DE102012205396A1

DE102012205396A1 - Verfahren zum resistiven Zellausgleich von Batteriezellen einer Batterie, eine verfahrensgemäß gesteuerte Batterie sowie ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012205396A1
Application number: DE102012205396A
Authority: DE
Inventors: Stephan Rees; Ulrich Zimmermann; Matthias Riedmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2013-10-10
Also published as: US20130257322A1; CN103368228B; US9252619B2; CN103368228A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum resistiven Ladungsausgleich von Batteriezellen (10) einer Batterie vorgeschlagen, wobei in einem ersten Schritt der Ladungszustand der Batteriezellen (10) ermittelt wird und die Batteriezellen (10), deren Ladungszustand einen vorgegebenen Wert überschreitet, mit einer ersten Maske (12) korreliert werden, die nur bei einer vorgegebenen Teilmenge aller Batteriezellen (10) einen Ladungsausgleich zulässt, wobei anschließend ein Ladungsausgleich vorgenommen wird, wobei in einem zweiten Schritt der Ladungszustand der Batteriezellen (10) optional erneut ermittelt wird und die Batteriezellen (10), deren Ladungszustand einen vorgegebenen Wert überschreitet, mit einer zweiten Maske (13) korreliert werden, die sich von der ersten Maske (12) unterscheidet, und wobei anschließend ein Ladungsausgleich vorgenommen wird. Dadurch wird die beim Ladungsausgleich erzeugte Wärme räumlich und zeitlich so verteilt, dass es zu keiner lokalen Überhitzung und zu keiner Schädigung von Bauteilen oder einer Übertemperaturabschaltung der Batterie kommen kann. Ferner werden eine Batterie, die verfahrensgemäß gesteuert wird, und ein Kraftfahrzeug beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum resistiven Zellausgleich von Batteriezellen einer Batterie, eine Batterie mit zumindest zwei Batteriezellen und einer Vorrichtung zur Batteriesteuerung, sowie ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
In Batterien wird üblicherweise eine Vielzahl von Batteriezellen in Serie geschaltet, um eine für die jeweilige Anwendung ausreichend hohe Ausgangsspannung zu erreichen. Die Serienschaltung der Batteriezellen bedingt, dass ein Ausgangsstrom der Batterie in allen Batteriezellen fließt.
Aufgrund unterschiedlich starker Leckströme oder einer unterschiedlichen Gesamtkapazität der einzelnen Batteriezellen kommt es dazu, dass deren Ladezustand voneinander abweicht.
Für die optimale und sichere Nutzung der Batteriekapazität muss daher sichergestellt werden, dass der aktuelle Ladezustand der Batteriezellen untereinander möglichst identisch ist. Um dies zu erreichen, wird periodisch das sogenannte Balancing (Zellausgleich oder Ladungsausgleich) durchgeführt. Hierbei werden die Ladungszustände der Batteriezellen durch Laden oder Entladen so beeinflusst, dass ein einheitlicher Ladezustand erreicht wird.
Ein übliches Verfahren des Balancing ist das resistive Balancing, bei dem ein Teil der Ladung der zu stark geladenen Zellen in einem elektrischen Widerstand in thermische Energie umgewandelt wird, das heißt, der Ladezustand der Batteriezellen wird durch gezieltes Absenken bei einzelnen Batteriezellen auf ein einheitliches Niveau gebracht. Jede Batteriezelle verfügt dabei über einen eigenen Balancingwiderstand zwischen den Polen, der über einen elektrischen Schalter aktiviert werden kann. Diese Balancingwiderstände befinden sich üblicherweise in einem Steuergerät und werden nach Bedarf aktiviert. In der Regel werden dabei viele Widerstände gleichzeitig aktiviert.
Aufgrund der hohen Wärmeleistung, die lokal an einem aktivierten Balancingwiderstand entsteht, kann es zu deutlicher Erwärmung der Widerstände und ihrer Umgebung, insbesondere auch der Leiterplatte kommen. Die damit verbundene absolute Temperaturerhöhung sowie die durch Temperaturwechsel hervorgerufene Alterung der Widerstände können zur Zerstörung von Balancingwiderständen, benachbarter Bauelemente oder Lötverbindungen und dergleichen mehr führen.
