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DE102020003062A1 - Method for operating a battery system - Google Patents

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DE102020003062A1
DE102020003062A1 DE102020003062.9A DE102020003062A DE102020003062A1 DE 102020003062 A1 DE102020003062 A1 DE 102020003062A1 DE 102020003062 A DE102020003062 A DE 102020003062A DE 102020003062 A1 DE102020003062 A1 DE 102020003062A1
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DE
Germany
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cell
accumulator
battery
battery system
cells
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102020003062.9A
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German (de)
Inventor
Jan Buck
Matthias Reckermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Marquardt GmbH
Original Assignee
Marquardt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Marquardt GmbH filed Critical Marquardt GmbH
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Priority to PCT/EP2021/061291 priority patent/WO2021239383A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems, umfassend wenigstens zwei seriell und/oder parallel geschaltete Akkumulatorzellen, wobei die elektrischen Zellspannungen der Akkumulatorzellen gemessen werden. Bei Feststellung von unterschiedlichen Zellspannungen wird elektrischer Strom aus einer Akkumulatorzelle entnommen und/oder elektrischer Strom in eine Akkumulatorzelle eingebracht, derart dass ein Ausgleich der Zellspannungen der Akkumulatorzellen erzielt ist.The invention relates to a method for operating a battery system, comprising at least two battery cells connected in series and / or in parallel, the electrical cell voltages of the battery cells being measured. When different cell voltages are determined, electrical current is taken from a battery cell and / or electrical current is introduced into a battery cell, such that the cell voltages of the battery cells are balanced.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention is based on a method for operating a battery system according to the preamble of claim 1.

Ein solches Verfahren lässt sich insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batterie in einem Elektrofahrzeug, wie einem E-Automobil, einem E-Bike, einem E-Roller o. dgl., verwenden.Such a method can be used in particular for a lithium-ion battery in an electric vehicle, such as an e-automobile, an e-bike, an e-scooter or the like.

Ein derartiges Batteriesystem umfasst wenigstens zwei seriell und/oder parallel geschaltete Akkumulatorzellen. Beim Betrieb des Batteriesystems werden die elektrischen Zellspannungen der Akkumulatorzellen gemessen, beispielsweise um ein gleichmäßiges Entladen und/oder Aufladen der Akkumulatorzellen zu erzielen. Dabei begrenzt die schwächste Akkumulatorzelle die Kapazität und/oder Lebensdauer des Batteriesystems.Such a battery system comprises at least two serially and / or parallel-connected accumulator cells. During operation of the battery system, the electrical cell voltages of the accumulator cells are measured, for example in order to achieve uniform discharging and / or charging of the accumulator cells. The weakest battery cell limits the capacity and / or service life of the battery system.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kapazität und/oder Lebensdauer des Batteriesystems zu steigern.The invention is based on the object of increasing the capacity and / or service life of the battery system.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des Batteriesystems durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.In a method of the generic type for operating the battery system, this object is achieved by the characterizing features of claim 1.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Feststellung von unterschiedlichen Zellspannungen elektrischer Strom aus einer Akkumulatorzelle entnommen und/oder elektrischer Strom in eine Akkumulatorzelle eingebracht. Dies erfolgt derart, dass ein Ausgleich der Zellspannungen der Akkumulatorzellen erzielt wird. Anders als bisher wird nicht nur das Ent- und/oder Aufladen der Akkumulatorzellen durch die gemessenen Zellspannungen gesteuert sondern vielmehr aktiv Strom aus einer Zelle entnommen und/oder in eine Zelle eingespeist, um einen Ausgleich der Zellspannungen zu erzielen. In vorteilhafter Weise werden dadurch die Lebensdauer und/oder die Leistungsfähigkeit des Batteriesystems verbessert. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.In the method according to the invention, when different cell voltages are determined, electrical current is drawn from a battery cell and / or electrical current is introduced into a battery cell. This is done in such a way that the cell voltages of the accumulator cells are balanced. Unlike in the past, not only is the discharging and / or charging of the battery cells controlled by the measured cell voltages, but rather current is actively drawn from a cell and / or fed into a cell in order to balance the cell voltages. This advantageously improves the service life and / or the performance of the battery system. Further refinements of the invention are the subject of the subclaims.

