DE102008060936A1 - Battery unit i.e. lithium ion battery unit, operating device for e.g. electric vehicle, has switch elements assigned to battery modules of battery unit for balancing different charging conditions of battery modules - Google Patents

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Abstract

The device has switch elements (5-7) e.g. relays, assigned to battery modules (2-4) of a battery unit (1) for balancing different charging conditions of the modules, which are electrically connected with each other in parallel to form a parallel circuit. The modules include multiple battery cells arranged in series relative to each other. An operating condition of the battery unit and the charging condition of each module are determined. One of the modules with a high charging condition is transiently separated from the circuit for balancing in a charging condition of the battery unit. An independent claim is also included for a method for operating a battery unit including battery modules for a motor vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Batterieeinheit eines Kraftfahrzeugs, bei dem die Batterieeinheit mehrere elektrisch parallel zu einem Parallelkreis schaltbare Batteriemodule umfasst, wobei den Batteriemodulen Mittel zur Erfassung ihrer Ladezustände zugeordnet sind gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung zwei unterschiedliche Verfahren zum Betreiben einer mehrere Batteriemodule aufweisenden Batterieeinheit eines Kraftfahrzeugs gemäß den Patentansprüchen 6 und 8.The The invention relates to a device for operating a battery unit a motor vehicle, wherein the battery unit more electrically comprises switchable battery modules parallel to a parallel circuit, wherein the battery modules means for detecting their charge states are assigned according to the preamble of the claim 1. Furthermore, the invention relates to two different methods for operating a battery unit having a plurality of battery modules a motor vehicle according to the claims 6 and 8.

Die zunehmende Verknappung der Ölvorkommen und die damit einhergehende Verteuerung der Kraftstoffpreise erfordern einen sparsamen Umgang mit fossilen Brennstoffen. Ferner wird die Reduktion der aus der Verbrennung resultierenden CO2-Emissionen immer wichtiger für den Klimaschutz. Fahrzeuge mit alternativen elektrischen Antrieben, wie beispielsweise Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder Brennstoffzellenfahrzeuge sind eine geeignete Wahl zur Reduktion des Verbrauchs an fossilen Brennstoffen und der CO2-Emissionen. Um ausreichend Energie für elektrische Antriebe bereit zu stellen, bedarf es einer Batterieeinheit. Die Batterieeinheit kann dabei mehrere Batteriemodule aufweisen, wobei jedes Batteriemodul mehrere Batteriezellen umfassen kann.The increasing scarcity of oil reserves and the associated increase in fuel prices require a sparing use of fossil fuels. Furthermore, the reduction of CO 2 emissions resulting from combustion is becoming increasingly important for climate protection. Vehicles with alternative electric drives, such as electric vehicles, hybrid vehicles or fuel cell vehicles are a suitable choice for reducing the consumption of fossil fuels and CO 2 emissions. In order to provide sufficient energy for electric drives, it requires a battery unit. The battery unit may have a plurality of battery modules, wherein each battery module may include a plurality of battery cells.

Aus der US 7 019 488 B2 ist es bekannt, mehrere Batteriemodule einer Batterieeinheit parallel zueinander zu verschalten, wobei jedes Batteriemodul eine separate Steuereinheit und ein separates Kühlgebläse umfasst. Die separate Steuereinheit ist mit einer zentralen Steuereinheit verbunden. Darüber hinaus weisen die Batteriemodule Sensoren zur Strom-, Spannungs-, und Temperaturmessung auf.From the US Pat. No. 7,019,488 B2 It is known to connect a plurality of battery modules of a battery unit parallel to each other, wherein each battery module comprises a separate control unit and a separate cooling fan. The separate control unit is connected to a central control unit. In addition, the battery modules have sensors for measuring current, voltage, and temperature.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, die Betriebsstrategie der Batterieeinheit hinsichtlich des Lade- und Entladeverhaltens zu verbessern.It The object of the invention is to provide a solution which it allows the operating strategy of the battery unit in terms of charging and discharging behavior.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des Patentanspruchs 6 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.The The object is achieved by a device with the features of claim 1 and by a method with the method steps of claim 6 and by a method solved with the features of claim 8. advantageous Further developments emerge from the dependent claims.