Aus der US 2011/0109269 A1 sind eine Schaltung und ein Verfahren zum resistiven Balancing bei Batteriezellen bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum resistiven Ladungsausgleich von Batteriezellen einer Batterie offenbart, bei dem in einem ersten Schritt der Ladungszustand der Batteriezellen ermittelt wird und die Batteriezellen, deren Ladungszustand einen vorgegebenen Wert überschreitet, mit einer ersten Maske korreliert werden, die nur bei einer vorgegebenen Teilmenge aller Batteriezellen einen Ladungsausgleich zulässt. Anschließend wird bei den Batteriezellen, deren Ladungszustand einen Ladungsausgleich erfordert und die auf der Maske enthalten sind, ein resistiver Ladungsausgleich vorgenommen.
In einem zweiten Schritt wird der Ladungszustand der Batteriezellen optional erneut ermittelt und die Batteriezellen, deren Ladungszustand einen vorgegebenen Wert überschreitet, werden mit einer zweiten Maske korreliert, die sich von der ersten Maske unterscheidet. Sofern die Prüfung des Ladungszustands im zweiten Schritt entfällt, werden die Batteriezellen, die im ersten Schritt den vorgegebenen Wert für den Ladungszustand überschritten haben, direkt mit der zweiten Maske abgeglichen. Anschließend wird bei den Batteriezellen, deren Ladungszustand einen Ladungsausgleich erfordert und die auf der zweiten Maske enthalten sind, ein resistiver Ladungsausgleich vorgenommen.
Dieser Vorgang wird bei Bedarf wiederholt. Dazu wird in regelmäßigen Abständen der Ladungszustand der Batteriezellen überprüft.
Die Durchführung des zweiten Schrittes kann sich gleich an den ersten Schritt anschließen, vorzugsweise jedoch erfolgt der zweite Schritt erst nach einem vorgegebenen Zeitraum, so dass die im ersten Schritt abgegebene Wärme sicher abtransportiert werden kann. Die Dauer des Zeitraums ergibt sich aus den Gegebenheiten des Batteriesystems und kann vorab von einem Fachmann bestimmt werden. Die Dauer kann zudem vom Alterungszustand der Batterie, einem Zeitfaktor oder dergleichen abhängig gemacht werden.
Beim resistiven Ladungsausgleich oder Balancing wird, wie bereits beschrieben, Ladung der zu stark geladenen Zellen in einem elektrischen Widerstand in thermische Energie umgewandelt. Da die beim Balancing erzeugte Wärme mit dem Balancingbedarf korreliert, der durch die Eigenschaften der Batteriezellen bestimmt wird, lässt sich die insgesamt erzeugte Gesamtwärme nicht reduzieren.
Die Masken bzw. die Auswahl der darauf befindlichen Batteriezellen richten sich nach der örtlichen Lage der Balancingwiderstände im Layout eines Steuergerätes und sind so gestaltet, dass sich keine nahe beieinander liegenden Widerstände auf derselben Maske befinden. Die Summe aller Masken muss dabei alle Batteriezellen bzw. Widerstände enthalten, damit ein vollständiger Ladungsausgleich erfolgen kann. Es können aber prinzipiell dieselben Widerstände in mehreren Masken enthalten sein, um beispielsweise aufgrund ihrer räumlichen Anordnung besonders belastete Batteriezellen in kürzeren Abständen einem Ladungsausgleich unterziehen zu können.
Die geeignete Anzahl der Masken richtet sich nach der örtlichen Lage der Balancingwiderstände auf dem Layout. Es können somit auch drei und mehr Masken eingesetzt werden, wobei sich diese jeweils hinsichtlich der Auswahl der Batteriezellen, die einem Ladungsausgleich unterzogen werden sollen, unterscheiden.
Nach einer bevorzugten Variante des Verfahrens werden zwei Masken eingesetzt, da dies in der Regel ausreichend ist, um eine Schädigung zu vermeiden.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von zumindest zwei unterschiedlichen Masken ist es vorteilhafterweise möglich, die erzeugte Wärme räumlich und zeitlich so zu verteilen, dass es zu keiner lokalen Überhitzung und damit zu keiner Schädigung von Bauteilen oder einer Übertemperaturabschaltung der Batterie kommen kann. Die lokale Wärmeverteilung richtet sich dabei nach der Anordnung der beim Balancing bzw. Ladungsausgleich gleichzeitig aktivierten Widerstände.
Die Vorgabe des Wertes für den Ladungszustand, üblicherweise ein Wert für die Zellspannung, bei dessen Überschreitung ein Ladungsausgleich angezeigt ist, erfolgt durch die Steuerung der Batterie und kann vom Alterungszustand, einem Zeitfaktor oder dergleichen abhängig gemacht werden.
