CH715078A2

CH715078A2 - Electronic circuit for performing a state of charge compensation between battery cells of a battery system.

Info

Publication number: CH715078A2
Application number: CH00742/18A
Authority: CH
Inventors: Räber Manuel
Original assignee: Manuel Raeber
Priority date: 2018-06-09
Filing date: 2018-06-09
Publication date: 2019-12-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriezellmodul (40) mit mehreren in Reihe zugeschalteten Batteriezellen (C1, C2, Ci, Cn) und eine Ladungszustandsausgleichseinheit (80) zum Durchführen eines Ladungszustandsausgleiches zwischen den Batteriezellen des Batteriezellpacks (50). Bei dem erfindungsgemässen Batteriezellmodul (40) erfolgt der Ladungszustandsausgleich durch Verwendung mindestens eines nicht isolierten DC/DC-Wandlers (70). Die Ladungszustandsausgleichseinheit (80) dient dazu, einem durch die Schaltmatrix (60) selektierten Abschnitt des Batteriezellpacks (50) eine erste elektrische Energiemenge zu entnehmen und im gesamten Batteriezellpack (50) zwischenzuspeichern und die zwischengespeicherte erste elektrische Energiemenge einem weiteren Abschnitt des Batteriezellpacks (50) zuzuführen. Um die Verluste gering und die Ansteuerung einfach zu halten, ist die Schaltmatrix (60) langsam getaktet (weniger als 1 Hz). Ferner ist eine Mess- und Steuereinheit (90) dazu vorgesehen, die notwendigen Messwerte zu ermitteln und die korrekten Schalter anzusteuern. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung eines Ladezustandsausgleichs.The invention relates to a battery cell module (40) with a plurality of battery cells (C1, C2, Ci, Cn) connected in series and a charge state compensation unit (80) for carrying out charge state compensation between the battery cells of the battery cell pack (50). In the battery cell module (40) according to the invention, the charge state is equalized by using at least one non-isolated DC / DC converter (70). The charge state compensation unit (80) is used to take a first amount of electrical energy from a section of the battery cell pack (50) selected by the switching matrix (60) and to store it temporarily in the entire battery cell pack (50) and to store the temporarily stored first electrical energy amount in a further section of the battery cell pack (50). supply. In order to keep losses low and control simple, the switching matrix (60) is clocked slowly (less than 1 Hz). Furthermore, a measuring and control unit (90) is provided to determine the necessary measured values and to control the correct switches. The invention further relates to a method for carrying out a state of charge compensation.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein System zum Ladezustandsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen eines Batteriesystems unter Einsatz von nicht isolierten Gleichspannungswandlern und einer Schaltmatrix.Description: The invention relates to a system for balancing the state of charge between individual battery cells of a battery system using non-isolated DC voltage converters and a switching matrix.

[0002] Der Betrieb von modernen mobilen Elektrogeräten stellt hohe Anforderungen an Batteriesysteme bezüglich des nutzbaren Energieinhalts, des Lade- und Entladewirkungsgrades und der Zuverlässigkeit.The operation of modern mobile electrical devices places high demands on battery systems with regard to the usable energy content, the charging and discharging efficiency and the reliability.

[0003] Um den Anforderungen nach einer geeigneten Gesamtspannung eines solchen Batteriesystems nachzukommen, werden viele einzelne Batteriezellen in Reihe geschaltet. Zusätzlich können Batteriezellen oder ganze Batteriezellstränge parallelgeschaltet werden, um bei vorgegebener Gesamtspannung den Energieinhalt oder die maximale elektrische Lade- oder Entladeleistung eines so ausgebildeten Batteriesystems anzupassen.In order to meet the requirements for a suitable total voltage of such a battery system, many individual battery cells are connected in series. In addition, battery cells or entire battery cell strings can be connected in parallel in order to adapt the energy content or the maximum electrical charging or discharging power of a battery system designed in this way for a given total voltage.

