DE102014200205A1

DE102014200205A1 - Verfahren zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung und Batterie

Info

Publication number: DE102014200205A1
Application number: DE102014200205.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann; Philipp Hillenbrand
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2015-07-09
Also published as: WO2015104202A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung (25) aus einer elektrochemischen Zelle (1) an einem Zellenanschluss (2, 3), wobei die Zelle (1) mittels einer Verbindungseinrichtung (4, 5) zur Bereitstellung einer Zellspannung der Zelle (1) mit dem Zellenanschluss (2, 3) temporär verbindbar ist, wobei eine Steuereinrichtung (8) die Verbindungseinrichtung (4, 5) derart steuert, dass ein an dem Zellenanschluss (2, 3) anliegender Spannungsverlauf mit aufeinander folgenden Zeitabschnitten erzeugt wird, wobei in den Zeitabschnitten jeweils Nullspannung anliegt oder die Zellenspannung anliegt oder die Zellenspannung in den Zeitabschnitten zeitlich mindestens einem Tastverhältnis entsprechend anliegt oder/und die zeitliche Länge der Zeitabschnitte variiert wird, sodass an dem Zellenanschluss (2, 3) eine zeitlich gemittelte Spannung (25) einstellbar ist, die zwischen Nullspannung und der Zellenspannung liegt.

Description

Stand der Technik
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung aus einer elektrochemischen Zelle. Außerdem betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer elektrochemischen Zelle.
Im Stand der Technik ist es bekannt, mehrere elektrochemische Zellen innerhalb einer Batterie mit einem Batterieanschluss verbindbar zu gestalten. Der Batterieanschluss ist dazu vorgesehen, eine Schnittstelle zu extern angeschlossenen Einrichtungen bzw. Verbrauchern zu bilden. Durch Zu- und Abschalten von einzelnen Zellen kann die an dem Batterieanschluss ausgegebene elektrische Spannung der Batterie eingestellt werden. Insbesondere ist ein solches Vorgehen auch für eigensichere Batterien bekannt. Eine solche eigensichere Batterie umfasst wenigstens eine Batteriezelle, zwei Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren, die typischerweise in Halbbrückenanordnung mit Anschlüssen der Batteriezelle verschaltet sind, und einen Zellenüberwachungsschaltkreis mit einer integrierten Steuereinrichtung, mit der die Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere als Halbleiterschalter, angesteuert werden können. Mittels der Leistungshalbleiterbauelemente können einzelne Zellen von dem Batterieanschluss getrennt oder damit verbunden werden, um deren Spannung von dem Batterieanschluss zu nehmen oder sie zusätzlich aufzuschalten bzw. Stromfluss aus der Zelle zu unterbinden oder zuzulassen. In einem normalen Stromabgabe- oder Ladungsbetrieb der Zelle wird ein Zweig der Halbbrücke durchgeschaltet, mit dem die Zellenspannung der Batterieausgangsspannung hinzugefügt werden kann. Alternativ dazu kann dieser Zweig der Halbbrücke ausgeschaltet und der andere Zweig der Halbbrücke eingeschaltet werden, um die Anschlüsse der Batteriezelle miteinander kurzzuschließen, ohne dabei die Zelle selbst kurzzuschließen. Auf diese Weise wird die Zellenspannung bei einer Reihenschaltung von mehreren Zellen aus der Reihe herausgeschaltet, so dass sie am Batterieanschluss nicht wirksam ist. Wenn die Zelle in einen unzulässigen Zustand eintritt, zum Beispiel eine Maximal- oder Minimalspannung oder eine Maximal- oder Minimaltemperatur über- bzw. unterschreitet, kann die Sicherheit der Batterie gefährdet sein. Der Zweig der Halbbrücke, der die Zelle mit dem Batterieanschluss verbindet, wird dann ausgeschaltet, wonach der Zweig der Halbbrücke, der die Anschlüsse der Zelle kurzschließt, eingeschaltet wird. Eine solche Batterie hat eine erhöhte Eigensicherheit. Es ist außerdem bekannt, eine Vollbrückenanordnung mit vier Leistungshalbleiterschaltern zu verwenden, was zusätzlich eine Umkehr der Spannungsrichtung der Zellenspannung in Bezug auf die Batteriespannung an den Batterieanschluss erlaubt.
