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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ladungsausgleich bei der Fertigung und/oder Reparatur eines Batteriesystems mit mehreren Schritten, wie beispielsweise Registrieren aller in elektrischer Parallelschaltung zu verbindenden Batteriezellen, Messen der Leerlaufspannung jeder Batteriezelle oder Registrieren der Leerlaufspannung derart, dass jeder Batteriezelle genau deren Leerlaufspannung nach Betrag und Richtung zugeordnet wird.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (zum Beispiel bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Batteriesysteme sind aus Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodulen aufgebaut, welche im Batteriesystem elektrisch verbunden werden. Die Zellen werden dabei in Serie und gegebenenfalls zusätzlich parallel verschaltet. Bei einer Parallelschaltung unterscheidet man eine Parallelschaltung von Zellsträngen, welche aus mehreren in Serie geschalteten Einzelzellen bestehen (Parallelschaltung erfolgt dann zum Beispiel auf Modulebene oder auf Ebene der gesamten Batterie) und eine direkte Parallelschaltung von Einzelzellen.
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Bei Lithium-Ionen-Batterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge ist derzeit Stand der Technik, dass entweder reine Serienschaltungen von Batteriezellen oder – falls die Kapazität der Zellen für den geforderten Energieinhalt bei einer gleichzeitig vorgegebenen Maximalspannung der Batterie nicht ausreicht – zusätzlich eine Parallelschaltung auf Zellebene eingesetzt wird. Die Parallelschaltung erfolgt dabei „hart“, das heißt, die Zellen werden möglichst niederohmig miteinander verbunden. Die elektrische Verbindung der Zellen wird, nachdem die Zellen zum Beispiel in einem Batteriemodul mechanisch fixiert worden sind, durch Auflegen eines metallischen Zellverbinders und durch anschließendes Verschrauben oder Verschweißen hergestellt. In 1 ist als Beispiel die serielle Verschaltung von 3 mal einer parallel geschalteten Konfiguration von jeweils 2 Zellen zu einer sogenannten 3s2p (3 in Serie, 2 parallel) Konfiguration gemäß dem Stand der Technik gezeigt.
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Bei der Fertigung und bei der Reparatur von Anordnungen, die eine Parallelschaltung von Zellen enthalten, tritt folgendes Problem auf: Weisen die Zellen unterschiedliche Ladezustände auf, fließen bei Auflegen der Zellverbinder sehr hohe Ausgleichsströme (dies betrifft in gleicher Weise Schraub- und Schweißverbindungen). Ursache hierfür ist, dass sich unterschiedliche Urspannungen der Batteriezellen über deren sehr niedrige Innenwiderstände entladen. Zur Verdeutlichung sei ein Beispiel für Lithium-Ionen-Batteriezellen aufgeführt, wie sie derzeit bei SB LiMotive zur Serie entwickelt werden: Eine 60 Ampere-Stunden Zelle weist im Bereich mittlerer Ladezustände bei Raumtemperatur für kurzzeitige Pulsbelastungen Innenwiderstände im Bereich von 300 Mikro-Ohm auf. Weisen die Zellen bei einer Reparatur der Batterie eine Differenz im Ladezustand von 20 % auf, so führt dies zu Unterschieden in der Spannung im Bereich von bis zu 400 Milli-Volt. Werden die Zellverbinder zur Herstellung der Parallelverbindung aufgesetzt, ergeben sich Ausgleichsströme im Bereich von 670 Ampere. Dies kann unter anderem zur Funkenbildung an den Terminals führen, was im Fertigungsablauf beziehungsweise bei der Reparatur eines Batteriesystems unerwünscht ist und aus Sicherheitsgründen oft nicht zulässig ist.
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Stand der Technik bei der Fertigung von Batteriemodulen ist, dass bei den Zellen vor der Einbringung in den Fertigungsprozess mit einer separaten Einrichtung ein Ladungsausgleich vorgenommen wird. Dieser erfolgt über die Kontaktierung von ohmschen Widerständen und zwar in genau der Paarung, in der die Zellen später parallel verbaut werden. Die Widerstände werden so groß gewählt, dass keine Funken bei der Kontaktierung auftreten. Dadurch ist das Widerstandsniveau so hoch, dass der Ausgleichsvorgang lange dauert. Dies ist für eine Serienproduktion mit hohen Stückzahlen nicht zielführend. Zudem müssen die Zellen nach dem Ladungsausgleich gepaart in den Produktionsprozess der Batteriemodule beziehungsweise Batteriesysteme eingebracht werden. Dies ist mit dem Risiko der falschen Paarung und mit Zusatzaufwand verbunden. Bei der Reparatur eines Batteriesystems ist die Situation oft noch komplizierter.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ladungsausgleich bei der Fertigung und/oder Reparatur eines Batteriesystems zur Verfügung gestellt mit den Schritten: Registrieren aller in elektrischer Parallelschaltung zu verbindenden Batteriezellen; Messen der Leerlaufspannung jeder Batteriezelle; Registrieren der Leerlaufspannung derart, dass jeder Batteriezelle genau deren Leerlaufspannung nach Betrag und Richtung zugeordnet wird; Auswertung der registrierten Daten derart, dass jene Batteriezellen identifiziert werden, welche bezüglich der Leerlaufspannung eine falsche Polung oder einen falschen Betrag aufweisen; elektrische Parallelschaltung von einem Paar Batteriezellen in einer Kirchhoffschen Masche; Messen des Ausgleichsstroms in der Masche; und Regeln des Ausgleichsstroms in der Masche, wobei der Ausgleichsstrom auf einen vorgegebenen ersten Betrag größer Null begrenzt und bei Unterschreiten eines vorgegebenen zweiten Betrages größer Null abgeschaltet wird.