Dadurch, dass wenigstens einem der Batteriemodule ein Mittel zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule zugeordnet ist, kann ein Ladungsausgleich der Batteriemodule erreicht werden und ein verlustbehaftetes Umladen durch unerwünschte Ausgleichsströme unter den parallel geschalteten Batteriemodulen reduziert werden. Das Mittel zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule kann beispielsweise als Schaltelement, als wenigstens ein parallelschaltbarer Symmetrierwiderstand oder als ein oder mehrere aktive Ladungspumpe(n) ausgestaltet sein.Thereby, that at least one of the battery modules is a means for compensation is associated with the different states of charge of the battery modules, a charge balance of the battery modules can be achieved and a lossy transfer by unwanted balancing currents be reduced below the parallel battery modules. The means to compensate for the different states of charge the battery modules can, for example, as a switching element, as at least a parallel switchable balancing resistor or as one or more active charge pump (s) be configured.

Bevorzugt ist das Mittel zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule als Schalter, insbesondere als Relais oder als Halbleiterschalter ausgebildet. Somit kann ein Ladeausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule auf einfache Weise, das heißt durch Öffnen und Schließen eines Schaltelements realisiert werden. Weitere Bauteile wie beispielsweise Symmetrierwiderstände sind nicht erforderlich, was den Aufwand und das Ausfallpotential verringert.Prefers is the means to compensate for the different states of charge the battery modules as a switch, in particular as a relay or as Semiconductor switch formed. Thus, a charge balance of different states of charge of the battery modules to simple Way, that is by opening and closing a switching element can be realized. Other components such as Balancing resistors are not required, which is the expense and reduces the failure potential.

Weiterhin vorteilhaft kann das Mittel zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule in das jeweilige Batteriemodul integriert werden, was hinsichtlich des Volumens und der elektromagnetischen Verträglichkeit Vorteile bietet. Ferner kann das Batteriemodul zusammen mit dem Schaltelement zur Instandhaltung als Block demontiert werden.Farther Advantageously, the means for balancing the different Charging states of the battery modules in the respective battery module be integrated in terms of volume and electromagnetic Compatibility offers advantages. Furthermore, the battery module disassembled together with the switching element for maintenance as a block become.

Vorzugsweise wird eine Lithium-Ionen-Batterie als Batteriemodul eingesetzt, da die Spannungsdifferenz zwischen geladenem und entladenem Batteriemodul weitaus geringer ist als bei anderen elektrochemischen Energiespeichern, wie beispielsweise Blei-Säure-Batterien. Das führt dazu, dass unerwünschte Ausgleichsströme zwischen dem geladenen und dem entladenem Batteriemodul in geringerem Maße auftreten. Alternativ kann auch eine Nickel-Metall-Hydrid-Batterie als Batteriemodul eingesetzt werden. Dem Stand der Technik nach hat die Nickel-Metall-Hydrid-Batterie gegenüber der Lithium-Ionen-Batterie den Vorteil der niedrigeren Kosten.Preferably is a lithium-ion battery used as a battery module, since the voltage difference between charged and discharged battery module is much lower than other electrochemical energy storage devices, such as lead-acid batteries. Leading to prevent unwanted balancing currents between the charged and discharged battery module to a lesser extent occur. Alternatively, a nickel-metal hydride battery be used as a battery module. The state of the art has the nickel-metal hydride battery opposite the lithium-ion battery the advantage of lower costs.

Besonders bevorzugt weist jedes Batteriemodul eine eigene Steuereinheit auf, welche als Batteriemanagementsystem ausgebildet sein kann. Das Batteriemanagementsystem kann dabei beispielsweise über ein Bussystem, wie beispielsweise über einen CAN-Bus mit einer übergeordneten zentralen Steuereinheit verbunden sein.Especially each battery module preferably has its own control unit, which can be designed as a battery management system. The battery management system can, for example, via a bus system, such as over a CAN bus with a higher-level central control unit be connected.

In den erfindungsgemäßen Verfahren werden der aktuelle Betriebszustand der Batterieeinheit und der aktuelle Ladezustand jedes einzelnen Batteriemoduls ermittelt, was für den nachfolgenden Verfahrensschritt unbedingt erforderlich ist.In the inventive method, the current Operating status of the battery unit and the current state of charge Each individual battery module determines what the following Step is absolutely necessary.