Um eine vorgegebene Sollspannung als Ausgangsspannung der Batterie zu erreichen, ermöglicht die Steuereinrichtung, eine oder mehrere Batteriezellen mit einer vorgebbaren Wahrscheinlichkeit in Reihe oder parallel zu schalten. Ein vorgebbarer Wahrscheinlichkeitswert wird dazu mit Zufallszahlen verglichen, wobei von dem Ergebnis des Vergleichs abhängt, ob eine Zelle zugeschaltet wird oder nicht. Da dieser Vorgang für alle Zellen gleich ist, werden diese gleichmäßig genutzt. Es ergibt sich die Möglichkeit, als Batterieausgangsspannung alle Stufen zu erhalten, die durch das Zuschalten von einzelnen Zellen möglich sind. Insbesondere, wenn nur wenige Zellen vorhanden sind, kann dies eine relativ grobe Stufung sein. Selbst bei einer Batterie mit vielen Zellen ist es in manchen Anwendungen wünschenswert, eine noch feinere Stufung zur Verfügung zu haben.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem eine einstellbare elektrische Spannung an einem Zellenanschluss einer elektrochemischen Zelle bereitgestellt werden kann. Bei diesem Verfahren ist die Zelle mittels einer Verbindungseinrichtung mit dem Zellenanschluss verbindbar oder davon trennbar. Auf diese Weise kann die Zellenspannung zum Beispiel an einem Batterieanschluss und insbesondere zur Überlagerung mit der Zellenspannung weiterer Zellen bereitgestellt werden, oder diese Bereitstellung kann unterbleiben. Die Verbindungseinrichtung, die vorzugsweise Halbleiterschalter als Hauptfunktionselemente umfasst, wird von einer Steuereinrichtung erfindungsgemäß so gesteuert, dass eine mittlere, an dem Zellenanschluss anliegende Spannung variiert werden kann. Dies wird ermöglicht, indem ein Spannungsverlauf an dem Zellenanschluss derart gesteuert wird, dass in aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten jeweils entweder keine Spannung aus der Zelle zur Verfügung gestellt wird, oder die volle Spannung aus der Zelle zur Verfügung gestellt wird oder die Zellenspannung innerhalb eines Zeitabschnitts gemäß einem Tastverhältnis zeitweise anliegt und zeitweise nicht anliegt. Auf diese Weise wird die aus der elektrochemischen Zelle an den Zellenanschluss ausgegebene zeitlich gemittelte Spannung auf Werte einstellbar, die zwischen Nullspannung und der Zellenspannung liegen. Nullspannung bedeutet in dieser Patentanmeldung, dass keine Spannung an dem Zellenanschluss anliegt. Im Gegensatz dazu kann nach dem Stand der Technik ausschließlich die Zellenspannung oder Nullspannung für die Batterie zur Verfügung gestellt werden. Die Einstellbarkeit wird durch die Hinzunahme der zeitlichen Dimension für die Variation der Ausgangsspannung ermöglicht. Dabei werden Zeitabschnitte verwendet, die kürzer sind als ein Zeitraum, in dem die Spannung an dem Zellenanschluss konstant sein muss. Ein solcher relevanter Zeitraum ist typischerweise ein Zeitraum, der durch eine nachgeschaltete Glättungseinrichtung oder durch Drosseleigenschaften eines versorgten Verbrauchers vorgegeben sein kann. Die Glättungseinrichtung oder der Verbraucher müssen dazu nicht unmittelbar an den Zellenanschluss angeschlossen sein, sondern können auch an den Batterieanschluss der Batterie angeschlossen sein, der die Zelle umfasst.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass an einer Zelle in Abhängigkeit der Anzahl der Zeitabschnitte und der Feinheit eines möglichen Tastverhältnisses an einer Zelle u.U. sehr feine einstellbare Ausgangsspannungswerte möglich sind. Vorzugsweise sind die Zeitabschnitte gleich lang. Vorzugsweise folgen die Zeitabschnitte unmittelbar aufeinander. Wenn der Spannungsverlauf ausschließlich aus mit der Steuereinrichtung durch die Verbindungseinrichtung gesteuerten Zeitabschnitten besteht, ist eine vollständige Steuerung der mittleren Zellenspannung an dem Zellenanschluss möglich.
