 10, welche eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 12 und einem Schaltmittel 14 sowie dazu parallel geschaltet eine Batteriezelle 16 sowie ebenfalls dazu parallel geschaltet ein ASIC 20 umfasst.
Das Balancieren von Batteriezellen nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass in der Batterie gespeicherte Energie durch Verlustleistung in den Widerständen in Wärme umgewandelt wird, um den gewünschten Ladungsausgleich zu erreichen. Diese Wärme kann zu einer Überhitzung der Widerstände und somit zu einer Beschädigung selbiger führen bzw. in einer verfrühten Alterung der betroffenen Bauteile resultieren.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Vielzahl von Batteriezellen, denen jeweils eine Balancing-Schaltung zugeordnet ist. Die Balancing-Schaltung umfasst eine Reihenschaltung aus wenigstens einem Widerstand und mindestens einem Schaltmittel sowie einer, zu der Reihenschaltung parallel geschalteten Batteriezelle, und mindestens einem, zu der Reihenschaltung parallel geschalteten ASIC. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kaltleiter, der sich in unmittelbarer Nähe zu dem wenigstens einen Widerstand befindet, dazu ausgelegt ist, nach dem Einschalten des mindestens einen Schaltmittels, durch die Hitzeeinwirkung des wenigstens einen Widerstands, seinen Widerstandswert mindestens so weit zu erhöhen, dass die Spannung an dem wenigstens einen Widerstand so weit abfällt, dass sie sich in einem für diesen wenigstens einen Widerstand zulässigen Spannungsbereich bewegt und den Stromfluss durch die Reihenschaltung auf einen zuvor durch die Dimensionierung der Bauteile festgelegten Wert begrenzt.
Die Erfindung geht demnach aus von einem Batteriesystem mit einer Vielzahl von Batteriezellen, die jeweils über eine Balancing-Schaltung auf insgesamt identischen Ladungsstand (State of Charge, SOC) gebracht werden können. Die Balancing-Schaltung einer Batteriezelle umfasst eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Widerstand, der mit geringem Abstand, in Reichweite seiner Wärmestrahlung, direkt vor oder hinter einem Kaltleiter positioniert ist und einem Schaltmittel, mit welchem das Balancing eingeleitet und beendet werden kann. Die Reihenschaltung ist parallel geschaltet zu der Batteriezelle selbst und zu mindestens einem ASIC. Gekennzeichnet ist die Balancing-Schaltung dadurch, dass nach dem Einschalten des mindestens einen Schaltmittels der Batteriezelle elektrische Energie in Form von Strom entnommen und über den Widerstand in Wärme umgewandelt wird. Kaltleiter und Widerstand sind bezüglich ihres Abstands zueinander und ihrer charakteristischen Eigenschaften so angeordnet und ausgelegt, dass bei zu starker Erhitzung des Widerstands, der Kaltleiter, welcher der von dem Widerstand abgestrahlten Wärme ausgesetzt ist, seinen Widerstandswert entsprechend seiner Kennlinie derart erhöht, dass der Stromfluss durch die Reihenschaltung auf einen Wert begrenzt wird, welcher sich für alle Widerstände der Reihenschaltung im Rahmen ihrer zulässigen Betriebstoleranzen bewegt und sich die elektrische Leistung am erhitzten Widerstand verringert und somit seine Temperatur fällt.
Ein Kaltleiter wie in dem obigen Zusammenhang ist ein Strom leitendes Material, das bei tiefen Temperaturen den Strom besser leiten kann als bei hohen.
Der Wert, auf den der Kaltleiter den Stromfluss durch die Reihenschaltung begrenzt, liegt innerhalb der Betriebstoleranz des Widerstands der Reihenschaltung mit dem geringsten Widerstandswert.
Vorzugsweise ist das Schaltmittel des Batteriesystems ein bipolarer Transistor, da dieser mit seiner steilen Kennlinie und seiner geringen Einsatzspannung das Verhalten eines Schalters besonders gut approximiert.
Ferner ist es bevorzugt, eine Balancing-Schaltung mit zwei Widerständen zu verwenden, welche sich in unmittelbarer Nähe zum Kaltleiter, vor und nach ihm in der Reihenschaltung positioniert, befinden. Die unmittelbare Nähe bemisst sich in diesem Fall nach der Wärme-Abstrahlung der zwei Widerstände. Die Doppelanordnung zweier Widerstände unmittelbar vor und nach dem Kaltleiter führt aufgrund einer räumlich günstigeren Anordnung der Widerstände zu einer schnelleren, beidseitigen Erwärmung des Kaltleiters. Dadurch kommt es zu einem schnelleren Anstieg des Widerstandswerts des Kaltleiters und somit zu einer schnelleren Reduktion des Stromflusses durch die Reihenschaltung, was einen besseren Schutz der Widerstände der Balancing-Schaltung vor Überhitzung bedeutet.
Ferner ist es bevorzugt, ein Batteriesystem zu verwenden, bei dem die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems mit einer Vielzahl von Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems, in dem die Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik balanciert werden,
3 ein Prinzipschaltbild einer Balancing-Schaltung für eine Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik,
4 ein Prinzipschaltbild einer Balancing-Schaltung für eine Batteriezelle gemäß der Erfindung, und
5 ein Prinzipschaltbild einer Balancing-Schaltung für eine Batteriezelle gemäß der Erfindung mit zwei Widerständen.