Die beiden Betriebszustände – Laden und Entladen – sind für die erfindungsgemäßen Verfahren von besonderer Bedeutung, welche nachfolgend erläutert werden. Die Betriebszustände können beispielsweise durch die Bestimmung der Stromrichtung des Batteriestroms ermittelt werden. Der aktuelle Ladezustand kann beispielsweise durch Messung von Parametern, wie Spannung, Stromfluss und Temperatur bestimmt werden. Die Parameter können von dem jeweiligen Batteriemanagementsystem erfasst werden und an die übergeordnete zentrale Steuereinheit über das Bussystem übermittelt werden.The two operating states - charging and discharging - are of particular importance for the methods according to the invention, which are explained below. The operating states can be determined, for example, by determining the current direction of the battery current can be determined. The current state of charge can be determined, for example, by measuring parameters such as voltage, current flow and temperature. The parameters can be detected by the respective battery management system and transmitted to the higher-level central control unit via the bus system.

Der erste Betriebszustand und das erste erfindungsgemäße Verfahren werden als „Laden” bezeichnet. In dem ersten Betriebszustand wird die Batterieeinheit geladen. Das Laden der Batterieeinheit kann beispielsweise über eine Ladeeinrichtung erfolgen. Es kann auch ein elektrischer Antriebsmotor, welcher mit der Batterieeinheit über entsprechende Stromrichter verbunden sein kann, generatorisch betrieben werden, um elektrische Energie in die Batterieeinheit zurückzuspeisen.Of the first operating state and the first invention Procedures are referred to as "loading." By doing first operating state, the battery unit is charged. The loading the battery unit can for example via a charging device respectively. It can also be an electric drive motor, which with the battery unit connected via respective power converters can be operated as a generator to generate electrical energy fed back into the battery unit.

Der zweite Betriebszustand und das zweite erfindungsgemäße Verfahren werden als „Entladen” bezeichnet. In dem zweiten Betriebszustand wird elektrische Energie aus der Batterieeinheit entnommen, um beispielsweise den elektrischen Antriebsmotor eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zu speisen. Somit werden in diesem Betriebszustand Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.Of the second operating state and the second invention Procedures are called "unloading". In the second operating state becomes electrical energy from the battery unit taken, for example, the electric drive motor of a Electric or hybrid vehicle to feed. Thus, in this Operating state Consumers supplied with electrical energy.

Der aktuelle Ladezustand jedes einzelnen Batteriemoduls muss in beiden Betriebszuständen erfasst werden, um festzustellen, ob die Batteriemodule unterschiedliche Ladezustände aufweisen. Ferner ist es für den nachfolgenden Verfahrensschritt des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich, das Batteriemodul mit dem höchsten Ladezustand zu bestimmen. Für das zweite erfindungsgemäße Verfahren muss das Batteriemodul mit dem niedrigsten Ladezustand ermittelt werden.Of the current state of charge of each battery module must be in both Operating conditions are recorded to determine whether the battery modules have different states of charge. Furthermore, it is for the subsequent process step of first method according to the invention required to determine the battery module with the highest state of charge. For the second method according to the invention the battery module with the lowest charge state must be determined become.

Das erste erfindungsgemäße Verfahren sieht für den Betriebszustand Laden vor, dass zumindest das Batteriemodul mit dem höchsten Ladezustand zum Erreichen eines Ausgleichs der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule vom Parallelkreis getrennt wird. Vorzugsweise wird wenigstens das Batteriemodul mit dem höchsten Ladezustand kurzfristig aus dem Parallelkreis getrennt. Nach erfolgtem Ladungsausgleich kann zumindest das Batteriemodul mit dem höchsten Ladezustand dem Parallelkreis wieder zugeschaltet werden. In vorteilhafter Weise kann jeweils das Batteriemodul mit dem höchsten Ladezustand dem Parallelkreis ab- und zugeschaltet werden, so dass sich ein ausgeglichener Ladezustand unter den Batteriemodulen einstellt.The first inventive method looks for the operating state before charging that at least the battery module with the highest state of charge to achieve equalization the different states of charge of the battery modules from Parallel circuit is disconnected. Preferably, at least the battery module with the highest state of charge at short notice from the parallel circuit separated. After charge equalization can at least the battery module with the highest state of charge connected to the parallel circuit again become. Advantageously, each of the battery module with the highest state of charge the parallel circuit off and switched on be, so that a balanced state of charge under the battery modules established.