Durch die Möglichkeit, den Zellenausgang von der elektrochemischen Zelle zu trennen, liegt eine eigensichere Zelle vor. Durch die Möglichkeit, außerdem den Spannungsvorgabewert zu 0 zu setzen, ergibt sich eine zusätzliche Möglichkeit, die Zelle abzuschalten.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Zeitabschnitte nacheinander durch Ansteuerung der Verbindungseinrichtung innerhalb einer Zykluszeit verwirklicht. Nach einem solchen Zyklus wird gemäß dieser Ausführungsform ein weiterer Zyklus mit den Zeitabschnitten durchgeführt. Vorzugsweise ist einem Zyklus eine vorgegebene mittlere Spannung zugeordnet. Eine Regelung, die die gemittelte Spannung regelt, kann beispielsweise nach einem Zyklus jeweils erneut einen Wert für die auszugebende gemittelte Spannung vorgeben. Die Abfolge der Zeitabschnitte ist in vielen Fällen vertauschbar, ohne die zeitlich gemittelte Ausgangsspannung der Zelle zu verändern.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens sind die Tastverhältnisse in den Zeitabschnitten voneinander verschieden. In einer Variante sind die Tastverhältnisse in aufeinanderfolgenden Zyklen gleich, bis zum Beispiel ein neuer Wert für die auszugebende gemittelte Spannung vorgegeben wird. Dabei kommt es nicht darauf an, welcher Zeitabschnitt welche zeitliche Position in einem Spannungsverlauf einnimmt. Jeder der Zeitabschnitte kann als eine virtuelle Sub-Zelle betrachtet werden, wobei sich die reale Batteriezelle insgesamt aus so vielen virtuellen Sub-Zellen zusammensetzt, wie Zeitabschnitte in dem Spannungsverlauf vorhanden sind. Durch die verschiedenen Tastverhältnisse weisen die verschiedenen virtuellen Sub-Zellen ihnen zuordenbare verschieden große virtuelle Teilspannungen der an dem Zellenanschluss anliegenden mittleren Gesamtspannung der Zelle auf. Es gilt für zyklisch wiederholte Zeitabschnitte:
wobei V_gesamt die zeitlich gemittelte Ausgangsspannung der Zelle, n die Anzahl der Zeitabschnitte und V_virtuell die virtuelle Teilspannung repräsentiert, die sich aus der Länge des Zeitabschnitts in Bezug auf die zeitliche Länge des Zyklus und einen Tastverhältnis, das innerhalb des Zeitabschnitts vorliegt, ergibt. In einer Variante sind so viele verschiedene Tastverhältnisse wie die Anzahl von Zeitabschnitten, insbesondere in einem Zyklus, vorhanden. Denkbar ist auch, jedem Zeitabschnitt eine andere Länge als den anderen Zeitabschnitten zu geben. Auf diese Weise hat jeder Zeitabschnitt ein anderes Gewicht in dem Spannungsverlauf an dem Zellenanschluss. Insbesondere, wenn nur die Tastverhältnisse 0 und 1 in den Zeitabschnitten verwendet werden, das heißt in dem gesamten Zeitabschnitt die Zellenspannung oder Nullspannung an dem Zellenanschluss angelegt wird, kann mit der Länge der Zeitabschnitte die zeitlich gemittelte Ausgangsspannung der Zelle eingestellt werden. Dabei kann zum Beispiel abwechselnd das Tastverhältnis 0 und 1 verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird für jeden Zeitabschnitt eine Zufallszahl erzeugt, die jeweils mit einem Spannungsvorgabewert verglichen wird. Bei diesem Vergleich wird entschieden, ob der Spannungsvorgabewert als größer oder kleiner als die Zufallszahl betrachtet wird, und entsprechend festgelegt, ob in dem Zeitabschnitt die Zellenspannung an dem Zellenausgang angelegt wird oder nicht. Es kann alternativ festgelegt werden, ob beim Anlegen der Zellenspannung ein Tastverhältnis innerhalb des Zeitabschnitts angewendet wird oder nicht, und wenn dies der Fall ist, das Tastverhältnis festgelegt werden. In noch einer Variante kann die Länge des Zeitabschnitts festgelegt werden. Durch die genannten Maßnahmen kann erreicht werden, dass je nach der Größe des Spannungsvorgabewerts eine höhere oder niedrigere mittlere Spannung an dem Zellenanschluss angelegt ist. Kurzfristige Abweichungen durch die statistische Natur dieses Vorgangs werden durch die Vielzahl der Zeitabschnitte ausgemittelt. Der Spannungsvorgabewert ist vorzugsweise für alle virtuellen Zellen bzw. Zeitabschnitte gleich, und in diesem Fall ein einziger Spannungsvorgabewert für die reale Zelle. Eine Steuereinrichtung, die die Spannung der realen Zelle verwaltet, kann somit durch Vorgabe eines einzigen Spannungsvorgabewerts festlegen, welche Ausgangsspannung die Zelle liefern soll. Der Spannungsvorgabewert bewirkt, dass je nach seiner Größe ein größerer oder kleinerer Zeitanteil der Zeit, in der alle Zeitabschnitte liegen, beispielsweise eines Zyklus, die Zellenspannung an den Zellenausgang angelegt ist bzw. nicht angelegt ist. Der Zeitanteil ist vorzugsweise entsprechend der Vielzahl der Zeitabschnitte real in viele kurze Teile des Zeitanteils, die jeweils in verschiedenen