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Ein Batteriesystem im Sinne dieser Offenbarung ist beispielsweise eine elektrische Zusammenschaltung einzelner Batteriezellen, vorzugsweise Lithium-Ionen-Batterien, sowie deren kompakte Anordnung (mechanische Fixierung) mittels mechanischer Verbindung und anschließender elektrischer Kontaktierung (beispielsweise durch Schraub- oder Schweißverbindung) zwecks Messungen, Ladungsausgleich und elektrischer Parallelschaltung. Batteriezellen sind insbesondere wiederholt aufladbare Akkumulatoren, welche auch unter der Bezeichnung Sekundärbatterien bekannt sind.
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Unter „Registrieren aller in elektrischer Parallelschaltung zu verbindenden Batteriezellen“ ist im Rahmen eines beispielsweise Modulfertigungsprozesses zu verstehen, dass jeder für eine elektrische Parallelschaltung vorgesehene Batteriezelle ein-eindeutig ein Symbol zugeordnet wird, beispielsweise eine Nummer oder eine Adresse. So dass einerseits von einem Symbol auf genau eine Batteriezelle geschlossen werden kann und andererseits von jeder für eine Parallelschaltung vorgesehenen Batteriezelle auf genau ein Symbol geschlossen werden kann. Das Symbol kann beispielsweise in einer elektronischen (oder in Papierform) Stapelliste vermerkt sein, wo bevorzugterweise die Reihenfolge der gestapelten Batteriezellen identisch ist mit der Reihenfolge des Eintragens in die Liste. Aber auch das vorzugsweise lösbare Anbringen des Symbols an der jeweiligen Batteriezelle selbst ist denkbar, als beispielsweise zwei- oder dreidimensionaler Code oder als elektromagnetisches Resonanzelement, wie beispielsweise ein RFID-Chip.
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Das Messen der Leerlaufspannung jeder Batteriezelle nach Betrag und Richtung soll zum einen eine falsche Polung ausschließen und zum anderen Batterien mit zu großem Spannungsverlust, und somit Verdacht auf Fehlerhaftigkeit, identifizieren und außerdem zur Bestimmung der Zeitdauer des Anliegens eines Ausgleichsstroms verwendet werden. Die Leerlaufspannung nach vorzugsweise auch Betrag und Richtung wird derart gespeichert, dass diese in Zusammenhang gebracht werden kann mit dem Symbol. Dadurch lässt sich beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die Batterien kontaktiert wurden zwecks bevorstehenden Ladungsausgleichs, das Ergebnis der Messung abrufen und für die Regelung des Ausgleichsstroms verwenden.
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Die Parallelschaltung zweier Batteriezellen, Pluspol zu Pluspol und Minuspol zu Minuspol, erzeugt eine Kirchhoffsche Masche, in welcher an jeder Stelle der Betrag des Ausgleichsstroms gleich groß ist.
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Die Messung des Ausgleichsstroms erfolgt entweder in der Masche mittels Erfassen des Spannungsabfalls über einem elektrischen Widerstand in der Masche oder mittels eines externen Sensors, welcher über geeignete physikalische Parameter mit der Masche indirekt verbunden ist, beispielsweise ein Hall-Element zur Erfassung des magnetischen Feldes.
