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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie, bevorzugt einer Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, bei dem die Selbstentladung der Batteriezellen im Rahmen des Betriebes der Batterie berücksichtigt wird. Ferner sind ein Batteriemanagementsystem, eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie vorgesehen.
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Stand der Technik
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In Elektro- oder Hybridfahrzeugen der neuesten Generation kommen sogenannte Lithium-lonen-Batterien zum Einsatz. Sie zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine geringe Selbstentladung aus. Lithium-lonen-Zellen besitzen mindestens eine positive und negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-lonen (Li+) reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. Die einzelnen Zellen werden zu sogenannten Modulen, Sub-Units und Batterien verschaltet, wobei die Spannung von 120 Volt Gleichstrom (Mild Hybrid) bis über 600 Volt (elektrisches Fahrzeug) betragen kann.
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Um den Anforderungen hinsichtlich verfügbaren Energieinhalts, maximaler Leistung und Gesamtspannung gerecht zu werden, werden dabei viele einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. So werden in Hybrid- und Elektrofahrzeugen Batteriepacks in Li-lonen oder NiMH-Technologie eingesetzt, die aus einer großen Anzahl in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen bestehen.
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Eine solche hohe Zahl von in Serie geschalteten Batteriezellen bringt einige Probleme mit sich. Aus Sicherheitsgründen und zur Erzielung einer hinreichenden Genauigkeit bei der Spannungsmessung müssen die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen einzeln gemessen und auf die Einhaltung von Ober- und Untergrenzen hin überprüft werden. Wegen der Serienschaltung der Batteriezellen werden alle Batteriezellen vom gleichen Strom durchflossen, das heißt, die Menge der beim Entladen entnommenen bzw. beim Aufladen eingebrachten Ladung ist auch für alle Batteriezellen identisch. Infolgedessen begrenzt die Zelle mit der geringsten Kapazität die Gesamtladung des Packs. Da in der Regel für elektrochemische Zellen ein direkter Zusammenhang zwischen Kapazitätsverlust und Innenwiderstandserhöhung besteht, weist die Zelle mit der geringsten Kapazität in der Regel auch die geringste Leistung auf. Weicht daher die Kapazität einer Batteriezelle, z. B. durch Alterung, von der einer anderen ab, können die Batteriezellen mit einer höheren Kapazität nur so weit aufgeladen werden, wie die Batteriezelle mit der niedrigsten Kapazität. Außerdem führt der Defekt einer einzelnen Batteriezelle zum Ausfall der gesamten Batterie, weil kein Strom mehr durch die defekte Batteriezelle und damit durch die Batterie fließen kann.
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Dabei ist anzumerken, dass die anfänglichen Ladezustände der Batteriezellen beim Zusammenbau zu einer Batterie nie genau gleich sein werden. Außerdem unterscheiden sich die Batteriezellen aufgrund einer gewissen Produktstreuung bei der Herstellung immer geringfügig in ihren Parametern und somit auch in ihrer Reaktion des Ladezustandes auf einen von außen eingeprägten Strom. Durch Alterung der Batteriezellen können sich diese Unterschiede weiter vergrößern.
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Es ist bekannt, ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung der Ladezustände oder Spannungen von Batteriezellen in einer Batterie einzusetzen. Es soll neben der Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer der Batterie gewährleisten und sicherstellen, dass die Ladezustände der einzelnen Zellen aufeinander abgestimmt werden. Dies geschieht durch eine geeignete Zellsymmetrisierung, das sogenannte „Zellbalancing“. Das Zellbalancing oder Angleichen der Ladezustände wird in der Regel passiv über Widerstände vorgenommen. Dazu wird zu jeder Zelle ein Widerstand und ein Schaltelement vorgesehen, um einzelne Zellen gezielt entladen zu können. Aus der
DE 10 2006 022 394 A1 ist eine Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Energiequelle mit mehreren Zellen bekannt, bei dem die Zellen mit einer Entladeeinheit zum Ladungsabgleich verbunden sind, die die Zellen wenigstens teilweise entlädt.
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Nach dem Stand der Technik ist es aber auch möglich, das Zellbalancing aktiv – das heißt mit geschalteten Kondensatoren – bzw. induktiv – also mittels geschalteter Induktivitäten – durchzuführen. In diesen beiden Fällen kann Energie zwischen den Zellen mit beschränktem Wirkungsgrad ausgetauscht werden, während die Energie beim resistiven Zellbalancing nur in Wärme umgewandelt werden kann und somit verloren geht.