[0004] In Fig. 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem (10) mit einer Batterie (20) gezeigt, die mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen (C1, Ci, Cn) umfasst. Dabei stellt n die Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen dar und i ist eine natürliche Zahl zwischen 1 und n. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in der Fig. 1 nur die erste Batteriezelle mit C1, die i-te Batteriezelle mit Ci und die n-te Batteriezelle mit Cn gekennzeichnet. Aufgrund der zulässigen Betriebsbedingungen darf bei einem solchen Batteriesystem (10) keine der Batteriezellen (C1, Ci, Cn) zu einem Zeitpunkt überladen oder zu weit entladen werden. Dies entspricht der Anforderung, die Leerlaufspannung jeder Batteriezelle (C1, Ci, Cn) immer in einem erlaubten Bereich, der sich zwischen einer minimalen Leerlaufspannungsgrenze und einer maximalen Leerlaufspannungsgrenze erstreckt, zu halten. Um diese Anforderung zu erfüllen und um eine hinreichende Genauigkeit bei einer Messung der Gesamtspannung einer solchen Batterie (20) zu erzielen, müssen alle einzelnen Batteriezellspannungen gemessen und auf die Einhaltung der minimalen und der maximalen Leelaufspannungsgrenzen hin überprüft werden. Aufgrund der Reihenschaltung werden alle Batteriezellen (C1, Ci, Cn) innerhalb eines Batteriezellstranges vom gleichen Strom durchflossen, das heisst, dass die Menge der entnommenen oder eingebrachten Ladung pro Batteriezelle für alle Batteriezellen (C1, Ci, Cn) identisch ist.In Fig. 1, a known from the prior art battery system (10) with a battery (20) is shown, which comprises a plurality of battery cells (C1, Ci, Cn) connected in series. N represents the number of battery cells connected in series and i is a natural number between 1 and n. To simplify the illustration, only the first battery cell with C1, the i-th battery cell with Ci and the n- te battery cell marked with Cn. Due to the permissible operating conditions in such a battery system (10), none of the battery cells (C1, Ci, Cn) may be overcharged or discharged too far at any one time. This corresponds to the requirement to always keep the open circuit voltage of each battery cell (C1, Ci, Cn) in an allowed range that extends between a minimum open circuit voltage limit and a maximum open circuit voltage limit. In order to meet this requirement and to achieve sufficient accuracy when measuring the total voltage of such a battery (20), all individual battery cell voltages must be measured and checked for compliance with the minimum and maximum idle voltage limits. Due to the series connection, the same current flows through all battery cells (C1, Ci, Cn) within a battery cell string, which means that the amount of charge removed or introduced per battery cell is identical for all battery cells (C1, Ci, Cn).

[0005] Die anfänglichen Ladezustände der Batteriezellen (C1, Ci, Cn) sind schon beim Zusammenbau der Batterie (20) nie genau gleich und verändern sich im Betrieb und während der Nutzung aufgrund von Unterschieden in den Selbstentladungsströmen der Batteriezellen (C1, Ci, Cn) und Unterschieden in den nominellen Kapazitäten der Batteriezellen (C1, Ci, Cn). Eine weitere Ursache für Kapazitätsunterschiede der einzelnen Zellen besteht im Einfluss der herrschenden Ladeund Entladetemperatur, welche bei grösseren Batteriesystemen üblicherweise nicht für alle Zellen den gleichen Wert hat. [0006] In der Realität kann folglich nicht ausgeschlossen werden, dass sich die Ladezustände beziehungsweise die Leerlaufspannungen der Batteriezellen (C1, Ci, Cn) immer weiter voneinander entfernen. Dies muss aus Sicherheitsgründen verhindert werden. Wenn die Leerlaufspannung einer einzigen Batteriezelle (C1, Ci, Cn) die minimale Leerlaufspannungsgrenze erreicht hat, darf die gesamte Batterie (20) nicht mehr entladen werden. Sobald die Leerlaufspannung einer einzigen Batteriezelle (C1, Ci, Cn) die maximale Leerlaufspannungsgrenze erreicht hat, darf die gesamte Batterie (20) nicht mehr aufgeladen werden.The initial states of charge of the battery cells (C1, Ci, Cn) are never exactly the same when assembling the battery (20) and change in operation and during use due to differences in the self-discharge currents of the battery cells (C1, Ci, Cn ) and differences in the nominal capacities of the battery cells (C1, Ci, Cn). Another cause for differences in capacity of the individual cells is the influence of the prevailing charge and discharge temperature, which usually does not have the same value for all cells in larger battery systems. In reality, it cannot be ruled out that the charge levels or the open circuit voltages of the battery cells (C1, Ci, Cn) are moving further and further apart. This must be prevented for security reasons. When the open circuit voltage of a single battery cell (C1, Ci, Cn) has reached the minimum open circuit voltage limit, the entire battery (20) must no longer be discharged. As soon as the open circuit voltage of a single battery cell (C1, Ci, Cn) has reached the maximum open circuit voltage limit, the entire battery (20) may no longer be charged.