Zeitabschnitten liegen, unterteilt. Wenn das Anlegen und Abschalten der Zellenspannung schneller von statten geht, als der Zeitraum, über den eine konstante Spannung gebraucht wird, oder die Ausgangsspannung aus der Zelle geglättet wird, ist die durch die Zeitabschnitte dynamische Ausgangsspannung zur Versorgung von Verbrauchern oder zur Überlagerung mit anderen Zellenspannungen gut geeignet. Wenn durch den Vergleich des Spannungsvorgabewerts mit der Zufallszahl festgelegt wird, ob die Zellenspannung überhaupt an den Zellenausgang angelegt wird, oder nicht, kann in einer Variante ein Tastverhältnis vordefiniert sein, das in dem betreffenden Zeitabschnitt angewendet wird. Dieses kann insbesondere 1 oder 0 sein, was eine dauerhafte Aufschaltung der Zellenspannung auf den Zellenausgang oder ein Abtrennen der Zellenspannung von dem Zellenausgang bedeutet. Wird dies angewendet, so kann die maximal und minimal mögliche Spannung, nämlich die volle Zellenspannung bzw. keine Spannung am Zellenausgang anliegen. Rechnerisch kann dann die zeitlich gemittelte Spannung am Zellenanschluss wie folgt dargestellt werden:
wobei V_gesamt die zeitlich gemittelte Ausgangsspannung der Zelle, V_Zelle die Zellenspannung, n die Anzahl der Zeitabschnitte und n_T die Information zu jedem Zeitabschnitt ist, ob der Vergleich des Spannungsvorgabewerts mit der Zufallszahl zu dem Zeitabschnitt ein positives oder negatives Ergebnis hat, und hat dem Ergebnis entsprechend einen Wert von 0 oder 1. Die Formel gilt für gleich lang Zeitabschnitte. Zu den genannten ähnliche Verfahren und offensichtliche Kombinationen der genannten Einflussmöglichkeiten auf die Spannung am Zellenausgang sind ebenfalls denkbar.
Als Zufallszahlen gelten hier auch Pseudo-Zufallszahlen. Als Ergebnis des Vergleichs der Zufallszahlen mit dem Spannungsvorgabewert können Digitalzahlen, insbesondere als eine Folge von Digitalzahlen oder als ein Digitalzahlenvektor, erzeugt werden. Aus den Tastverhältnissen, die für jede der virtuellen Zellen bzw. für jeden Zeitabschnitt gelten können, kann jeweils eine virtuelle Zellenspannung einer virtuellen Zelle hergeleitet werden. Die Summe dieser Zellenspannungen V₁, V₂...V_n ergibt die mittlere Zellenspannung am Zellenanschluss, wenn der Spannungsverlauf am Zellenanschluss ausschließlich die vorgenannten Zeitabschnitten umfasst. Da es sich bei der Festlegung der Spannungen der einzelnen virtuellen Zellen um einen stochastischen Prozess handelt, kann die tatsächlich an dem Zellenausgang anliegende mittlere Spannung von der Spannung abweichen, die mit dem Spannungsvorgabewert vorgegeben ist. Über einen längeren Zeitraum betrachtet nähert sich jedoch die mittlere Spannung am Zellenausgang dem durch den Spannungsvorgabewert vorgegebenen Spannungswert an.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird vorgeschlagen, wenigstens eine der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung auf mehrere Batteriezellen anzuwenden, die vorzugsweise in einer Batterie zusammengefasst sind. So ist es möglich, dass die einzelnen Batteriezellen Spannungen ausgeben, die zwischen Nullspannung und ihrer Zellenspannung liegen, so dass es nicht erforderlich ist, zur Ausgabe von Spannungen aus der Batterie, die zwischen Nullspannung und einer maximal möglichen Batteriespannung liegt, einzelne Zellen mit voller Spannung an den Batterieausgang anzulegen, während andere Batteriezellen nicht entladen werden. Auf diese Weise kann die Nutzung der einzelnen Zellen in der Batterie vergleichmäßigt werden. Außerdem ist durch die Vielzahl von virtuellen Zellen, insbesondere, wenn alle der Batteriezellen erfindungsgemäß angesteuert werden, eine sehr feine Stufung der Ausgangsspannung der Batterie möglich. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Vielzahl von gleichzeitig ablaufenden Zeitintervallen die Ausgangsspannung besser vergleichmäßigt wird als bei einer einzelnen Zelle.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird vorgeschlagen, die aus einer Zelle oder einer Batterie mit mehreren Zellen ausgegebene Spannung, die mit einem der vorstehend beschriebenen Verfahren an den Batterieanschluss bzw. den Zellenanschluss angelegt ist, einer Regelung zu unterwerfen. Aufgrund der statistischen Vorgehensweise beim Anlegen von Zellenspannungen an einen Ausgang kann es vorkommen, dass die ausgegebene Spannung von einer vorgegebenen Spannung abweicht. Daher kann es sinnvoll sein, die erwartungsgemäß ausgegebene Spannung zu ermitteln, was rein rechnerisch möglich ist. Der ermittelte Wert kann in einer Regelschleife zurückgeführt werden und der Spannungsvorgabewert entsprechend angepasst werden. Dazu ist beispielsweise eine P-Regelung oder