In weiterer Ausgestaltung des Betriebsverfahrens kann die Akkumulatorzelle mit der höheren Zellspannung, und zwar insbesondere diejenige mit der höchsten Zellspannung, entladen werden. Und/oder es kann die Akkumulatorzelle mit der niedrigeren Zellspannung, insbesondere diejenige mit der niedrigsten Zellspannung, aufgeladen werden. Des Weiteren kann eine Zusatzzelle für das Batteriesystem vorgesehen sein, derart dass die Akkumulatorzelle mit der niedrigen Zellspannung von der Zusatzzelle aufgeladen wird. Mit Hilfe dieser Maßnahmen lässt sich eine weitere Steigerung der Lebensdauer des Batteriesystems erzielen.In a further embodiment of the operating method, the accumulator cell with the higher cell voltage, in particular the one with the highest cell voltage, can be discharged. And / or the battery cell with the lower cell voltage, in particular the one with the lowest cell voltage, can be charged. Furthermore, an additional cell can be provided for the battery system in such a way that the accumulator cell is charged with the low cell voltage from the additional cell. With the help of these measures, a further increase in the service life of the battery system can be achieved.

Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist nachfolgendes festzustellen.The following is to be stated for a particularly preferred embodiment of the invention.

Akkumulatoren werden durch das serielle und/oder parallele Kombinieren von Einzelzellen erstellt. In einem Akkusystem begrenzt die schlechteste Zelle im System die Gesamtleistung des Akkumulators. Das bedeutet, ist eine Zelle geschwächt, beispielsweise durch Alterung, Zelldefekte, Toleranzen o. dgl., so bestimmt diese geschwächte Zelle den Stromfluss und/oder die Kapazität des Akkumulators. Solche Zelldefekte können durch Verschmutzung während der Produktion, Alterungseffekte von Akkumulatoren, beispielsweise den Memoryeffekt, Lithiumplating, eine SEI-Schicht o. dgl. entstehen.Accumulators are created by combining individual cells in series and / or in parallel. In a battery system, the worst cell in the system limits the overall performance of the battery. This means that if a cell is weakened, for example due to aging, cell defects, tolerances or the like, this weakened cell determines the current flow and / or the capacity of the accumulator. Such cell defects can be caused by contamination during production, aging effects of accumulators, for example the memory effect, lithium plating, an SEI layer or the like.

Bei der SEI-Schicht (Solid-Electrolyte Interphase - Feststoff-Elektrolyte-Zwischenphase) handelt es sich um eine passive Grenzschicht, die sich in Lithium-Ionen-Akkus (Lilon) und Lithium-Titanat-Akkus an der Grenzfläche zwischen der Anode, die aus Kohlenstoff besteht, und dem Elektrolyt bildet, und die durch die Zersetzung des Elektrolyts entsteht. Durch die SEI-Schicht erhöht sich der Innenwiderstand des Akkus, was einen nachteiligen Einfluss auf den Akku ausübt.The SEI layer (Solid-Electrolyte Interphase) is a passive boundary layer that is found in lithium-ion batteries (Lilon) and lithium-titanate batteries at the interface between the anode, the consists of carbon, and forms the electrolyte, and which is created by the decomposition of the electrolyte. The SEI layer increases the internal resistance of the battery, which has a negative impact on the battery.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde

  • - ein aktives Einbringen eines Parallelstroms zur Zelle im Serienverbund mit Hilfe einer Zusatzzelle oder aus dem bestehenden Akkuverbund vorzusehen, und/oder
  • - ein Stützen einer oder mehrerer beschädigter Zellen mit Parallelstrom vorzusehen,
um somit ein Beibehalten der Leistungsfähigkeit des Gesamtakkumulators zu erzielen. Insbesondere wird somit eine Steigerung der Lebensdauer von Akkumulatoren und/oder Akku- bzw. Batteriesystemen erzielt.The invention is based on the idea
  • - to provide an active introduction of a parallel current to the cell in the series system with the help of an additional cell or from the existing battery system, and / or
  • - to provide support for one or more damaged cells with parallel current,
in order thus to maintain the performance of the overall accumulator. In particular, an increase in the service life of accumulators and / or accumulator or battery systems is achieved.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in Folgendem:

  • - Bei beschädigten Akkumulatorzellen kann das Batteriesystem weiter verwendet werden und muss nicht mit hohem Kosteneinsatz erneuert werden.
  • - Durch längere Nutzungsmöglichkeit von Batteriesystemen steigt die Umweltbilanz der Akkumulatorzellen, da diese länger und/oder effektiver verwendet werden können.
  • - Es wird eine Langzeitstabilität der zur Verfügung stehenden Energiemenge erreicht. Beispielsweise gewährleistet dies eine gleichbleibende Reichweite eines E-Fahrzeugs auch nach etlichen Kilometern.
  • - Die Leistungsfähigkeit des Batteriesystems wird aufrechterhalten. Beispielsweise gewährleistet dies ein gleichbleibendes Beschleunigungsvermögen von E-Fahrzeugen aufgrund des gleichbleibenden Innenwiderstands des Akkumulators.
  • - Es wird eine Erhöhung der Effizienz durch ein mögliches aktives Balancing erreicht. Dies ist eine weitere Eigenschaft des erfindungsgemäßen Batteriesystems aufgrund der Symmetrierung der Zellspannungen.
  • - Die Zufriedenheit der Benutzer wird durch verbesserte Eigenschaften des Batteriesystems gesteigert.
  • - Es wird eine Akzeptanzsteigerung von Elektrofahrzeugen durch Entfall des Reichweitenabhängigen Lebensdauer Risikos erzielt.
The advantages achieved with the invention consist in particular in the following:
  • - If the battery cells are damaged, the battery system can continue to be used and does not have to be renewed at high cost.
  • - As battery systems can be used for longer, the environmental balance of the accumulator cells increases, since they can be used longer and / or more effectively.
  • - Long-term stability of the amount of energy available is achieved. For example, this ensures a constant range of an e-vehicle even after several kilometers.
  • - The performance of the battery system is maintained. For example, this ensures a constant acceleration capacity of electric vehicles due to the constant internal resistance of the accumulator.
  • - An increase in efficiency is achieved through possible active balancing. This is a further property of the battery system according to the invention due to the balancing of the cell voltages.
  • - User satisfaction is increased through improved battery system properties.
  • - An increase in the acceptance of electric vehicles is achieved by eliminating the range-dependent service life risk.

Ausführungsbeispiele der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

  • 1 ein Batteriesystem in schematischer Ansicht,
  • 2 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus 1 gemäß einer ersten Ausführung,
  • 3 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus 1 gemäß einer zweiten Ausführung,
  • 4 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus 1 gemäß einer dritten Ausführung,
  • 5 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus 1 gemäß einer vierten Ausführung,
  • 6 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus 1 gemäß einer fünften Ausführung und
  • 7 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des Batteriesystems aus 1 gemäß einer sechsten Ausführung.
Embodiments of the invention with various developments and refinements are shown in the drawings and are described in more detail below. Show it
  • 1 a battery system in a schematic view,
  • 2 an electrical circuit for operating the battery system 1 according to a first embodiment,
  • 3 an electrical circuit for operating the battery system 1 according to a second embodiment,
  • 4th an electrical circuit for operating the battery system 1 according to a third embodiment,
  • 5 an electrical circuit for operating the battery system 1 according to a fourth embodiment,
  • 6th an electrical circuit for operating the battery system 1 according to a fifth embodiment and
  • 7th an electrical circuit for operating the battery system 1 according to a sixth embodiment.