[0007] Beim Entladen einer solchen Batterie (20) bestimmt diejenige Batteriezelle (C1, Ci, Cn), die den geringsten Ladungszustand aufweist, die diesbezügliche Grenze für die gesamte Batterie (20), beim Laden einer solchen Batterie (20) ist es diejenige Batteriezelle (C1, Ci, Cn), die den höchsten Ladungszustand aufweist. Deswegen kann die gesamte Batterie (20) hinsichtlich des Energieinhalts und der Leistungsbereitstellung nur unzureichend ausgenutzt werden.When discharging such a battery (20) determines that battery cell (C1, Ci, Cn) that has the lowest state of charge, the relevant limit for the entire battery (20), when charging such a battery (20) it is that Battery cell (C1, Ci, Cn) with the highest charge. For this reason, the entire battery (20) can be used only insufficiently with regard to the energy content and the provision of power.

[0008] Bei in Reihe geschalteten Batteriezellen (C1, Ci, Cn) gibt es aber keine Möglichkeit, die oben genannten Unterschiede individuell auszugleichen, da alle Batteriezellen (C1, Ci Cn) vom gleichen Strom durchflossen werden. Um dieses unerwünschte Verhalten zu vermeiden, werden heute gemäss dem Stand der Technik Zusatzschaltungen zum Durchführen eines Ladungsausgleichs zwischen den Batteriezellen (C1, Ci, Cn) einer Batterie (20) eingesetzt, die auch als Ladungszustandsausgleichsschaltungen (Balancing-Schaltungen) bezeichnet werden.In series-connected battery cells (C1, Ci, Cn) there is no way to compensate for the differences mentioned above individually, since all battery cells (C1, Ci Cn) are flowed through by the same current. In order to avoid this undesirable behavior, according to the prior art, additional circuits for carrying out charge equalization between the battery cells (C1, Ci, Cn) of a battery (20) are used, which are also referred to as charge state equalization circuits (balancing circuits).

[0009] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Ladungszustandsausgleichsschaltungen einzusetzen, die einen sogenannte «resistiven» oder «passiven» Ladungszustandsausgleich (Balancing) zwischen in Reihe geschalteten Batteriezellen (C1, Ci, Cn) einer entsprechenden Batterie (20) durchführen können. Dabei wird pro Batteriezelle (C1, Ci, Cn) mindestens ein steuerbarer Schalter (S1, Si, Sn) und mindestens ein Widerstand (R1, Ri, Rn) verwendet.It is known from the prior art to use charge state compensation circuits which can carry out a so-called “resistive” or “passive” charge state compensation (balancing) between series-connected battery cells (C1, Ci, Cn) of a corresponding battery (20). At least one controllable switch (S1, Si, Sn) and at least one resistor (R1, Ri, Rn) is used for each battery cell (C1, Ci, Cn).

[0010] Beim Prinzip des resistiven Ladungszustandsausgleichs wird zum Beispiel, so wie es in Fig. 1 gezeigt wird, jeder Batteriezelle Ci ein steuerbarer Schalter Si zugeordnet. Im Stromkreis zwischen jeder Batteriezelle Ci und dem dieser zugeordneten Schalter Si sind weiterhin ohmsche Widerstände Ri eingebaut. Durch gezieltes Schliessen bestimmter Schalter Si können die diesen jeweils zugeordneten Batteriezellen Ci über die beteiligten Widerstände Ri gezielt entladen werden. Die Schalter (S1, Si, Sn) werden durch eine Steuereinheit betätigt.In the principle of resistive charge state compensation, for example, as shown in Fig. 1, each battery cell Ci is assigned a controllable switch Si. Ohmic resistors Ri are also installed in the circuit between each battery cell Ci and the switch Si assigned to it. By specifically closing certain switches Si, the battery cells Ci assigned to them can be specifically discharged via the resistors Ri involved. The switches (S1, Si, Sn) are operated by a control unit.