eine PI-Regelung denkbar. Die Regelung kann auf eine Zelle oder auf eine ganze Batterie mit mehreren Zellen angewendet werden. Im letzteren Fall wird vorzugsweise allen Batteriezellen der gleiche Spannungsvorgabewert gegeben. Dann ist nur eine einzige Regelung erforderlich. Zusätzlich zu der rein rechnerischen Regelung ist es denkbar, auch real die ausgegebene Spannung einer Zelle oder einer ganzen Batterie zu messen und den Messwert als Istwert einer Regelung zuzuführen. Regelabweichungen können hierbei zum Beispiel durch eine Entladung der Zellen verursacht werden, deren Spannung im Entladebetrieb abfällt. Auch bei einer real rückgekoppelten Regelung kann eine P- oder PI-Regelung angewendet werden. Die Regeleinrichtung ist vorzugsweise ein Teil der Steuereinrichtung, mit der die Verbindungseinrichtung ansteuerbar ist.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, die wenigstens eine Verbindungseinrichtung und eine Steuereinrichtung aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eines der vorstehend beschriebenen Verfahren durchzuführen.
In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batterie vorgeschlagen, die wenigstens eine elektrochemische Zelle, wenigstens eine Verbindungseinrichtung, die wenigstens einer der elektrochemischen Zellen zugeordnet ist, und eine Steuereinrichtung umfasst, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eines der vorstehend beschriebenen Verfahren durchzuführen. Dadurch kann eine solche Batterie Spannungen zwischen Nullspannung und einer maximalen Batteriespannung mit einer sehr feinen Abstufung ausgeben. Durch kurze Schaltzeiten der Verbindungseinrichtung, etwa weniger als 3 ms, weniger als 1 ms oder weniger als 0,3 ms, können Zeitabschnitte sehr kurz gehalten werden, was schon im Bereich von einigen ms bis einen zig ms zu quasi-stabilen mittleren Ausgangsspannungen führen kann. Dies gilt auch für die anderen Aspekte der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Darstellung der Verschaltung einer elektrochemischen Zelle,
2 eine schematische Darstellung der Ansteuerung von virtuellen Zellen der realen Zelle,
3 eine schematische Darstellung einer Spannungsregelung der Zelle, und
4 ein Ablaufschema der Berechnung einer Ausgangsspannung der Zelle.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch eine Verschaltung der elektrochemischen Zelle 1 mit zwei Anschlüssen 2 und 3 eines Zellenanschlusses. Eine erste Elektrode der Zelle 1 ist über einen ersten Halbleiterschalter 4 in einem ersten Zweig einer Halbbrücke mit dem Ausgangsanschluss 2 verbindbar. Die zweite Elektrode der Zelle 1 ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss 3 verbunden, wobei in dieser Verbindung kein Halbleiterschalter vorgesehen ist. Über einen zweiten Halbleiterschalter 5, der zwischen dem Ausgangsanschluss 2 und dem Ausgangsanschluss 3 angeordnet ist, können die Ausgangsanschlüsse 2 und 3 kurzgeschlossen werden. Vorzugsweise sind die Halbleiterschalter 4 und 5 durch Schutzdioden 6 und 7 geschützt. Eine Steuereinrichtung 8 wird aus der Zelle 1 mit Strom versorgt. Die Steuereinrichtung 8 steuert über nicht dargestellte Ansteuerleitungen die Halbleiterschalter 4 und 5 an. Dabei wird vorzugsweise vermieden, die Halbleiterschalter 4 und 5 gleichzeitig durchzuschalten, da dies zu einem Kurzschluss der Zelle 1 führt. Von den Halbleiterschaltern 4 und 5 wird daher möglichst nur jeweils einer geöffnet. Wird der Halbleiterschalter 5 geöffnet, während der Halbleiterschalter 4 geschlossen ist, führt dies zur Verbindung der Ausgangsanschlüsse 2 und 3, während die Zelle 1 über den geöffneten Halbleiterschalter 4 von dem Ausgangsanschluss 2 getrennt ist. Weitere elektrochemische Zellen, die beispielsweise an den Ausgangsanschlüssen 2 und 3 angeschlossen sind, und die mit der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung in Reihe geschaltet sind, können somit in einen Betriebszustand gebracht werden, in dem die Zelle 1 keine Spannung zu einer gemeinsamen Ausgangsspannung der gesamten Reihenschaltung von mehreren Zellen beisteuert. Wird dagegen der Halbleiterschalter 5 geöffnet und der Halbleiterschalter 4 geschlossen, so liegt die Zelle 1 in Reihenschaltung zwischen den Ausgangsanschlüssen 2 und 3 und kann somit ihre Spannung in eine Reihenschaltung von mehreren Zellen einbringen. Die Halbleiterschalter sind vorzugsweise schnell schaltbare Schalter, so dass eine hohe Schaltfrequenz, vorzugsweise Bereich einiger 100 Hz bis in den kHz-Bereich, erreicht werden kann, um einen schnellen Wechsel zwischen dem Aufschalten der Spannung in eine Reihenschaltung von Zellen und dem Herausnehmen der Zelle 1 aus einer solchen Reihenschaltung realisiert werden kann.