In 1 ist ein Batteriesystem 1 mit einem Gehäuse 2 zu sehen, wobei das Batteriesystem 1 wenigstens zwei seriell und/oder parallel geschaltete Akkumulatorzellen 3 umfasst. Vorliegend ist eine Mehrzahl von Akkumulatorzellen 3 im Gehäuse 2 angeordnet. Im Gehäuse 2 befindet sich weiter eine Messvorrichtung 4, mit deren Hilfe die elektrischen Zellspannungen der Akkumulatorzellen 3 gemessen werden. Die Messvorrichtung 3 kann bei Bedarf weitere Messwerte, wie beispielsweise die Temperatur, der Akkuzellen ermitteln. Des Weiteren befindet sich im Gehäuse 2 eine Steuervorrichtung 5 zum Betrieb des Batteriesystems 1. Bei Feststellung von unterschiedlichen Zellspannungen der Akkumulatorzellen 3 durch die Messvorrichtung 4 bewirkt die Steuervorrichtung 5, dass elektrischer Strom 6 aus einer Akkumulatorzelle 3' entnommen und/oder elektrischer Strom 7 in eine Akkumulatorzelle 3" eingebracht wird, derart dass ein Ausgleich der Zellspannungen der Akkumulatorzellen 3, 3', 3" erzielt ist.In 1 is a battery system 1 with a housing 2 to see the battery system 1 at least two accumulator cells connected in series and / or in parallel 3 includes. In the present case there is a plurality of accumulator cells 3 in the housing 2 arranged. In the case 2 there is also a measuring device 4th , with the help of which the electrical cell voltages of the accumulator cells 3 be measured. The measuring device 3 can determine further measured values, such as the temperature, of the battery cells if necessary. Furthermore is located in the housing 2 a control device 5 to operate the battery system 1 . When different cell voltages of the accumulator cells are determined 3 through the measuring device 4th causes the control device 5 that electric current 6th from an accumulator cell 3 ' drawn and / or electrical power 7th in an accumulator cell 3 " is introduced in such a way that a compensation of the cell voltages of the accumulator cells 3 , 3 ' , 3 " is achieved.

Insbesondere betreibt die Steuervorrichtung 5 das Batteriesystem derart, dass die Akkumulatorzelle 3' mit der höheren und/oder mit der höchsten Zellspannung entladen wird. Hingegen wird die Akkumulatorzelle 3" mit der niedrigeren und/oder mit der niedrigsten Zellspannung aufgeladen. Des Weiteren kann auch eine Zusatzzelle 8 vorgesehen sein. In diesem Fall wird die Akkumulatorzelle 3" mit der niedrigen Zellspannung von der Zusatzzelle 8 aufgeladen, indem Strom 9 von derZusatzzelle 8 entnommen und in die Akkumulatorzelle 3" eingespeist wird.In particular, the control device operates 5 the battery system in such a way that the accumulator cell 3 ' is discharged with the higher and / or with the highest cell voltage. In contrast, the accumulator cell 3 " charged with the lower and / or with the lowest cell voltage. An additional cell can also be used 8th be provided. In this case, the accumulator cell 3 " with the low cell voltage from the additional cell 8th charged by electricity 9 removed from the additional cell 8 and into the accumulator cell 3 " is fed in.

Nachfolgend sollen noch mehrere Schaltungsanordnungen zur Realisierung des beschriebenen Verfahrens zum Betrieb des Batteriesystems 1 dargestellt und näher erläutert werden.A number of circuit arrangements for implementing the described method for operating the battery system are also intended below 1 are shown and explained in more detail.