[0011] Nachteilig beim Durchführen eines resistiven Ladungszustandsausgleichs zwischen den Batteriezellen (C1, Ci, Cn) einer entsprechenden Batterie (20) ist, dass die Energiemenge, die den Batteriezellen (C1, Ci, Cn) zum Ladungszustandsausgleich entnommen wird, in den Widerständen (R1, Ri, Rn) nutzlos in Wärme umgesetzt wird. Damit wird der entsprechenden Batterie (20) elektrische Energie entzogen. Nachteilig dabei ist es auch, dass die in einer Ladungszustandsausgleichsschaltung anfallende Verlustwärme an die Umgebung abgeführt wird, wodurch sich die Temperatur dieser Ladungszustandsausgleichsschaltung gegenüber der Umgebung erhöht. Um diesen Temperaturanstieg auf zulässigeA disadvantage when performing a resistive charge state compensation between the battery cells (C1, Ci, Cn) of a corresponding battery (20) is that the amount of energy that is taken from the battery cells (C1, Ci, Cn) for charge state compensation in the resistors ( R1, Ri, Rn) is uselessly converted into heat. This removes electrical energy from the corresponding battery (20). It is also disadvantageous here that the heat loss occurring in a charge state compensation circuit is dissipated to the surroundings, as a result of which the temperature of this charge state compensation circuit increases compared to the surroundings. To allow this temperature rise to permissible

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Werte zu begrenzen, müssen technische Massnahmen zur Wärmeabfuhr oder sogar zur aktiven Kühlung der verwendeten Ladungszustandsausgleichsschaltungen ergriffen werden. Dadurch steigen der entsprechende konstruktive Aufwand und die diesbezüglichen Kosten. Nachteilig dabei ist es ferner, dass die mögliche Ladungszustandsausgleichsleistung stark von der Umgebungstemperatur der Ladungszustandsausgleichsschaltungen (Balancing-Elektronik) abhängig ist. Ausserdem ist es mittels des genannten resistiven Ladungszustandsausgleichs möglich, diejenigen Batteriezellen der Batteriezellen (C1, Ci, Cn), die einen zu hohen Ladungszustand aufweisen, zu entladen, nicht aber diejenigen Batteriezellen der Batteriezellen (C1, Ci, Cn), die einen zu niedrigem Ladungszustand aufweisen, gezielt aufzuladen. Das verringert die Flexibilität der Batteriesystemführung.To limit values, technical measures for heat dissipation or even for active cooling of the charge state compensation circuits used must be taken. This increases the corresponding design effort and the related costs. A further disadvantage is that the possible charge state compensation power is strongly dependent on the ambient temperature of the charge state compensation circuits (balancing electronics). In addition, by means of the resistive charge state compensation mentioned, it is possible to discharge those battery cells of the battery cells (C1, Ci, Cn) which have a charge state which is too high, but not those battery cells of the battery cells (C1, Ci, Cn) which are too low Have charge status, targeted charging. This reduces the flexibility of the battery system management.

[0012] Aus dem Stand der Technik sind weitere Ladungszustandsausgleichsschaltungen bekannt, die jeweils einen entsprechenden Ladungszustandsausgleich zwischen den Batteriezellen einer Batterie verlustarm durchführen können. Hier wird oft von einem «aktiven» Ladungszustandsausgleich («aktivem Balancing») gesprochen.[0012] Further state-of-charge compensation circuits are known from the prior art, each of which can carry out a corresponding state-of-charge compensation between the battery cells of a battery with little loss. This is often referred to as “active” charge state balancing (“active balancing”).