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Der durch Messen und Registrieren erlangte Vorteil erstreckt sich beispielsweise auf eine vergrößerte Revisionssicherheit im Sinne von dokumentierter und jederzeit nachvollziehbarer Produktionsqualität, wodurch auch ein systematisches Erkennen und Auswerten von Fehlern möglich wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren größere Abweichungen bei den Ladezuständen der parallel zu schaltenden Zellen beherrscht werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Falle, dass die Leerlaufspannung eine falsche Polung oder einen falschen Betrag aufweist, ein akustisches oder optisches Warnsignal ausgegeben. Dies kann beispielsweise direkt nach Messung und Auswertung der Leerlaufspannung erfolgen oder zu einem späteren Zeitpunkt oder an einem anderen Ort, um beispielsweise die entsprechende Zelle von einem Laufband abzugreifen und auszusortieren. Vorteil dadurch ist die Verbesserung der Qualität, weil ein vom Menschen leicht zu erfassendes Signal mit größerer Sicherheit wahrgenommen werden kann und somit das gegebenenfalls beabsichtige Eingreifen des Menschen in den Prozess mit größerer Wahrscheinlichkeit stattfindet. Somit kann die Verpolung einer parallel zu schaltenden Zelle, die zum Beispiel bei unsachgemäßer Durchführung einer Reparatur auftreten kann, besser beherrscht werden.
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Bevorzugt ist ebenfalls, Fertigungsdaten der Batteriezelle zu verwenden und einen Abgleich der damaligen Leerlaufspannung zum Zeitpunkt der letzten Aufladung (bei der Fertigung) mit der jüngst (im Rahmen der Vorbereitung des Ausgleichsstroms) gemessenen Leerlaufspannung durchzuführen, um somit jene Batteriezellen zu identifizieren, bei welchen die Selbstentladung einen vorgegebenen Betrag überschreitet.
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Insbesondere im Bereich der automatisierten und mehrstufigen Fertigungsschritte an möglicherweise außerdem verschiedenen Orten ist dies vorteilhaft, um rechtzeitig fehlerbehaftete Zellen aussortieren und den Fertigungsprozess systematisch verbessern zu können. Vorteilhaft ist es infolge erfindungsgemäßer Speicherung der Daten auch, eine Verwechslung der Zellen nach dem Ladungsausgleich bis zur Fertigstellung der Parallelschaltung auszuschließen.
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Auch ist es denkbar, dass die Selbstentladung bestimmt wird aus einem Quotienten aus der Differenz der Leerlaufspannungen der Batteriezelle von zwei Zeitpunkten, und einem Zeitbereich, der durch beide Zeitpunkte gebildet wird. Die Selbstentladung einer Batteriezelle kann als elektrische Potentialdifferenz, deren Betrag über einen Zeitbereich abfällt, verstanden werden. Der Quotient wird derart gebildet, dass im Zähler eines Bruchs eine elektrische Spannung, und im Nenner des Bruchs eine Zeit steht, wobei die Spannung die Potentialdifferenz ausdrückt und die Zeit einem Zeitbereich zwischen zwei Zeitpunkten entspricht. Dabei ist ein Zeitpunkt beispielsweise die Zeit, zu welcher die Batteriezelle im Rahmen der Herstellung geladen wurde und zeitnah deren Leerlaufspannung erfasst wurde, und der andere Zeitpunkt beispielsweise jene Zeit, zu welcher die Leerlaufspannung der Batteriezelle im Rahmen des Ausgleichsstrom-Verfahrens gemessen wird.
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Bevorzugt ist ebenfalls eine Variante, in welcher der Ausgleichsstrom mittels eines Stromsensors erfasst wird, und zwar insbesondere durch das Abgreifen einer Abfallspannung über einem ohmschen Widerstand in der Masche. Vorteil ist die einfache und preisgünstige Möglichkeit der unmittelbaren Erfassung des Ausgleichsstroms.
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In einer ebenfalls bevorzugten Variante enthält die Regelung des Ausgleichsstroms einen elektronisch gesteuerten Widerstand. Vorteilhaft hierbei ist eine Kontaktierung frei von Funken oder Lichtbogen, als auch ein beliebig gestaltbarer Verlauf des Ausgleichsstroms.
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Eine weitere bevorzugte Variante ergibt sich dadurch, dass der Abbruch des Ladungsausgleichs durch hochohmig Schalten des elektronisch gesteuerten Widerstandes erfolgt.
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Auch hierbei entsteht der Vorteil einer von Funken oder Lichtbogen befreiten Strom-Trennung.
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Ebenfalls ist es denkbar, dass der elektronisch gesteuerte Widerstand durch eine Antiserienschaltung mit zwei MOSFETs gebildet wird.