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Eine gängige Balancing-Strategie versucht einen stets gleichen Ladezustand aller Zellen zu erzielen. Dazu wird in der Regel auf identische Ruhespannung aller Zellen symmetrisiert. Bei neuwertigen Zellen mit nahezu identischer Kapazität ist diese Strategie gerechtfertigt. Für Zellen unterschiedlicher Kapazität, wie sie sich durch Produktionsstreuungen und Alterung einstellt, führt diese Balancing-Strategie allerdings zu unnötigen Energieverlusten durch das Balancing.
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DE 10 2010 002 326 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ausbalancieren von Ladezuständen, bei dem nicht stets der gleiche Ladezustand aller Zellen angestrebt wird. Dabei werden die Zellkapazitäten und die Entladetiefen der Batteriezellen für die Festlegung des Zielladezustands einer Batteriezelle berücksichtigt.
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Jedoch können auch im Ruhezustand die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen auseinanderlaufen, da die Zellen sich unterschiedlich stark selbst entladen. Die Selbstentladung beträgt üblicherweise 1 bis 5 mV pro Monat. Jedoch kann mit Alterung der Zellen die Selbstentladung über den üblichen Wert zunehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Batterie bestehend aus einer Mehrzahl von Batteriezellen umfasst grundsätzlich folgende Schritte:
Überwachen der Selbstentladung mindestens einer Batteriezelle im abgeschalteten Zustand der Batterie, und Auf- und/oder Entladen der mindestens einen Batteriezelle unter Berücksichtigung des Wertes der überwachten Selbstentladung.
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Die Selbstentladung kann grundsätzlich von Batteriezelle zu Batteriezelle verschieden sein. Somit können selbst dann, wenn vor dem Ruhezustand alle Batteriezellen den gleichen Spannungswert oder Ladezustand aufweisen, diese Werte im ausgeschalteten Zustand auseinanderlaufen. Vorteilhafterweise wird durch die vorliegende Erfindung die Selbstentladung der Batteriezelle beim Betrieb der Batterie berücksichtigt.
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Der Schritt des Überwachens der Selbstentladung umfasst dabei die Schritte des Bestimmens und Speicherns des Spannungswertes der mindestens einen Batteriezelle beim Abschalten der Batterie, des Bestimmens des Spannungswertes der mindestens einen Batteriezelle bei Inbetriebnahme der Batterie, und des Berechnens der Selbstentladung der Batterie mittels der Differenz der Spannungswerte beim Abschalten und bei Inbetriebnahme.
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Somit muss die Batterie lediglich über einen Speicher verfügen, um den oder die Spannungswerte der Batteriezellen beim Abschalten zu speichern. Ein solcher Speicher ist üblicherweise Teil eines Batteriemanagementsystems oder einer Zellüberwachungsschaltung.
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Der Schritt des Auf- und/oder Entladens umfasst bevorzugt ein geringeres Entladen einer Batteriezelle mit einem Wert der Selbstentladung, der über einem vordefinierten Schwellenwert liegt. Alternativ oder zusätzlich erfolgt ein höheres Aufladen einer Batteriezelle mit einem Selbstentladungswert, der über dem vordefinierten Schwellenwert liegt.
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Alle Batteriezellen, auch neue Batteriezellen, weisen eine gewisse Selbstentladung auf. Durch den vordefinierten Schwellenwert kann sichergestellt werden, dass die Selbstentladung erst ab Überschreiten einer normalen Selbstentladung berücksichtigt wird. Sie wird dabei so berücksichtigt, dass Zellen mit hoher Selbstentladung weniger entladen und/oder stärker aufgeladen werden.
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Der vordefinierte Schwellenwert kann der Wert der üblichen Selbstentladung innerhalb eines Monats sein, also bevorzugt zwischen 1 mV und 5 mV liegen. Berücksichtigt werden kann entweder der tatsächliche Wert der Selbstentladung oder nur die Differenz zum Schwellenwert.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden mindestens zwei Batteriezellen, noch bevorzugter alle Batteriezellen, der Batterie überwacht. Das Verfahren umfasst dann die Schritte: geringeres Entladen einer Batteriezelle mit höherer Selbstentladung gegenüber einer Batteriezelle mit niedrigerer Selbstentladung, und/oder höheres Aufladen einer Batteriezelle mit höherer Selbstentladung gegenüber einer Batteriezelle mit niedrigerer Selbstentladung.
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Vorteilhafterweise können somit die Batteriezellen gestaffelt in Abhängigkeit der Größe Ihrer Selbstentladung entladen und/oder aufgeladen werden. Das Verfahren bestimmt bevorzugt eine Rangliste der Batteriezellen nach ihrer Selbstentladung und nimmt das Ent- und/oder Aufladen entsprechend vor.