[0013] Bei einem aus dem Stand der Technik bekannten «aktiven» Ladungszustandsausgleich wird Energie von einer Batteriezelle eines Batteriezellstranges auf eine oder mehrere benachbarte Batteriezellen innerhalb dieses Batteriezellenstranges übertragen. Nachteilig dabei ist, dass der Energietransfer immer über mindestens eine benachbarte Batteriezelle der betroffenen Batteriezelle erfolgt. Um eine optimale Angleichung der Ladezustände zu erreichen, kann es nötig sein, die Energie- bzw. Ladungsmenge mehrmals, in mehreren nacheinander ausgeführten Schritten über mehrere benachbarten Batteriezelle der betroffenen Batteriezelle hinweg zu verschieben. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad dieser Art des Energietransfers.In an "active" state of charge compensation known from the prior art, energy is transferred from a battery cell of a battery cell string to one or more neighboring battery cells within this battery cell string. The disadvantage here is that the energy transfer always takes place via at least one adjacent battery cell of the battery cell concerned. In order to achieve an optimal adjustment of the charge states, it may be necessary to shift the amount of energy or charge several times, in several successive steps, over several neighboring battery cells of the battery cell concerned. This reduces the efficiency of this type of energy transfer.

[0014] Mittels eines weiteren aus dem Stand der Technik aus Dokument EP 2 787 594 (A2) bekannten «aktiven» Ladungszustandsausgleichs ist zwar ein Energieaustausch zwischen einer beliebigen Batteriezelle und dem Batteriezellstrang möglich. Zum Durchführen eines solchen Ladungszustandsausgleiches ist aber die Verwendung einer Vielzahl von schnelltaktenden Halbleiterschaltern und induktiven Übertragern notwendig, der die Realisierung eines solchen Ladungszustandsausgleichs verteuert.[0014] An energy exchange between any battery cell and the battery cell string is indeed possible by means of a further “active” charge state compensation known from the prior art from document EP 2 787 594 (A2). To carry out such a state-of-charge compensation, however, it is necessary to use a large number of fast-switching semiconductor switches and inductive transformers, which makes the implementation of such a state-of-charge compensation more expensive.

[0015] Aus den Dokumenten US 2013 015 820 (A1), EP 0 828 304 (A2) und DE10 2006 002 414 (A1) ist ein Batteriezellmodul mit nicht isolierten DC/DC-Wandlern und einer Schaltmatrix bekannt, bei welcher einer beliebigen Batteriezelle eine Ladungsmenge entnommen wird, um diese in einem zusätzlich dafür vorgesehenen kapazitiven Energiespeicher zwischen zu speichern und über einen unterschiedlichen Pfad in der Schaltmatrix einer anderen Batteriezelle zuzuführen. Nachteilig dabei ist, dass ein zusätzlicher Energiespeicher notwendig ist und die Schaltmatrix aus mindestens 2 Schaltern pro Batteriezeile besteht.From the documents US 2013 015 820 (A1), EP 0 828 304 (A2) and DE10 2006 002 414 (A1), a battery cell module with non-isolated DC / DC converters and a switching matrix is known, in which any battery cell a quantity of charge is removed in order to temporarily store it in an additional capacitive energy store provided for this purpose and to supply it to another battery cell via a different path in the switching matrix. The disadvantage here is that an additional energy store is necessary and the switching matrix consists of at least 2 switches per battery line.

[0016] Aus dem Dokument EP 2 385 605 (A2) ist ein Batteriezellmodul mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen bekannt, wobei dem Batte ri eze II pack ein gemeinsamer induktiver Energiespeicher zugeteilt ist, welcher über eine Schaltmatrix mit den gewünschten Batteriezeilen verbunden wird. Nachteilig dabei ist, dass die Verluste aufgrund der hohen Schaltfrequenz der Schalter der Schaltmatrix gross sind und eine leistungsfähige Treiberschaltung für die Schalter notwendig ist.From document EP 2 385 605 (A2), a battery cell module with several battery cells connected in series is known, the battery pack II being assigned a common inductive energy store, which is connected to the desired battery rows via a switching matrix. The disadvantage here is that the losses due to the high switching frequency of the switches of the switching matrix are large and an efficient driver circuit for the switches is necessary.