2 zeigt schematisch eine Ansteuerung von virtuellen Zellen 10, 11, 12, ..., n die imaginär zusammen die elektrochemische Zelle 1 bilden. Es ist denkbar und wünschenswert, eine größere Anzahl als die gezeigten virtuellen Zellen vorzusehen. Die Betrachtungsweise als virtuelle Zellen wird dadurch möglich, dass jeder als solcher betrachtete oder zur Ansteuerung der Verbindungseinrichtung genutzte Zeitabschnitt, in dem die tatsächliche Zellenspannung der Zelle 1 über den Halbleiterschalter 4 an die Ausgangsanschlüsse 2 und 3 angelegt wird oder nicht oder als Tastverhältnis teilweise angelegt wird, jeweils einer virtuellen Zelle entspricht. Die Spannung der einzelnen virtuellen Zellen kann über ein Tastverhältnis eingestellt werden, dem die an die Ausgangsanschlüsse 2 und 3 angelegte Spannung während des Zeitintervalls folgt. Dabei ist die Zellenspannung entweder gar nicht, über einen gewissen Zeitraum, oder während der gesamten Zeit des Zeitabschnitts an die Ausgangsanschlüsse 2 und 3 angelegt. Wenn das Tastverhältnis in allen Zeitabschnitten gleich ist, ergibt sich im zeitlichen Mittel an den Zellenanschlüssen 2 und 3 eine Spannung, die dem Tastverhältnis entspricht. Die maximal mögliche Spannung, die eine virtuelle Zelle liefern kann, hängt mit der Länge von dem ihr zugeordneten Zeitabschnitt zusammen. Je länger dieser ist, desto höher ist die mögliche virtuelle Spannung U₁₀, U₁₁, U₁₂, bis U_n. Wird ein Tastverhältnis vorgegeben, so ist es auch denkbar, die Ausgangsspannung der realen Zelle 1 durch die Länge der Zeitabschnitte einzustellen, die jeder der virtuellen Zellen zugeordnet ist, insbesondere, wenn zugleich das Tastverhältnis in den Zeitabschnitten entweder 0 oder 1 ist, vorzugsweise abwechselnd. Es ist auch denkbar, eine Steuerung über das Tastverhältnis mit einer Steuerung der Länge der Zeitintervalle zu kombinieren. Dadurch wird eine noch feinere Auflösung der einstellbaren Ausgangsspannungen der realen Batteriezelle ermöglicht. Eine Möglichkeit, die virtuellen Spannungen U₁₀, U₁₁, U₁₂, bis U_n der einzelnen virtuellen Zellen 10, 11, 12, ..., n zu erzeugen, besteht im Ausgeben von einen Spannungsvorgabewert aus der Steuereinrichtung 8 über eine Verbindung 20 an die virtuellen Zellen 10, 11, 12, ..., n. Für jede der virtuellen Zellen 10, 11, 12, ..., n bzw. für jeden Zeitabschnitt wird eine Zufallszahl generiert, die mit dem Spannungsvorgabewert verglichen wird. Je nach dem Ergebnis des Vergleichs wird danach eine Spannung der virtuellen Zelle 10, 11, 12, ..., n eingestellt. Insbesondere kann dies digital geschehen, indem das Ergebnis des Vergleichs die Binärwerte 0 und 1 annehmen kann. Im Falle eines der beiden Ergebnisse kann die Spannung einer virtuellen Zelle auf einen Maximalwert, einen durch ein Tastverhältnis einstellbaren Zwischenwert, der fest vorgegeben sein kann, oder auf Trennen der Zelle von den Ausgangsanschlüssen 2, 3 während des Zeitabschnitts gesetzt werden. Durch eine Variation des Spannungsvorgabewerts können so mehr oder weniger der virtuellen Zellen 10, 11, 12, ..., n durch Verbindung mit den Zellenanschlüssen 2, und 3 aktiviert