In 2 ist eine Multiwinding-Schaltung ohne Zusatzzelle zum Entnehmen und/oder Einbringen von elektrischem Strom 6, 7 zu sehen. Die Multiwinding-Schaltung umfasst einen Multiwinding-Transformator 10 mit einer Sekundärwicklung und zellenanzahlabhängigen Primärwicklungen. Dieser Multiwinding-Transformator 10 ermöglicht das Umladen einer der Akkumulatorzellen im Stack. Da sich alle Windungen des Multiwinding-Transformators 10 denselben Transformatorkern teilen, ist eine Einsparung an Kernmaterial und somit Bauraum und/oder Gewicht möglich. Die Akkumulatorzelle 3' mit der höchsten Zellspannung wird aktiv auf die Sekundärseite und zwar parallel zum Stack umgeladen. Hierdurch wird eine Entladung der Akkumulatorzelle 3' mit der höchsten Zellspannung erreicht. Die Akkumulatorzellen 3" mit niedrigem Ladezustand im Stack werden hierdurch geladen, was zu einer Anhebung der Zellspannung führt. Dieser Vorgang wird für jede Akkumulatorzelle 3' im Stack mit höherer Zellspannung durchgeführt, bis ein Abgleich der Spannungen erfolgt ist. Auch ein Umladen der Sekundärseite auf die Primärseite ist möglich. Hierbei wird die Energie aus dem Stack auf die jeweilige Akkumulatorzelle 3 umgeladen, was zu einem Absenken des äußerlich messbaren Zellenwiderstands führt. Um diese Übertragungsrichtung umzusetzen ist es nach dem Sperrwandlerprinzip notwendig, eine bidirektionale MOSFET Schaltung anstatt einem einfachen n-Kanal MOSFET zu verwenden. Dies ist bedingt durch die MOSFET interne Bodydiode. Wird im Transformatorkern von der stackseitigen Sekundärwicklung ein Magnetfeld aufgebaut und anschließend durch Abschalten wieder abgebaut, so kommt es in jeder der Primärwicklungen zum Stromfluss durch die Bodydiode des MOSFET. Dies macht eine Begrenzung der Umladung auf bestimmte Akkumulatorzellen 3 nicht möglich, was den Freiheitsgrad der Schaltungsvariante etwas senkt.In 2 is a multi-winding circuit without an additional cell for drawing and / or introducing electrical power 6th , 7th to see. The multiwinding circuit includes a multiwinding transformer 10 with a secondary winding and primary windings depending on the number of cells. This multiwinding transformer 10 enables one of the accumulator cells in the stack to be reloaded. Since all turns of the multiwinding transformer 10 share the same transformer core, a saving in core material and thus installation space and / or weight is possible. The accumulator cell 3 ' with the highest cell voltage, the charge is actively transferred to the secondary side, parallel to the stack. This causes the battery cell to be discharged 3 ' reached with the highest cell voltage. The accumulator cells 3 " With a low state of charge in the stack, charging is carried out, which leads to an increase in the cell voltage. This process is repeated for each accumulator cell 3 ' carried out in the stack with a higher cell voltage until the voltages have been adjusted. It is also possible to reload the secondary side to the primary side. Here, the energy from the stack is transferred to the respective battery cell 3 reloaded, which leads to a lowering of the externally measurable cell resistance. In order to implement this direction of transmission, it is necessary, according to the flyback converter principle, to use a bidirectional MOSFET circuit instead of a simple n-channel MOSFET. This is due to the MOSFET internal body diode. If a magnetic field is built up in the transformer core by the stack-side secondary winding and then broken down again by switching off, it occurs in each of the Primary windings for current flow through the body diode of the MOSFET. This restricts the recharging to certain battery cells 3 not possible, which somewhat lowers the degree of freedom of the circuit variant.

In 3 ist eine Multiwinding-Schaltung mit vollständig galvanisch getrennter Zusatzzelle 8 zum Entnehmen und/oder Einbringen von elektrischem Strom 6, 7 zu sehen. Durch die Zusatzzelle 8 können im Bedarfsfall Alterungserscheinungen der Akkumulatorzellen 3 im Stack durch aktives Verschieben von Ladung aufgefangen werden. Der Transformator ist als Multiwinding-Transformator 10 ausgeführt und verfügt sekundärseitig über eine Wicklung, die an einer Pufferzelle 8 über ein Schaltelement 11 angeschlossen ist. Die Anzahl der Primärwindungen hängt von der Anzahl der Akkumulatorzellen 3 im Serienverbund ab. Die Ladung der Akkumulatorzelle 3' mit der höchsten Ladung kann aktiv auf die Pufferzelle 8 mittels dem Sperrwandlerprinzip von einer der Primärzellen auf die Sekundärzelle umgeladen werden. Akkumulatorzellen 3" mit zu geringer Spannung können über die Pufferzelle 8 nach dem Sperrwandlerprinzip geladen werden. Jedoch ist hier bedingt, durch die interne Bodydiode des MOSFET eine bidirektionale Schaltungsvariante notwendig, da ansonsten jede der Primärzellen geladen würde.In 3 is a multi-winding circuit with a completely galvanically separated additional cell 8th for withdrawing and / or introducing electrical current 6th , 7th to see. Through the additional cell 8th If necessary, the accumulator cells may show signs of aging 3 be absorbed in the stack by actively shifting loads. The transformer is a multiwinding transformer 10 and has a winding on the secondary side, which is connected to a buffer cell 8th via a switching element 11 connected. The number of primary turns depends on the number of battery cells 3 in series production. The charge of the battery cell 3 ' with the highest charge can be active on the buffer cell 8th can be transferred from one of the primary cells to the secondary cell using the flyback converter principle. Accumulator cells 3 " with too low a voltage can over the buffer cell 8th are charged according to the flyback converter principle. However, due to the internal body diode of the MOSFET, a bidirectional circuit variant is necessary here, since otherwise each of the primary cells would be charged.