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Die Ansteuerung eines jeden Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors erfolgt über eine Steuerspannung (Gate-Source-Spannung) beziehungsweise ein Steuerpotential (Gate-Potential), wodurch der Stromfluss von Drain nach Source gesteuert wird. Vorteilhaft dabei ist die preiswerte Herstellung und hohe Strom/Leistungsfähigkeit. Unter Antiserienschaltung versteht diese Offenbarung die elektrische Serienschaltung zweier beispielsweise gleichartig p- und n-geschichteter Transistoren derart, dass diese bezüglich des Hauptstrompfades in Reihe geschaltet sind und außerdem durch jeweils jenen Kontakt verbunden sind, welcher für beide Transistoren einen gleichartigen Anschlusspol charakterisiert, beispielsweise entweder Drain oder Source.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Batterie aus parallel und seriell geschalteten Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine Batterie aus parallel und seriell geschalteten Batteriezellen mit erfindungsgemäßer Ausgleichsstromregelung und Ausgleichsstrommessung,
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3 zwei parallel geschaltete Batteriezellen in einer Ausgleichsstrom führenden Masche mit Regelung und Messung des Ausgleichsstroms,
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4 zwei in einer Zeitachse übereinander angeordnete Diagramme, zeitlicher Verlauf der Spannung der Batteriezellen und zeitlicher Verlauf des Ausgleichsstroms, und
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5 eine Antiserienschaltung mit zwei MOSFETs.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist in schematischer Darstellung die Sicht von oben auf ein stehendes Batteriemodul nach dem Stand der Technik gezeigt, wobei die 6 Batteriezellen bereits mechanisch fixiert und in der Fertigung im Muster 3s2p (3 in Serie, 2 parallel) elektrisch verbunden sind. Die elektrische und mechanische Verbindung 100 verbindet entweder nur zwei Minus-Pole oder nur zwei Plus-Pole zweier Batteriezellen und dient daher nur der elektrischen Parallelschaltung des entsprechenden Pols. Die elektrische und mechanische Verbindung 110 verbindet sowohl zwei Minus-Pole als auch zwei Plus-Pole zweier Batteriezellen, also insgesamt 4 Pole, da die Verbindung 110 sowohl eine Parallelschaltung als auch eine Reihenschaltung bedient.
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Die 2 zeigt in schematischer Darstellung ebenfalls eine Sicht von oben auf ein stehendes Batteriemodul mit erfindungsgemäßer Beschaltung. Dabei ist ein Pluspol einer ersten Batteriezelle 240 verbunden mit einem Pluspol einer zweiten Batteriezelle 250. Die Verbindung führt dabei über eine Ausgleichsstromregelung 200. Verbunden sind auch die Minuspole der Batteriezellen 240 und 250, so dass die beiden Batteriezellen elektrisch parallel geschaltet sind. Die Verbindung der Minuspole führt über einen Stromsensor 210, welcher in diesem Ausführungsbeispiel ein Verbindungselement ist, an welchem ein magnetisch empfindliches Hall-Element lösbar befestigt wurde. Die Parallelschaltung einer dritten Batteriezelle 260 mit einer vierten ist mit einem weiteren Stromsensor 220 sowie einer weiteren Ausgleichsstromregelung versehen. Auch die Parallelschaltung einer fünften mit einer sechsten Batteriezelle ist wiederum mit einem Stromsensor 230 und ebenfalls einer weiteren Ausgleichsstromregelung ausgestattet.
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3 stellt eine Kirchhoffsche Masche dar, welche eine erste Batteriezelle 310 mit einer zweiten Batteriezelle 320 in Parallelschaltung verbindet und mittels eines Stromsensors 340 einen mittels Regelung 300 geregelten Ausgleichsstrom 330 mit entsprechender Stromrichtung detektiert.
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4 zeigt innerhalb einer Zeitachse übereinander angeordnet zwei Diagramme: Das obere Diagramm zeigt einen Spannungs-Zeit-Verlauf einer ersten Ausgleichsspannung 410 einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Ausgleichsspannung 420 einer zweiten, parallel zur ersten, gemäß 3 geschalteten, Batteriezelle. Das untere Diagramm zeigt den korrespondierenden Ausgleichsstrom i, welcher zu Beginn des Ausgleichsvorgangs 450 (t = 0 s) den begrenzten Wert 440 einnimmt und ab einem Zeitpunkt t1 in einen fallenden Verlauf 430 übergeht, wobei ab t1 der Bereich der Strom-Begrenzung auf einen vorgegebenen Wert verlassen wird, während Zeitpunkt t2 dadurch entsteht, dass der Ausgleichsstrom unter einen vorgegebenen Betrag fällt und somit der Ausgleichsvorgang beendet wird und deshalb der Ausgleichsstrom i auf Null fällt. Zwischen Beginn und t1 verlaufen im oberen Diagramm die Spannungskurven 410, 420 linear, da während dieses Zeitabschnitts der Strom begrenzt ist.
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5 stellt einen ersten MOSFET 500 und einen zweiten MOSFET 530 dar, welche in Gegentaktschaltung miteinander verbunden sind, auch Anti-Serienschaltung genannt, und zum Schutz vor falsch gerichteten Strömen eine erste Diode 510 für den ersten MOSFET 500 und eine zweite Diode 520 für den zweiten MOSFET aufweisen.