oder deaktiviert werden oder mittels des Tastverhältnisses eine höhere oder niedrigere virtuelle Spannung an diesen eingestellt werden. Da ein Vergleich mit Zufallszahlen oder Pseudo-Zufallszahlen stattfindet, ist dies ein stochastischer Vorgang, der nur im zeitlichen Mittel eine vorgegebene Spannung erzeugt. Dennoch kann dieser Erwartungswert als gemittelte ausgegebene Spannung der Zelle über den Spannungsvorgabewert zumindest näherungsweise eingestellt werden. Die Verbindung der Zelle 1 mit einer Last 9 verläuft über die Ausgangsanschlüsse 2 und 3, die Teil der in 2 dargestellten Verbindung sind. Die Steuereinrichtung 8 wird mit Spannung aus der Zelle 1 versorgt. Die Halbleiterschalter 4 und 5 sind in 2 nicht dargestellt; sie ermöglichen jedoch, die Last 9 mit der Zelle 1 zu verbinden oder sie davon zu trennen, wie schon in Bezug auf 1 ausgeführt wurde.
3 zeigt schematisch eine Regelung, die vorzugsweise mit Hilfe der Steuereinrichtung 8 realisiert wird. Es wird ein Sollwert 20 als Vorgabe für eine aus der Zelle auszugebende Spannung der Regelung als Signal oder Daten vorgegeben. Von einem Verzweigungspunkt 21 wird der Sollwert einem Summationspunkt 22 zugeführt. Außerdem wird der Sollwert 20 einem Verstärkungsglied 23 zugeführt, dessen proportional verstärktes Ergebnis einem zweiten Summationspunkt 24 zugeführt wird. Das Ergebnis der Summation an dem Summationspunkt 24 ist die Stellgröße 27, die als Spannungsvorgabewert P_on für die Ausgangsspannung 25 der Zelle 1 dient. Durch Vergleich mit Zufallszahlen, die für die einzelnen virtuellen Zellen erzeugt werden, wird, wie in Bezug auf 2 erläutert, eine Ansteuerung für die Halbleiterschalter 4 und 5 erzeugt, so dass sich eine Ausgangsspannung 25 ergibt. An diese ist eine Last 9 angeschlossen. Die Ausgangsspannung 25 wird zu dem Summationspunkt 22 zurückgekoppelt. Dort geht sie mit negativem Vorzeichen ein, so dass eine Gegenkopplung vorliegt. Das Ergebnis des Summationspunktes 22 wird in einem Gewichtungsglied 26 proportional verstärkt oder abschwächt, um die Größenordnung der Ausgangsspannung an die Größenordnung der Sollspannung 20 anzupassen. Im Zusammenspiel mit dem Verstärkungsglied 23 kann eine Regelkonstante eingestellt werden. Die dargestellte Regelung kann rein rechnerisch erfolgen, da der Steuereinrichtung bekannt sein kann, welche Zufallszahlen n → für die einzelnen virtuellen Zellen erzeugt worden sind, und welche Ausgangsspannung 25 theoretisch erzeugt worden sein müsste. Dies kann rechnerisch ermittelt werden. Somit kann auch die Rückkopplung dieses Rechenergebnisses der Ausgangsspannung 25 rein rechnerisch erfolgen, ebenso wie der Rest der Regelung. Die Regelung regelt dann Schwankungen auf Grund der statistischen Erzeugungsweise der Ausgangsspannung 25 aus. Alternativ kann die Regelung real aufgebaut werden, wobei die Spannung 25 gemessen werden kann. Vorzugsweise wird sie jedoch wieder in digitale Daten gewandelt, um diese mit einer digital vorgegebenen Sollspannung 20 zu verrechnen, was der Regelung entspricht. Weiter ist es denkbar, die Regelung einschließlich Messung analog durchzuführen.