In 4 ist eine unidirektionale Multiwinding-Schaltung mit Zusatzzelle 8 und einem DC-DC-Wandler 12 zum Entnehmen und/oder Einbringen von elektrischem Strom 6, 7 zu sehen. Bei dieser Schaltung handelt es sich um eine unidirektionale Übertragung der Leistung mittels Transformatoren. Die Schaltung umfasst eine Zusatzzelle 8, welche das Unterstützen von Akkumulatorzellen 3 mit geringem Innenwiderstand und/oder geringer Kapazität ermöglicht. Die Pufferzelle 8 kann über den Gesamtstack mittels des DC-DC-Wandlers 12 geladen werden. Den Hauptvorteil stellt die unidirektionale Ansteuerung dar, da dies eine einfache Ansteuerung der Schalter 13 ermöglicht. Dies hält wiederum den Software- und/oder Hardwareaufwand gering. Mit dem Multiwinding-Transformator 10 kann das Gewicht zusätzlich reduziert werden. Es ist bei der Verwendung darauf zu achten, dass eine bidirektionale MOSFET-Variante des Schalters 13 Anwendung findet, da bei einem einfachen n-Kanal MOSFET ein Sperren der zellseitigen Primärwicklungen aufgrund der parasitären Bodydiode nicht möglich ist. Dies hätte zur Folge, dass alle Akkumulatorzellen 3 geladen werden, sobald eine Übertragung aus der Pufferzelle 8 der Sekundärseite zu der Primärseite erfolgen soll.In 4th is a unidirectional multi-winding circuit with an additional cell 8th and a DC-DC converter 12th for withdrawing and / or introducing electrical current 6th , 7th to see. This circuit is a unidirectional transmission of power using transformers. The circuit includes an additional cell 8th , which support battery cells 3 with low internal resistance and / or low capacity. The buffer cell 8th can be done over the entire stack using the DC-DC converter 12th Loading. The main advantage is the unidirectional control, as this is a simple control of the switches 13th enables. This in turn keeps the software and / or hardware expenditure low. With the multiwinding transformer 10 the weight can also be reduced. When using it, make sure that a bidirectional MOSFET variant of the switch 13th It is used because in a simple n-channel MOSFET it is not possible to block the primary windings on the cell side due to the parasitic body diode. This would mean that all battery cells 3 loaded as soon as a transfer from the buffer cell 8th the secondary side should be made to the primary side.

In 5 ist eine bidirektionale Schaltung mit einfachen Transformatoren 14, die eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisen, zum Entnehmen und/oder Einbringen von elektrischem Strom 6, 7 zu sehen. Die Schaltung ermöglicht ein bidirektionales Transferieren von Ladung zwischen den Akkumulatorzellen 3. Hierdurch besitzt diese Schaltung einen hohen Freiheitsgrad, da jeder der Transformatoren 14 zeitunabhängig zu den anderen angesteuert werden kann. Zusätzlich kann Ladung vom Gesamtstack entsprechend der Sekundärseite auf die gewünschte Akkumulatorzelle 3 entsprechend der Primärseite übertragen werden. Kommt es zu einer geringen Beschädigung von einer oder mehreren Akkumulatorzellen 3 im Stack, so können diese Teilbeschädigungen durch die vollfunktionsfähigen Akkumulatorzellen 3 zu einem Großteil abgefangen werden. Dies sorgt gegenüber dem standardmäßigen Serienverbund dafür, dass das Batteriesystem 1 trotz der Beschädigung von einzelne Akkumulatorzellen weiter den Großteil seiner Funktionsfähigkeit aufweisen kann.In 5 is a bidirectional circuit with simple transformers 14th which have a primary winding and a secondary winding for drawing and / or introducing electrical current 6th , 7th to see. The circuit enables a bidirectional transfer of charge between the accumulator cells 3 . As a result, this circuit has a high degree of freedom, since each of the transformers 14th can be controlled independently of the time of the others. In addition, the total stack can be charged to the desired battery cell according to the secondary side 3 corresponding to the primary side. If there is minor damage to one or more battery cells 3 in the stack, this can be partially damaged by the fully functional accumulator cells 3 to a large extent be intercepted. Compared to the standard series network, this ensures that the battery system 1 can continue to have the majority of its functionality despite the damage to individual accumulator cells.