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Beim Entladen eine Batteriezelle mit höherer Selbstentladung kann diese weniger häufig entladen werden als eine Batteriezelle mit niedrigerer Selbstentladung.
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Eine Batteriezelle mit höherer Selbstentladung kann auf eine schnellere Alterung dieser Zelle zurückzuführen sein. Durch eine seltenere Verwendung dieser Batteriezelle kann der Alterungsprozess verlangsamt werden.
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Während des Ladens kann die Zielladespannung einer Batteriezelle in Abhängigkeit des Wertes ihrer Selbstentladung gegenüber den anderen Batteriezellen angehoben werden.
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Dies ermöglicht es, trotz erhöhter Selbstentladung einer Batteriezelle zum Beispiel nach einer Betriebspause die gleichen oder sehr ähnliche Spannungswerte der einzelnen Batteriezellen vorzufinden.
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Die Zielladespannung kann konkret um einen Betrag von 60 bis 100 % der Selbstentladespannung bzw. 60 bis 100 % der Differenz der tatsächlichen Selbstentladespannung zur normalen Selbstentladung, bevorzugt 70 % bis 90 % der Selbstentladespannung bzw. 70 bis 90 % der Differenz der tatsächlichen Selbstentladespannung zur normalen Selbstentladung gegenüber einem vordefinierten Wert, bevorzugt gegenüber dem Spannungswert, der bei Auslieferung der Batteriezelle der vollständigen Ladung entspricht, angehoben werden.
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Der Ladevorgang der Batteriezellen wird bevorzugt nicht abgebrochen, wenn eine der Batteriezellen mit niedriger Selbstentladung ihre Zielladespannung erreicht hat, sondern die Batteriezellen mit höherer Selbstentladung werden weiter geladen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass Batteriezellen mit niedrigerer Selbstentladung nach Erreichen der Zielladespannung noch einmal entladen werden, um ein weiteres Aufladen der Batteriezellen mit höherer Selbstentladung zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein Batteriemanagementsystem einer Batterie vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Ferner werden eine Batterie, bevorzugt eine Li-Ionen-Batterie, mit einem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem sowie ein Kraftfahrzeug mit dieser Batterie, wobei die Batterie mit dem Antrieb des Kraftfahrzeuges verbunden ist, vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein erfindungsgemäßes Batteriesystem.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Im Stand der Technik erfolgt ein Angleichen der Ladezustände von Batteriezellen einer Batterie, auch Zellbalancing genannt, auf Basis der aktuell gemessenen Zellspannungen der verschiedenen Batteriezellen. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt nunmehr die Selbstentladung der Batteriezellen der Batterie als weitere Größe beim Auf- und/oder Entladen, bzw. beim Zellbalancing. Beim Balancing werden die Ladungszustände der Batteriezellen mittels Auflade- und/oder Entladevorgängen aneinander angeglichen.
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Erfindungsgemäß wird in den Stillstandzeiten des Energiespeichers vom Batteriemanagementsystem BMS die Selbstentladung überwacht. Dies geschieht dadurch, dass vor dem Abschalten der Batterie die Spannung bzw. der Ladezustand der einzelnen Batteriezellen bestimmt und abgespeichert wird. Nach dem erneuten Anschalten der Batterie erfolgt wiederum eine Bestimmung der Spannung bzw. des Ladezustands der einzelnen Batteriezellen. Die Differenz der Spannungswerte entspricht dann der Selbstentladung. Üblicherweise liegt die Selbstentladung zwischen 1 mV und 5 mV in einem Monat, kann aber aufgrund der Alterung zunehmen.
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Diese Selbstentladung wird nunmehr beim Balancing berücksichtigt. Dies ist sowohl beim passiven Balancing, bei welchem die Zellen mittels Widerständen auf das Niveau der schwächsten Zelle entladen werden, wie auch beim aktiven Balancing, in dem Ladung zwischen den Zellen verschoben wird, erfindungsgemäß möglich.
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Vorteilhafterweise kann die zusätzliche Funktion der Berücksichtigung der Selbstentladung rein über eine Softwareanpassung erfolgen. Änderungen an der Hardware sind bevorzugt nicht nötig.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfassend eine Batterie mit mehreren Batteriezellen 10, einen Zellüberwachungsschaltkreis 20, ein Batteriesteuergerät 30 und einen Hochvoltanschluss 40. Der Zellüberwachungsschaltkreis 20 überwacht die Funktion der Zellen 10 und ihre Kenngrößen, z. B. den Ladezustand und die Spannung der einzelnen Batteriezellen 10. Das Batteriesteuergerät 30 steuert die Auf- und Entladung der Batteriezellen 10 während des Betriebes bzw. das Balancing.