[0017] Aus dem Dokument US 2013 099 579 (A1) ist ein Batteriezellmodul mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen bekannt, wobei jeder Batteriezelle ein nicht isolierter DC/DC-Wandler zugeteilt ist. Nachteilig dabei ist, dass die Komplexität und Kosten aufgrund der Vielzahl schnell taktender DC/DC-Wandler hoch sind.A battery cell module with several battery cells connected in series is known from document US 2013 099 579 (A1), each battery cell being assigned an uninsulated DC / DC converter. The disadvantage here is that the complexity and costs are high due to the large number of fast-switching DC / DC converters.

[0018] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die elektronische Schaltung für den Ladezustandsausgleich einfacher und effizienter zu gestalten. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert.The object of the present invention is to make the electronic circuit for the state-of-charge compensation simpler and more efficient. The object is solved by the features of claims 1 and 9. Advantageous further developments result from the dependent patent claims. The invention is explained in more detail by means of exemplary embodiments which are shown in the drawings.

[0019] Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert:[0019] The invention is explained in more detail on the basis of several exemplary embodiments which are illustrated in the drawings:

Fig. 1 : Stand der Technik: Gesamtansicht Batteriezellmodul (10) mit Batteriezellpack (20) und passiver Balancingschaltung (30)1: State of the art: overall view of battery cell module (10) with battery cell pack (20) and passive balancing circuit (30)

Fig. 2: Gesamtansicht Batteriezellmodul (40) mit nicht isoliertem DC/DC-Wandler (70) und einer Schaltmatrix (60)2: Overall view of battery cell module (40) with non-isolated DC / DC converter (70) and a switching matrix (60)

Fig. 3: Gesamtansicht Batteriezellmodul (40) mit 2 nicht isolierten DC/DC-Wandlern (71,72) und einer zweifachen Schaltmatrix (60)3: Overall view of the battery cell module (40) with 2 non-isolated DC / DC converters (71, 72) and a double switching matrix (60)

Fig. 4: Gesamtansicht Batteriezellmodul (40) mit je einem Low-side (74) und High-side (73) nichtisolierten DC/DCWandler und einer Schaltmatrix (60)Fig. 4: Overall view of battery cell module (40), each with a low-side (74) and high-side (73) non-isolated DC / DC converter and a switching matrix (60)

Fig. 5: Gesamtansicht Batteriezellmodul (40) mit nicht isoliertem DC/DC-Wandler (75) mit variabler Eingangsspannung und einer erweiterten Schaltmatrix (60)5: Overall view of battery cell module (40) with non-isolated DC / DC converter (75) with variable input voltage and an extended switching matrix (60)

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Fig. 6: Gesamtansicht Batteriezellmodul mit nicht isoliertem DC/DC-Wandler (76) mit variabler Eingangsspannung und einer reduzierten Schaltmatrix (60) [0020] Fig. 2 zeigt die einfachste technische Implementierung der Erfindung. Das Balancing-Prinzip basiert auf dem selektiven Laden und Entladen einer wählbaren Anzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (C1, Ci, Cn). Ein nicht isolierter DC/DC-Wandler (70) arbeitet als Ladeeinheit, wenn er als Tiefsetzsteller (Buck Converter) die Ladung vom Batteriezellpack (50) auf die ausgewählten Zellen überträgt. Im Hochsetzstellerbetrieb arbeitet der DC/DC-Wandler (70) als Entladeeinheit (Boost Converter). Die Topologie verfügt über eine Schaltmatrix (60), um die zu ladenden oder entladenden Zellen mit dem DC/DC-Wandler (70) zu verbinden. Schaltmatrix (60) und DC/DC-Wandler (70) bilden die Ladungszustandsausgleichseinheit (80). Die entsprechenden Schalter der Schaltmatrix (60) müssen den Strom in beiden Richtungen blockieren können und werden vorteilsweise mit je 2 MOSFETs realisiert. Der resultierende Ausgleichsstrom pro Zelle ergibt sich durch Addition von Lade- und Entladestrom, welches dem Ausgangsstrom bzw. Eingangsstrom des DC/DC-Wandlers (70) entspricht. Der Ausgangsstrom bzw. Eingangsstrom wird im DC/DC-Wandler (70) gemessen und an die Mess- und Steuereinheit (MSU) (90) übermittelt. Batteriezeilen (C1, Ci, Cn), welche weder geladen noch entladen werden bzw. von einem Lade-und Entladestrom gleicher Grösse durchflossen werden, sind vom Ausgleichsprozess nicht betroffen.Fig. 6: Overall view of battery cell module with non-isolated DC / DC converter (76) with variable input voltage and a reduced switching matrix (60). Fig. 2 shows the simplest technical implementation of the invention. The balancing principle is based on the selective charging and discharging of a selectable number of battery cells connected in series (C1, Ci, Cn). A non-isolated DC / DC converter (70) works as a charging unit when it transfers the charge from the battery cell pack (50) to the selected cells as a buck converter. In step-up converter operation, the DC / DC converter (70) works as a discharge unit (boost converter). The topology has a switching matrix (60) to connect the cells to be charged or discharged to the DC / DC converter (70). Switching matrix (60) and DC / DC converter (70) form the charge state compensation unit (80). The corresponding switches of the switching matrix (60) must be able to block the current in both directions and are advantageously implemented with 2 MOSFETs each. The resulting compensation current per cell results from the addition of charge and discharge current, which corresponds to the output current or input current of the DC / DC converter (70). The output current or input current is measured in the DC / DC converter (70) and transmitted to the measuring and control unit (MSU) (90). Battery lines (C1, Ci, Cn), which are neither charged nor discharged or through which a charging and discharging current of the same size flows, are not affected by the equalization process.