4 zeigt in einem schematischen Ablauf eine Berechnung der Ausgangsspannung einer Batteriezelle U₂₀ als Ergebnis eines Vergleichs von Zufallszahlen mit einem Spannungsvorgabewert. Zunächst wird in das Verfahren der Spannungsvorgabewert P_on eingegeben. Weiter werden Zufallszahlen n₁, n₂, n₃ als Zufallszahlen n → erzeugt. In einem nächsten Schritt werden die Zufallszahlen mit dem Spannungsvorgabewert P_on verglichen, indem für jedes Element des Zufallszahlenvektors n → festgestellt wird, ob P_on kleiner oder größer ist. Als Ergebnis ergibt sich ein weiterer Vektor n →_T, der dieselbe Anzahl von Elementen, wie der Zufallszahlenvektor n → hat. Diese Anzahl entspricht auch der Anzahl der virtuellen Zellen bzw. der Anzahl der angewendeten Zeitabschnitte. Zur Berechnung der Ausgangsspannung werden die Elemente des Vektors mit digitalen Elementen n →_T aufsummiert, wodurch sich eine Zahl ergibt, die zwischen Null und der Anzahl der virtuellen Zellen n liegt. Diese Summe wird durch die Anzahl der virtuellen Zellen geteilt und mit einer Zellenspannung U₂₁ der Zelle multipliziert, um zu der über einen Zyklus, der alle Zeitabschnitte umfasst, erzeugten Ausgangsspannung der Zelle zu kommen. Die gezeigte Formel gilt für gleich lange Zeitabschnitte und für das Anlegen der Zellenspannung an die Zellenanschlüsse 2 und 3 während eines Zeitabschnitts, wenn der Vergleich zwischen P_onund der Zufallszahl des Zeitabschnitts eine 1 ergeben hat. Eine solche Spannung kann beispielsweise von einer rechnerischen Regelung, wie sie in Bezug auf 3 beschrieben wurde, verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung (25) aus einer elektrochemischen Zelle (1) an einem Zellenanschluss (2, 3), wobei die Zelle (1) mittels einer Verbindungseinrichtung (4, 5) zur Bereitstellung einer Zellspannung der Zelle (1) mit dem Zellenanschluss (2, 3) temporär verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (8) die Verbindungseinrichtung (4, 5) derart steuert, dass ein an dem Zellenanschluss (2, 3) anliegender Spannungsverlauf mit aufeinander folgenden Zeitabschnitten erzeugt wird, wobei in den Zeitabschnitten jeweils Nullspannung anliegt oder die Zellenspannung anliegt oder die Zellenspannung in den Zeitabschnitten zeitlich mindestens einem Tastverhältnis entsprechend anliegt oder/und die zeitliche Länge der Zeitabschnitte variiert wird, sodass an dem Zellenanschluss (2, 3) eine zeitlich gemittelte Spannung (25) einstellbar ist, die zwischen Nullspannung und der Zellenspannung liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach einer Bereitstellung von elektrischer Spannung (25) mittels einer Anzahl von Zeitintervallen innerhalb eines zeitlichen Zyklus’ ein weiterer zeitlicher Zyklus mit gleichen Zeitintervallen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem Tastverhältnisse für einzelne Zeitabschnitte innerhalb eines Zyklus voneinander verschieden sind, und insbesondere in einem weiteren Zyklus in gleicher Abfolge wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Tastverhältnis für alle Zeitabschnitte gleich ist und insbesondere dieses Tastverhältnis zum Einstellen der zeitlich gemittelten Spannung an dem Zellenanschluss variierbar ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem für jeden Zeitabschnitt eine Zufallszahl (n →) erzeugt wird, die mit einem Spannungsvorgabewert (P_on) verglichen wird, wobei nach Vorliegen eines Vergleichsergebnisses ( n →_T ) für einen Zeitabschnitt festgelegt ist, ob in dem Zeitabschnitt die Zellenspannung an den Zellenausgang (2, 3) angelegt wird oder nicht, und wenn dies der Fall ist, ob beim Anlegen der Zellenspannung das Tastverhältnis angewendet wird oder nicht, und insbesondere, wenn letzteres der Fall ist, das Tastverhältnis festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eines der Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche für wenigstens eine Zelle (1), vorzugsweise für alle Zellen (1), innerhalb einer mehrere Zellen (1) umfassenden Batterie angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Spannung (25) an einem Batterieanschluss oder einem Zellenanschluss (2, 3) als Regelgröße einer Regelung verwendet wird, wobei die Regelung eine Sollspannung (20) an dem Batterieanschluss oder dem Zellenanschluss vorgibt, und die Regelung als Stellgröße (27) den Spannungsvorgabewert (P_on) für eine oder mehrere Zellen (1) verwendet.
Elektrochemische Zelle (1) mit wenigstens einer Verbindungseinrichtung (4, 5) und einer Steuereinrichtung (8), wobei die Steuereinrichtung (8) zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Batterie mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle (1) nach Anspruch 8.