Die Masken lassen sich als einfache Bitfolgen passend zum jeweiligen Layout kodieren und in der Anwendungssoftware der Batteriesteuerung auf die Balanceanforderungen applizieren.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch eine Batterie, vorzugsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit zumindest zwei Batteriezellen und einer Vorrichtung zur Batteriesteuerung, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batterie.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer schematischen Ansicht Batteriezellen einer Batterie, und
2 in einer schematischen Ansicht die Zuordnung von zwei Masken zu den Batteriezellen.
In der 1 ist schematisch die räumliche Anordnung von Batteriezellen 10 und damit eine korrespondierende räumliche Anordnung von Widerständen zum resistiven Ladungsausgleich gezeigt. Die Batteriezellen 10 besitzen zur eindeutigen Kennzeichnung eine Zellnummer 11.
Die Zuordnung der Batteriezellen 10 zu zwei Masken 12, 13, die einen Ladungsausgleich räumlich und zeitlich festlegen, ist in 2 dargestellt. Die schematische Anordnung der Masken 12, 13 entspricht der Anordnung der Batteriezellen 10. Die Verteilung der Batteriezellen 10 zwischen den beiden Masken 12, 13 erfolgt derart, dass jede Zelle nur auf einer Maske 12 oder 13 vertreten ist und dass jede Batteriezelle 10 einer Maske 12, 13 von Batteriezellen derselben Maske 12, 13 nur an den Ecken kontaktiert wird und nicht an den Seitenflächen.
Wird beim Prüfen der Ladungszustände der Batteriezellen 10 eine Notwendigkeit zum Ladungsausgleich festgestellt, werden zunächst alle Batteriezellen 10, die der ersten Maske 12 zugeordnet sind und einen Ladungsausgleich benötigen, diesem unterzogen.
Zu einem späteren Zeitpunkt wird der Ladungszustand der Batteriezellen 10 erneut ermittelt. Da die auf der ersten Maske 12 enthaltenen Batteriezellen 10 bereits ausgeglichen wurden, wird der neue Balancingbedarf überwiegend aus Batteriezellen 10, die auf der zweiten Maske 13 enthalten sind, bestehen.
Anschließend erfolgt ein Abgleich der Batteriezellen 10, die einen Ladungsausgleich benötigen, mit der zweiten Maske 13, wobei die darauf befindlichen Batteriezellen 10 einem Ladungsausgleich unterzogen werden. Bei Bedarf werden die vorgenannten Schritte wiederholt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0109269 A1 [0007]

Claims

Ein Verfahren zum resistiven Ladungsausgleich von Batteriezellen (10) einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt der Ladungszustand der Batteriezellen (10) ermittelt wird und die Batteriezellen (10), deren Ladungszustand einen vorgegebenen Wert überschreitet, mit einer ersten Maske (12) korreliert werden, die nur bei einer vorgegebenen Teilmenge aller Batteriezellen (10) einen Ladungsausgleich zulässt, dass anschließend bei den Batteriezellen (10), deren Ladungszustand einen Ladungsausgleich erfordert und die auf der ersten Maske (12) enthalten sind, ein resistiver Ladungsausgleich vorgenommen wird, dass in einem zweiten Schritt der Ladungszustand der Batteriezellen (10) optional erneut ermittelt wird und die Batteriezellen (10), deren Ladungszustand einen vorgegebenen Wert überschreitet, mit einer zweiten Maske (13) korreliert werden, die sich von der ersten Maske (12) unterscheidet, und dass anschließend bei den Batteriezellen (10), deren Ladungszustand einen Ladungsausgleich erfordert und die auf der zweiten Maske (13) enthalten sind, ein resistiver Ladungsausgleich vorgenommen wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei mehr als zwei Masken (12, 13) in mehr als zwei Schritten verwendet werden.
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei nach dem zweiten bzw. letzten Schritt wieder mit dem ersten Schritt begonnen wird.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt eine vorgegebene Zeitdauer verstreicht.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei alle Batteriezellen (10) von der Summe aller Masken (12, 13) erfasst sind.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei einem Teil der Batteriezellen (10) zumindest zwei Masken (12, 13) zugeordnet sind.
Eine Batterie mit zumindest zwei Batteriezellen (10) und einer Vorrichtung zur Batteriesteuerung, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgelegt ist.
Die Batterie nach Anspruch 7, wobei die Batterie ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batterie gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8.