In einer Weiterbildung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Differenzen der Ladezustände aller Batteriemodule untereinander ermittelt. Die jeweiligen Differenzen werden mit einem vorgegebenen Toleranzband verglichen. Für den Fall, dass zumindest eine Differenz außerhalb des Toleranzbandes liegt wird zumindest das Batteriemodul mit dem höchsten Ladezustand zumindest zeitweise vom Parallelkreis getrennt. Wenn beispielsweise der Ladezustand des Batteriemoduls mit dem höchsten Ladezustand den oberen Grenzwert überschreitet, kann vorgesehen sein, dass das Batteriemodul mit dem höchsten Ladezustand solange vom Parallelkreis getrennt wird, bis der Ladezustand des Batteriemoduls mit dem höchsten Ladezustand den oberen Grenzwert unterschritten hat oder ein unterer Grenzwert des Toleranzbandes erreicht wird.In a development of the first invention Procedure will be the differences of the states of charge of all Battery modules determined among each other. The respective differences are compared with a given tolerance band. For the case that at least one difference outside the tolerance band is at least the battery module with the highest Charge state at least temporarily separated from the parallel circuit. If For example, the state of charge of the battery module with the highest Charging state exceeds the upper limit can be provided be that the battery module with the highest state of charge as long as the parallel circuit is disconnected until the state of charge of the Battery module with the highest state of charge the upper one Limit has fallen below or a lower limit of the tolerance band is reached.

Das zweite erfindungsgemäße Verfahren sieht für den Betriebszustand Entladen vor, dass zumindest das Batteriemodul mit dem niedrigsten Ladezustand zum Erreichen eines Ausgleichs der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule vom Parallelkreis getrennt wird. Nach erfolgtem Ladungsausgleich kann zumindest das Batteriemodul mit dem niedrigsten Ladezustand dem Parallelkreis wieder zugeschaltet werden. In vorteilhafter Weise kann jeweils das Batteriemodul mit dem niedrigsten Ladezustand dem Parallelkreis ab- und zugeschaltet werden, so dass sich ein ausgeglichener Ladezustand unter den Batteriemodulen einstellt.The second inventive method looks for the operating state discharging before that at least the battery module with the lowest state of charge to achieve equalization different states of charge of the battery modules from the parallel circuit is disconnected. After charge equalization can at least the Battery module with the lowest state of charge the parallel circuit again be switched on. Advantageously, each of the battery module with the lowest charge state switched off and on the parallel circuit, so that a balanced state of charge under the battery modules established.

Bevorzugt kann das zweite erfindungsgemäße Verfahren vorsehen, dass die Differenzen der Ladezustände der Batteriemodule untereinander ermittelt werden und mit einem Toleranzband verglichen werden. Für den Fall, dass zumindest eine Differenz außerhalb des Toleranzbandes liegt, wird zumindest das Batteriemodul mit dem niedrigsten Ladezustand zumindest zeitweilig vom Parallelkreis getrennt. Dadurch werden nur die anderen Batteriemodule entladen. Wenn beispielsweise der Ladezustand des Batteriemoduls mit dem niedrigsten Ladezustand den unteren Grenzwert des Toleranzbandes unterschritten hat, kann das Batteriemodul mit dem niedrigsten Ladezustand solange vom Parallelkreis getrennt werden, bis sich der Laderzustand des Batteriemoduls mit dem niedrigsten Ladezustand über den unteren Grenzwert bewegt oder vorzugsweise sein Ladezustand den oberen Grenzwert des Toleranzbandes erreicht.Prefers may provide the second method of the invention, that the differences of the charge states of the battery modules be determined among each other and compared with a tolerance band. In the event that at least one difference outside is the tolerance band, at least the battery module with the lowest state of charge, at least temporarily separated from the parallel circuit. As a result, only the other battery modules are discharged. If, for example the state of charge of the battery module with the lowest charge state the lower limit of the tolerance band has fallen below, can the battery module with the lowest charge state as long as the parallel circuit be disconnected until the state of charge of the battery module with the lowest charge level above the lower limit or preferably its state of charge exceeds the upper limit of the Tolerance band achieved.