Die 1 bis 3 wurden bereits erläutert.
4 zeigt das Widerstandsbalancing gemäß der Erfindung mit einer Balancing-Schaltung 22, welche eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 24, einem Schaltmittel 14 und einem Kaltleiter 26, sowie dazu parallel geschaltet eine Batteriezelle 16 sowie ebenfalls dazu parallel geschaltet ein ASIC 20 umfasst.
Der Aufbau der Balancing-Schaltung 22 entspricht dabei dem der Balancing-Schaltung 10 aus 3, ohne den Widerstand 12 und erweitert um einen Kaltleiter 26, der sich in unmittelbarer Nähe zu einem Widerstand 24 befindet.
5 zeigt das Widerstandsbalancing gemäß der Erfindung mit einer Balancing-Schaltung 28, welche eine Reihenschaltung aus einem Kaltleiter 32, der in unmittelbarer Nähe zu je zwei Widerständen 30 und 34 befindlich angeordnet ist sowie einem Schaltmittel 14, und dazu parallel geschaltet eine Batteriezelle 16 sowie ebenfalls dazu parallel geschaltet ein ASIC 20 umfasst. Der Aufbau der Balancing-Schaltung 28 nach 5 entspricht dabei dem der Balancing-Schaltung 22 aus 4, ohne den Widerstand 24 und den Kaltleiter 26 und erweitert um eine Kombination aus sich in unmittelbarer Nähe zu einem Kaltleiter 32 befindlich angeordneten Widerständen 30 und 34.
Zu 4 und 5: Über das Schließen des Schaltmittels 14 wird der Stromkreis der Balancing-Schaltung geschlossen und bei geladener Batteriezelle ein Stromfluss von dem positiven Pol der Batterie zu dem negativen Pol über die Reihenschaltung gestartet (technische Stromrichtung). Durch den Stromfluss durch den Widerstand/die Widerstände kommt es aufgrund der Wechselwirkung der den Stromfluss darstellenden, bewegten Elektronen mit den Ionen des Widerstandsmaterials zu einer Wärmeentwicklung (Umwandlung elektrischer Energie in Wärme) in den Widerständen, welche selbige nach einer gewissen Zeit erhitzt. Diese Wärme wird von dem Widerstand/den Widerständen in Form von thermischer Strahlung isotrop inhomogen abgestrahlt. Der sich in unmittelbarer Nähe zu dem Widerstand/den Widerständen befindende Kaltleiter wird von einem Teil dieser thermischen Strahlung erfasst. Durch die Absorption dieses Strahlungsanteils erwärmt sich der Kaltleiter zusätzlich zu der Erwärmung, die er durch die Wechselwirkung der ihn durchfließenden Elektronen mit den Atomen/Ionen seines eigenen Materials erfährt. Die Erwärmung führt nach dem Verlauf einer für das jeweilige Kaltleiter-Material sowie den inneren Aufbau des Kaltleiters charakteristischen Kennlinie zu einer Erhöhung des Widerstandswerts des Kaltleiters. Proportional zu dieser Erhöhung des Widerstands des Kaltleiters verringert sich der Stromfluss durch die Reihenschaltung, wodurch dem Effekt der Erwärmung entgegengewirkt wird. Der Widerstand bzw. die Widerstände kühlen sich aufgrund des geringeren Stromflusses wieder ab und sind somit an einer Überhitzung gehindert.

Claims

Batteriesystem mit einer Vielzahl von Batteriezellen, denen jeweils eine Balancing-Schaltung (22, 28) zugeordnet ist, umfassend eine Reihenschaltung aus wenigstens einem Widerstand (24, 30, 34); und mindestens einem Schaltmittel (14), sowie einer, zu der Reihenschaltung parallel geschalteten, Batteriezelle (16); und mindestens einem, zu der Reihenschaltung parallel geschalteten ASIC (20), dadurch gekennzeichnet, dass ein Kaltleiter (26, 32), befindlich in unmittelbarer Nähe zu dem wenigstens einen Widerstand (24, 30, 34), dazu ausgelegt ist, nach dem Einschalten des mindestens einen Schaltmittels (14), durch die Hitzeeinwirkung des wenigstens einen Widerstands (24, 30, 34), seinen Widerstandswert mindestens so weit zu erhöhen, dass die Spannung an dem wenigstens einen Widerstand (24, 30, 34) so weit abfällt, dass sie sich in einem, für diesen wenigstens einen Widerstand (24, 30, 34) zulässigen Spannungsbereich bewegt und den Stromfluss durch die Reihenschaltung auf einen zuvor durch die Dimensionierung der Bauteile festgelegten Wert begrenzt.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Schaltmittel (14) ein Transistor ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Balancing-Schaltung (28) zwei Widerstände (30, 34) umfasst, welche sich in unmittelbarer Nähe zum Kaltleiter (32), vor und nach ihm in der Reihenschaltung positioniert, befinden.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Batteriezelle (16) eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.