In 6 ist eine bidirektionale Schaltung mit einfachen Transformatoren 14 und einer Zusatzzelle 3'" zum Entnehmen und/oder Einbringen von elektrischem Strom 6, 7 zu sehen. Die Schaltung besteht aus einfachen Transformatoren 14, welche primärseitig jeweils an eine Akkumulatorzelle 3 gebunden sind. Sekundärseitig sind die einzelnen Wicklungen parallel mit dem Gesamtstack verbunden. Die Übertragung von elektrischer Ladung kann hierbei simultan erfolgen, was einen hohen Freiheitsgrad bei der Übertragung der Zellenenergie ermöglicht. Durch den Masseabgriff 15 oberhalb der ersten Akkumulatorzelle 3"' steht dem System eine zusätzliche Zelle zur Verfügung, die je nach Bedarf und/oder SoH(State of Health / Gesundheitszustand) der restlichen Akkumulatorzellen 3 im Stack zugeschalten werden kann. Eine Übertragung von Ladung findet hier ebenfalls nach dem Sperrwandler-Prinzip statt.In 6th is a bidirectional circuit with simple transformers 14th and an additional cell 3 '"for drawing and / or introducing electrical power 6th , 7th to see. The circuit consists of simple transformers 14th , which are each connected to a battery cell on the primary side 3 are bound. On the secondary side, the individual windings are connected in parallel to the overall stack. The transfer of electrical charge can take place simultaneously, which enables a high degree of freedom in the transfer of cell energy. Through the ground tap 15th Above the first accumulator cell 3 ''', the system has an additional cell available which, depending on requirements and / or SoH (State of Health) of the remaining accumulator cells 3 can be switched on in the stack. A transfer of charge also takes place here according to the flyback converter principle.