In vorteilhafter Weise sollte der erste und der zweite Grenzweite in beiden erfindungsgemäßen Verfahren so gewählt werden, dass ein gleichmäßiges Laden beziehungsweise Entladen aller Batteriemodule gewährleistet ist und Spannungsdifferenzen unter den Batteriemodulen minimiert werden. Der Ausgleich der Ladezustände der Batteriemodule wird in Abhängigkeit der Grenzwerte relativ schnell beendet und es sind somit keine Einschränkungen hinsichtlich des Fahrverhaltens und der Leistungsfähigkeit des Antriebssystems zu erwarten.In Advantageously, the first and the second boundary should be in chosen so two methods of the invention be that uniform loading respectively Discharging all battery modules is guaranteed and voltage differences be minimized under the battery modules. Balancing the charge states the battery module becomes dependent on the limits finished relatively quickly and there are thus no restrictions on the driving behavior and performance of the drive system expected.

Bevorzugt ist das Kraftfahrzeug ein Hybridfahrzeug. Dabei kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise mit einem Verbrennungsmotor oder einem Brennstoffzellensystem kombiniert werden. Durch die Synthese zweier unterschiedlicher Antriebssysteme können deren Vorteile gleichzeitig genutzt werden, was beispielsweise zu einer Effizienzsteigerung oder zu einer Senkung des Verbrauchs an Betriebsmitteln beiträgt.Preferably, the motor vehicle is a hybrid vehicle. In this case, the device according to the invention can be combined, for example, with an internal combustion engine or a fuel cell system. Through the synthesis of two different drive systems, their advantages can be used simultaneously, which contributes, for example, to an increase in efficiency or to a reduction in the consumption of operating resources.

Besonders bevorzugt ist das Kraftfahrzeug ein Elektrofahrzeug. Dadurch, dass mehrere Batteriemodule parallel zueinander schaltbar sind, können die Batterieleistungen der einzelnen Batteriemodule addiert werden und es steht dem Fahrzeug eine höhere Gesamtantriebsleistung zur Verfügung. Es lassen sich somit hohe Reichweiten und gute Fahrleistungen erzielen.Especially Preferably, the motor vehicle is an electric vehicle. As a result of that several battery modules are parallel to each other switchable, the Battery power of the individual battery modules can be added and it gives the vehicle a higher total drive power to disposal. It can be thus high ranges and achieve good driving performance.

Die Batterieeinheit ist vorzugsweise eine Hochvoltbatterie, wobei jedes Batteriemodul mehrere Batteriezellen aufweist, welche bevorzugt in Reihe geschaltet sind, um die erforderliche Gesamtspannung zu realisieren. Alternativ kann jedes Batteriemodul auch mehrere Batteriezellen aufweisen, welche in Reihe und parallel zueinander geschaltet sind.The Battery unit is preferably a high-voltage battery, each Battery module has a plurality of battery cells, which are preferred are connected in series to the required total voltage realize. Alternatively, each battery module can also have several battery cells have, which are connected in series and parallel to each other.

Weitere vorteilhafte Ausführungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand der Figur in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert.Further advantageous embodiments and embodiments of the invention arise from the remaining subclaims and will with reference to the figure in the following embodiments by way of example explained.

Dabei zeigt 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben einer Batterieeinheit eines Kraftfahrzeugs.It shows 1 an inventive device for operating a battery unit of a motor vehicle.