[0021] Fig.3 zeigt eine Erweiterung der Schaltung aus Fig. 2 mit einem 2. DC/DC-Wandler (72). Vorteilhaft ist hierbei, dass durch den Einsatz eines weiteren DC/DC-Wandlers (72) mit denselben Betriebsarten Ladung und Entladung simultan erfolgen können, was zu einer Reduktion der Ladungsausgleichsdauer führt.3 shows an expansion of the circuit from FIG. 2 with a second DC / DC converter (72). It is advantageous here that the use of a further DC / DC converter (72) with the same operating modes enables charging and discharging to take place simultaneously, which leads to a reduction in the charge equalization period.

[0022] Fig. 4 eine Erweiterung der Schaltung aus Fig. 2 mit einem 2. DC/DC-Wandler (73), welcher im Gegensatz zum bestehenden DC/DC-Wandler (74) als gemeinsames Potential von Ein- und Ausgang die positive Batteriezellmodulspannung verwendet. Vorteilhaft ist hierbei, dass dadurch die max. Gesamtleistung der DC/DC-Wandler (73, 74) reduziert wird und damit der Gesamtwirkungsgrad steigt und die Baugrösse abnimmt.Fig. 4 an extension of the circuit of Fig. 2 with a 2nd DC / DC converter (73), which, in contrast to the existing DC / DC converter (74) as a common potential of input and output, the positive Battery cell module voltage used. It is advantageous that the max. Total power of the DC / DC converter (73, 74) is reduced and thus the overall efficiency increases and the size decreases.

[0023] Fig. 5 zeigt eine Erweiterung der Schaltung aus Fig. 2 mit einer erweiterten Schaltmatrix (60). Vorteilhaft ist hierbei, dass Entladung und Ladung in einem Durchgang stattfinden und das Übertragungsverhältnis des DC-Wandlers (75) in den meisten Betriebspunkten vorteilhaft bezüglich Wirkungsgrad ausfällt. Durch den Einsatz von Sw_An wird zusätzlich zu den neuen Funktionen der gesamte Funktionsumfang der Schaltung aus Fig. 2 sichergestellt.FIG. 5 shows an expansion of the circuit from FIG. 2 with an expanded switching matrix (60). It is advantageous here that discharge and charge take place in one pass and the transmission ratio of the DC converter (75) is advantageous in terms of efficiency in most operating points. By using Sw_An, the entire functional scope of the circuit from FIG. 2 is ensured in addition to the new functions.

[0024] Fig. 6 zeigt eine Erweiterung der Schaltung aus Fig. 2 und Fig. 5 mit einer angepassten Schaltmatrix (60). Vorteilhaft ist hierbei, dass die Anzahl Schalter und damit die Komplexität reduziert wird. Abhängig von der selektierten Batteriezelle (C1, Ci, Cn) arbeitet der DC/DC-Wandler (76) in Vor- oder Rückwärtsrichtung.6 shows an expansion of the circuit from FIGS. 2 and 5 with an adapted switching matrix (60). The advantage here is that the number of switches and thus the complexity is reduced. Depending on the selected battery cell (C1, Ci, Cn), the DC / DC converter (76) works in the forward or reverse direction.