In 7 ist eine nicht galvanisch getrennte Schaltung mit DC-DC-Wandlern 12 zum Entnehmen und/oder Einbringen von elektrischem Strom 6, 7 zu sehen. Die DC-DC-Wandler 12 setzen das Potential der obersten Akkumulatorzelle 3 im Stack auf das jeweilige Potential der Akkumulatorzelle 3 im Serienverbund um. Hierdurch kann ein Stromfluss und somit eine Ladung der Akkumulatorzelle 3 erfolgen. Soll eine Akkumulatorzelle 3 entladen werden, so wird der Gesamtstack belastet sowie alle Akkumulatorzellen 3, die nicht am Entladevorgang beteiligt sind, mit dem Stackstrom geladen. Dies bedeutet, dass die Akkumulatorzellen 3, die nicht entladen werden sollen, mit demselben Strom belastet werden, mit dem sie auch geladen werden. Dies resultiert in einem statischen Zustand. Der Vorteil dieser Schaltung liegt in der nicht benötigten galvanischen Trennung. Dies macht es möglich die komplexen und kostenintensiven Bauteile, wie einen Transformator einzusparen. Da der äußere Masseabgriff 15 um eine Akkumulatorzelle 3 im Stack verschoben ist, kann dem Gesamtsystem zusätzlich Leistung zugefügt werden. Dies macht es möglich, gegen eine zyklische sowie kalendarische Alterung durch aktives Umladen von Energie aus der Pufferzelle 3"' vorzugehen.In 7th is a non-galvanically isolated circuit with DC-DC converters 12th for withdrawing and / or introducing electrical current 6th , 7th to see. The DC-DC converter 12th set the potential of the top battery cell 3 in the stack to the respective potential of the battery cell 3 in series production. This allows a current flow and thus a charge of the battery cell 3 take place. Should be an accumulator cell 3 are discharged, the total stack is loaded as well as all battery cells 3 that are not involved in the unloading process are charged with the stack current. This means that the battery cells 3 that are not to be discharged are charged with the same current with which they are also charged. This results in a static state. The advantage of this circuit is the galvanic isolation that is not required. This makes it possible to save complex and cost-intensive components such as a transformer. Because the outer ground tap 15th a battery cell 3 is shifted in the stack, additional power can be added to the overall system. This makes it possible to counteract cyclical and calendar aging by actively reloading energy from the buffer cell 3 '''.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems nicht nur für Elektrofahrzeuge sondern in vorteilhafter Weise bei Batterien für Elektrowerkzeuge, Computern, Laptops, Hausgeräten, sonstigen Elektrogeräten o. dgl. Verwendung finden.The invention is not restricted to the exemplary embodiment described and illustrated. Rather, it also includes all technical developments within the scope of the invention defined by the patent claims. Thus, the method according to the invention for operating a battery system can be used not only for electric vehicles but also advantageously for batteries for power tools, computers, laptops, household appliances, other electrical appliances or the like.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BatteriesystemBattery system
22
Gehäusecasing
33
AkkumulatorzelleAccumulator cell
3'3 '
Akkumulatorzelle (mit höherer Zellspannung)Accumulator cell (with higher cell voltage)
3"3 "
Akkumulatorzelle (mit niedrigerer Zellspannung)Accumulator cell (with lower cell voltage)
3"'3 "'
Akkumulatorzelle / Zusatzzelle / PufferzelleAccumulator cell / additional cell / buffer cell
44th
MessvorrichtungMeasuring device
55
SteuervorrichtungControl device
66th
(entnommener) Strom(withdrawn) electricity
77th
(eingebrachter) Strom(brought in) electricity
88th
Zusatzzelle / PufferzelleAdditional cell / buffer cell
99
Strom (von Zusatzzelle entnommen)Electricity (taken from additional cell)
1010
Multiwinding-TransformatorMultiwinding transformer
1111
SchaltelementSwitching element
1212th
DC-DC-WandlerDC-DC converter
1313th
Schaltercounter
1414th
Transformatortransformer
1515th
MasseabgriffGround tap

Claims (3)

Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (1), umfassend wenigstens zwei seriell und/oder parallel geschaltete Akkumulatorzellen (3), wobei die elektrischen Zellspannungen der Akkumulatorzellen (3) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung von unterschiedlichen Zellspannungen elektrischer Strom (6) aus einer Akkumulatorzelle (3) entnommen und/oder elektrischer Strom (7) in eine Akkumulatorzelle (3) eingebracht wird, derart dass ein Ausgleich der Zellspannungen der Akkumulatorzellen (3) erzielt ist.A method for operating a battery system (1), comprising at least two serially and / or parallel-connected accumulator cells (3), the electrical cell voltages of the accumulator cells (3) being measured, characterized in that when different cell voltages are determined, electrical current (6) is emitted an accumulator cell (3) is removed and / or electrical current (7) is introduced into an accumulator cell (3) in such a way that the cell voltages of the accumulator cells (3) are equalized. Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatorzelle (3') mit der höheren, insbesondere mit der höchsten, Zellspannung entladen und/oder die Akkumulatorzelle (3") mit der niedrigeren, insbesondere mit der niedrigsten, Zellspannung aufgeladen wird.Method for operating a battery system (1) according to Claim 1 , characterized in that the accumulator cell (3 ') is discharged with the higher, in particular with the highest, cell voltage and / or the accumulator cell (3 ") is charged with the lower, in particular with the lowest, cell voltage. Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzzelle (8) vorgesehen ist, derart dass die Akkumulatorzelle (3') mit der niedrigen Zellspannung von der Zusatzzelle (8) aufgeladen wird.Method for operating a battery system (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that an additional cell (8) is provided such that the accumulator cell (3 ') is charged with the low cell voltage from the additional cell (8).
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