1 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben einer Batterieeinheit 1 eines Kraftfahrzeugs. Die Batterieeinheit 1 weist drei Batteriemodule 2, 3, 4 auf, welche elektrisch parallel zu einem nicht näher bezeichneten Parallelkreis schaltbar sind. Der Parallelkreis ist mit einem elektrischen Antriebssystem 8, welches einen elektrischen Antriebsmotor und eine Leistungselektronik umfassen kann, elektrisch leitend verbindbar. Dem ersten Batteriemodul 2 ist ein erstes Mittel 5 zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule 2, 3, 4 zugeordnet. Dem zweiten Batteriemodul 3 ist ein zweites Mittel 6 zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule 2, 3, 4 zugeordnet und dem dritten Batteriemodul 4 ist ein drittes Mittel 7 zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule 2, 3, 4 zugeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die drei Mittel 5, 6, 7 zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule 2, 3, 4 als jeweils ein Schaltelement ausgebildet. Das Schaltelement, welches dem ersten Batteriemodul 2 zugeordnet ist, wird im nachfolgenden vereinfacht als erstes Schaltelement 5 bezeichnet. Das Schaltelement, welches dem zweiten Batteriemodul 3 zugeordnet ist, wird im folgenden vereinfacht als zweites Schalelement 6 benannt und das Schaltelement, welches dem dritten Batteriemodul 4 zugeordnet ist, wird im nachfolgenden vereinfacht als drittes Schaltelement 7 definiert. 1 is a block diagram of a device according to the invention for operating a battery unit 1 of a motor vehicle. The battery unit 1 has three battery modules 2 . 3 . 4 on which are electrically connected in parallel to a parallel circuit unspecified. The parallel circuit is with an electric drive system 8th , which may comprise an electric drive motor and power electronics, electrically conductively connected. The first battery module 2 is a first resource 5 to compensate for the different states of charge of the battery modules 2 . 3 . 4 assigned. The second battery module 3 is a second means 6 to compensate for the different states of charge of the battery modules 2 . 3 . 4 assigned and the third battery module 4 is a third remedy 7 to compensate for the different states of charge of the battery modules 2 . 3 . 4 assigned. In this embodiment, the three means 5 . 6 . 7 to compensate for the different states of charge of the battery modules 2 . 3 . 4 each formed as a switching element. The switching element, which is the first battery module 2 is assigned, is simplified in the following as the first switching element 5 designated. The switching element which the second battery module 3 is assigned, is simplified in the following as the second formwork element 6 named and the switching element, which the third battery module 4 is assigned, is simplified in the following as the third switching element 7 Are defined.

Jedes Batteriemodul weist eine separate Steuereinheit auf, welche als Batteriemanagementsystem BMS ausgebildet ist. Die einzelnen Batteriemanagementsysteme BMS sind über ein Bus-System mit einer übergeordneten zentralen Steuereinheit 9 verbunden. Die übergeordnete zentrale Steuereinheit 9 regelt die Ladezustände der Batteriemodule 2, 3, 4 in einem vorzugsweise engen Toleranzband durch Ansteuerung der Schaltelemente 5, 6, 7 in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Batterieeinheit 1, von Ladezuständen der Batteriemodule 2, 3, 4 und von einem oberen und unterem Grenzwert des Toleranzbandes. Die Toleranzbandbreite ist abhängig von der eingesetzten Technologie.Each battery module has a separate control unit, which is designed as a battery management system BMS. The individual BMS battery management systems are via a bus system with a higher-level central control unit 9 connected. The higher-level central control unit 9 regulates the charge states of the battery modules 2 . 3 . 4 in a preferably narrow tolerance band by controlling the switching elements 5 . 6 . 7 depending on the operating status of the battery unit 1 , of charge states of the battery modules 2 . 3 . 4 and from an upper and lower limit of the tolerance band. The tolerance range depends on the technology used.

Solange die Ladezustände aller Batteriemodule 2, 3, 4 annähernd ausgeglichen sind und die Differenzen der Ladezustände der Batteriemodule 2, 3, 4 sich innerhalb des vorgegebenen Toleranzbandes befinden, werden alle Batteriemodule 2, 3, 4 parallel zueinander geschaltet, wobei in diesem Zustand alle Schaltelemente 5, 6, 7 geschlossen sind. Liegt zumindest die Differenz zwischen dem Batteriemodul mit dem höchsten Ladezustand und dem Batteriemodul mit dem niedrigsten Ladezustand außerhalb des vorgegebenen Toleranzbandes, so können die Unterschiede in den Ladezuständen der Batteriemodule 2, 3, 4 durch Anwendung zweier erfindungsgemäßen Verfahren weitestgehend ausgeglichen werden.As long as the charge states of all battery modules 2 . 3 . 4 are approximately balanced and the differences in the charge states of the battery modules 2 . 3 . 4 are within the specified tolerance band, all battery modules 2 . 3 . 4 connected in parallel with each other, in which state all switching elements 5 . 6 . 7 are closed. If at least the difference between the battery module with the highest state of charge and the battery module with the lowest state of charge outside the predetermined tolerance band, so can the differences in the charge states of the battery modules 2 . 3 . 4 be largely compensated by using two methods according to the invention.

In den erfindungsgemäßen Verfahren werden periodisch der aktuelle Betriebszustand der Batterieeinheit 1 und der Ladezustand der drei Batteriemodule 2, 3, 4 durch die zentrale übergeordnete Steuereinheit 9 erfasst. Ferner werden die Differenzen der Ladezustände der Batteriemodule 2, 3, 4 ermittelt und mit einem Toleranzband verglichen.In the method according to the invention, the current operating state of the battery unit is periodically 1 and the state of charge of the three battery modules 2 . 3 . 4 through the central higher-level control unit 9 detected. Further, the differences of the states of charge of the battery modules become 2 . 3 . 4 determined and compared with a tolerance band.