Claims

claims

1. battery cell module (40) with a plurality of battery cells (C1, C2, Ci, Cn) and charge state compensation unit (80) connected in series, characterized in that they consist of at least one non-isolated DC / DC converter (70) for carrying out a charge state compensation between the battery cells (C1, C2, Ci, Cn) of the battery cell pack (50) and a slowly clocked switching matrix (60, switching frequency <1 Hz) to control the power flow. Technically, the DC / DC converter (70) is designed in such a way that it can convert voltage unidirectionally or bidirectionally, increase and decrease voltage and has no electrical insulation between input and output. By using at least one of these charge state compensation units (80) and actuation by means of a measuring and control unit (90), a corresponding amount of electrical energy is removed from the affected section of the battery cell module on a freely selectable battery cell level (Ci) and on a second, different cell level, which by one Loss share of reduced amount of energy, fed back to the corresponding section of the battery cell module.

2. Battery cell module (40) according to claim 1, wherein exactly 2 non-isolated DC / DC converters (71, 72) are used, one of them in buck converter operation and the other in boost converter operation. The charge state is compensated for by simultaneous operation of the two DC / DC converters (71, 72), which are electrically connected to different cell levels (Ci) by the switching matrix (60). The state of charge is changed in those battery cells through which only one of the two DC / DC converters flows.

3. Battery cell module (40) according to claim 1, wherein exactly 2 non-isolated DC / DC converters (73, 74) are used, one of which is technologically designed as a bidirectional high-side DC / DC converter (73), the other designed as a conventional bidirectional low-side DC / DC converter (74). The charge state is equalized by operating the two DC / DC converters (73, 74) in succession.

4. battery cell module (40) according to claim 1, wherein exactly 1 non-isolated bidirectional DC / DC converter (75) is used. The switching matrix (60) is designed such that the input of the DC / DC converter (75) can be connected to any cell level (C1 ... Cn), while the output can be connected to all cells except Cn (C1. ..C [n-1]).

5. battery cell module (40) according to claim 1, wherein exactly 1 non-isolated bidirectional DC / DC converter (76) is used. The switching matrix (60) is designed such that the input of the DC / DC converter (76) has a

CH 715 078 A2 bigen odd-numbered cell level (Ci) and additionally the top cell level (Cn) can be connected, while the output can be connected to any even-numbered cell level (Ci) and additionally the top cell level (Cn).

6. battery cell module (40) according to claim 5, wherein exactly 1 non-isolated bidirectional DC / DC converter (76) is used. The switching matrix (60) is designed such that the input of the DC / DC converter (76) can be connected to any even-numbered cell level (Ci) and additionally to the topmost cell level (Cn), while the output can be connected to any odd-numbered cell level (Ci Ci) and additionally the top cell level (Cn) can be connected.

7. battery cell module (40) according to claim 1 to 7, wherein instead of one battery cell (C1, Ci, Cn) a plurality of individual battery cells are used as a parallel connection.

8. battery cell module (40) according to claim 1 to 7, wherein a plurality of charge state compensation units (80) are used in parallel.

9. A method for carrying out a state of charge compensation between battery cells of a battery cell module (40) connected in series, characterized in that in phase 1 of the state of charge compensation a non-isolated bidirectional DC / DC converter (70) is a contiguous part of the battery cell module that starts from the negative battery pole (C1 to Ci) takes charge and feeds it into the entire battery cell pack (50). In phase 2 of the state-of-charge compensation, the DC / DC converter (70) feeds the charge from the entire battery cell pack (50) into a coherent part of the battery cell pack (50) (C1 to Cj) that differs from phase 1 and starts from the negative battery pole. The currents that add up in time in each battery cell result in the resulting compensating currents.

10. The method according to claim 9, wherein phase 1 and phase 2 take place simultaneously due to the presence of two non-isolated DC / DC converters (71, 72).

CH 715 078 A2

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