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Die Batteriezellen 10 sind über Hochvoltpfade mit einem Hochvoltanschluss 40 verbunden. Auf der anderen Seite sind die Zellen 10 mit einem Zellüberwachungsschaltkreis 20 verbunden, der beispielsweise die Spannungsmessung und den Ladungsausgleich zwischen den Zellen 10 beim Balancing überwacht. Das Batteriesteuergerät 30 sendet und erhält Daten vom Zellüberwachungsschaltkreis 20 und auch entsprechend von dem Hochvoltanschluss 40.
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Im Ruhezustand der Batterie, z. B. im Stillstand eines Fahrzeugs über Nacht, ermittelt das Batteriemanagementsystem mit dem Batteriesteuergerät 30 und dem Zellüberwachungsschaltkreis 20 die Unterschiede in der Selbstentladung der Zellen 10. Dazu werden beim Ausschalten der Batterie die Ladezustände und/oder die Zellspannungen der Zellen 10 bestimmt und abgespeichert. Die Batterie, bevorzugt das Batteriesteuergerät 30, umfasst dazu einen Speicher (nicht gezeigt). Beim Einschalten werden die Werte erneut bestimmt und die Differenz ermittelt. Die Differenz der Spannungswerte vor dem Ausschalten und nach dem Einschalten ergibt den Wert der Selbstentladung. Werden die Spannungswerte nicht direkt gemessen, so können sie auch indirekt über andere Größen bestimmt werden.
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Bevorzugt wird bei allen Batteriezellen 10 die Selbstentladung überwacht. Jedoch genügt es auch weniger oder gar nur eine der Batteriezellen 10 zu überwachen. Dabei kann bei Verwendung mehrerer Batteriezellen 10 in der Überwachung durch das BMS eine Rangliste der Batteriezellen 10 nach ihrer Selbstentladung vorgenommen werden.
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Beim passiven Balancing, also der Entladung der Zellen über Widerstände, wie auch beim aktiven Balancing kann nun eine höhere Selbstentladung einzelner Zellen sowohl beim Balancing selber wie auch beim Laden berücksichtigt werden.
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Beim Balancing selber werden Zellen mit höherer Selbstentladung entsprechend ihrer höheren Selbstentladung weniger stark oder gar nicht entladen. Beim Laden, das üblicherweise abgeschaltet wird sobald eine der Zellen im Verbund die maximale Spannung erreicht hat, werden für die Zellen mit höherer Selbstentladung die Grenzwerte entsprechend der Selbstentladung heraufgesetzt.
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Zur Erläuterung sei ein Beispiel angeführt. Wir nehmen an, Zelle 1 hätte rein beispielhaft einen Zielladespannungswert von 4,1 V und eine Selbstentladung von 1 mV pro Monat, Zelle 2 hingegen von 5 mV pro Monat bei einer Zielladespannung von 4,1 V. Somit liegt das Spannungsniveau der Zelle 2 nach dem Einschalten aus einer Ruhephase immer über dem der Zelle 1, auch wenn vor dem Ausschalten alle Batteriezellen 10 dieselbe Spannung aufwiesen.
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Nach einiger Zeit der Benutzung der Batterie stellt das BMS fest, dass aufgrund der höheren Selbstentladung zum einen die Kapazität der Gesamtbatterie geringer ist, da die Zelle 1 immer auf das Niveau von Zelle 2 entladen wird. Zum anderen muss öfter oder länger angeglichen bzw. ausbalanciert werden. Erfindungsgemäß wird nun beim nächsten Ladevorgang für Zelle 2 eine Zielladespannung von 4,104 Volt und für Zelle 1 eine von 4,100 Volt festgelegt. Die Differenz der beiden Zielladespannungen beträgt hier gerade 4 mV, entspricht also der Differenz der Selbstentladespannungen der Batteriezellen 10.
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Gegebenenfalls sorgt ein Balancing am Ende dafür, dass zwischenzeitlich Zelle 1 nochmals entladen wird, damit Zelle 2 auf 4,104 Volt geladen werden kann.
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Mit anderen Worten werden die Werte der Selbstentladungen der Batteriezellen 10 derart berücksichtigt, dass während des Ladens die Differenz der Selbstentladung einer Batteriezelle 10 zur z. B. niedrigsten Selbstentladung aller Batteriezellen 10 in die Bestimmung der Zielladespannung einfließt.
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Es kann aber auch jeder Spannungswert der Selbstentladung der Batteriezellen 10 direkt anstatt in Form von Differenzwerten einfließen. So kann Zelle 2 auf 4,105 V aufgeladen werden (vorherige Zielladespannung 4,1 V plus Selbstentladespannungswert 0,05 V) und Zelle 1 auf 4,101 V.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel kann aber auch zuvor ein Schwellwert für die Berücksichtigung der Selbstentladespannung festgelegt sein. Hierbei müssten nicht die Selbstentladungen der einzelnen Batteriezellen 10 zueinander, sondern nur relativ zu dem Schwellwert bestimmt werden, der sich optional mit zunehmendem Alter der Batterie auch verändern kann, z. B. größer werden kann. Im obigen Beispiel könnte der Schwellwert z. B. 1 mV bezogen auf einen Zeitraum von einem Monat betragen. Wenn die Selbstentladespannung in dem Bezugszeitraum nun größer als 1 mV ist, wird die Zielladespannung angepasst. Lag sie zuvor bei 4,100 Volt, bleibt sie für Zelle 1 auf diesem Wert, da die Selbstentladung von Zelle 1 nicht über dem Schwellwert liegt. Zelle 2 wird allerdings wiederum wie oben auf 4,104 V geladen, entsprechend der Differenz zwischen Schwellwert und Selbstentladungswert. Als Ausgangswert der Anpassung der Zielladespannung kann hier z. B. der Spannungswert der Batteriezellen 10 bei Auslieferung der Batterie oder irgendein anderer realistischer Wert für die Spannung der Batteriezellen 10 innerhalb ihrer Spezifikation genommen werden.
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Bevorzugt kann aber auch zum Wert der Selbstentladung der tatsächliche Zeitraum, über dem die Selbstentladung stattfand, z. B. über den Ruhezustand des zugehörigen Fahrzeugs, zusätzlich bestimmt bzw. gespeichert werden. Dann wird der Schwellwert, der z. B. auf einen bestimmten Zeitraum der Selbstentladung bezogen ist, auf den tatsächlichen Selbstentladungszeitraum skaliert. Im obigen Beispiel lag der Schwellwert rein beispielhaft bei 1 mV, bezogen auf einen Monat bzw. 30 Tage. Befand sich die Batterie über einen vollen Tag im Ruhezustand, fand also die Selbstentladung über einen Tag statt, wäre der tatsächliche Schwellwert im obigen Beispiel nunmehr 1/30 mV.
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Beim aktiven Balancing kann zusätzlich zu dem bereits erwähnten Vorgehen während des Ladevorgangs gezielt zusätzlicher Strom in die Zelle 10 mit höherer Selbstentladung geladen bzw. umgeleitet werden. Die Spannung dieser Zelle 10 wird dann gegenüber den anderen Zellen 10 angehoben, um die Selbstentladung auszugleichen. Das Anheben der Zielladespannung erfolgt dann bevorzugt wie soeben beschrieben in den verschiedenen Ausführungsformen, also als Differenzwert der Selbstentladungen relativ zueinander, relativ zu einem Schwellwert oder absolut mit dem Wert der Selbstentladung.
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Ferner kann auch eine Batteriezelle 10 mit einer hohen Selbstentladung während des Betriebs wenn möglich unberücksichtigt bleiben, bis die Selbstentladung bzw. der Alterungsprozess der Batteriezellen 10 zueinander wieder angeglichen ist.
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Dem Fachmann ist hierbei klar, dass anstatt des Begriffes Batteriezellen 10 auch synonym der Begriff Batteriemodul verwendet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich entsprechend auch für das Laden und Entladen von mehreren Batteriemodulen in einem Batteriepack.
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Ferner kann auch die Zeit des Stillstands der Batterie mit einfließen. Im oberen Beispiel wurde als Betrachtungszeitraum 1 Monat gewählt, das heißt, bei dem oben gezeigten Beispiel würde einmal im Monat ein längeres Balancing durchgeführt werden. Dies kann aber auch abhängig von der Nutzungsfrequenz des Fahrzeuges sein. So kann z. B. im Laufe des Betriebes der Batterie eine mittlere Stillstandszeit bestimmt werden. Liegt nun die tatsächliche Stillstandszeit deutlich höher, z. B. weil sich der Betreiber des Elektrofahrzeugs im Urlaub befand, ist auch der Spannungswert der Selbstentladung deutlich höher. Dann kann beispielhaft auch nur entsprechend dem Verhältnis von mittlerer Stillstandszeit zu tatsächlicher Stillstandszeit der Wert der Selbstentladung berücksichtigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006022394 A1 [0006]
- DE 102010002326 A1 [0009]