Der erste Betriebszustand und das erste erfindungsgemäße Verfahren werden als Laden beziehungsweise Rückspeisen bezeichnet. In dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst der Betriebszustand der Batterieeinheit 1 ermittelt, um festzustellen, ob die Batterieeinheit 1 geladen wird. Ist dies der Fall, so werden die Differenzen der Ladezustände aller Batteriemodule 2, 3, 4 ermittelt, um zu prüfen, ob die Batteriemodule 2, 3, 4 unterschiedliche Ladezustände aufweisen, und um die Differenzen der Ladezustände der Batteriemodule 2, 3, 4 mit einem Toleranzband zu vergleichen. Zum Beispiel weist das erste Batteriemodul 2 einen höchsten Ladezustand auf, das zweite Batteriemodul 3 einen mittleren Ladezustand und das dritte Batteriemodul 4 einen niedrigsten Ladezustand auf. Liegt zumindest die Differenz zwischen dem Batteriemodul 2 mit dem höchsten Ladezustand und dem Batteriemodul 4 mit dem niedrigsten Ladezustand außerhalb des Toleranzbandes, so wird das Batteriemodul 2 mit dem höchsten Ladezustand kurzfristig durch Öffnen des ersten Schaltelements 5 zumindest zeitweise vom Parallelkreis getrennt, wobei das zweite 6 und das dritte Schaltelement 7 zu diesem Zeitpunkt geschlossen sind. Zum Beispiel liegt vor dem Ladungsausgleich der Ladezustand des Batteriemoduls 4 mit dem niedrigsten Ladezustand auf der unteren Grenze des Toleranzbandes, der Ladezustand des Batteriemoduls 3 mit dem mittleren Ladezustand innerhalb des Toleranzbands und der Ladezustands des Batteriemoduls 2 mit dem höchsten Ladezustand oberhalb der oberen Grenze des Toleranzbandes. Zum Ladungsausgleich wird dann das Batteriemodul 2 mit dem höchsten Ladezustand kurzfristig aus dem Parallelkreis getrennt und diesem eine gewisse Ladungsmenge vorenthalten, während die anderen Batteriemodule 3, 4 geladen werden. Dadurch unterschreitet der Ladezustand des Batteriemoduls 2 mit dem höchsten Ladezustand die obere Grenze des Toleranzbandes. Es kann vorgesehen sein, dass das Batteriemodul 2 mit dem höchsten Ladezustand bei Unterschreiten des oberen Grenzwertes des Toleranzbandes dem Parallelkreis wieder zugeschaltet wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Batteriemodul 2 mit dem höchsten Ladezustand solange vom Parallelkreis getrennt bleibt, bis der Ladezustand des Batteriemoduls 2 mit dem höchsten Ladezustand die untere Grenze des Toleranzbandes erreicht und dem Parallelkreis erst dann wieder zugeschaltet wird.The first operating state and the first method according to the invention are referred to as recharging. In the first method according to the invention, first the operating state of the battery unit is determined 1 determined to determine if the battery unit 1 is loaded. If this is the case, then the differences of the charge states of all battery modules 2 . 3 . 4 determined to check if the battery modules 2 . 3 . 4 have different states of charge, and the differences in the states of charge of the battery modules 2 . 3 . 4 to compare with a tolerance band. For example, the first battery module 2 a highest state of charge, the second battery module 3 a middle drawer condition and the third battery module 4 a lowest charge state. Is at least the difference between the battery module 2 with the highest state of charge and the battery module 4 with the lowest state of charge outside the tolerance band, so does the battery module 2 with the highest state of charge in the short term by opening the first switching element 5 at least temporarily separated from the parallel circuit, the second 6 and the third switching element 7 closed at this time. For example, before the charge balance, the state of charge of the battery module 4 with the lowest state of charge on the lower limit of the tolerance band, the state of charge of the battery module 3 with the mean state of charge within the tolerance band and the state of charge of the battery module 2 with the highest state of charge above the upper limit of the tolerance band. For charge balance then the battery module 2 with the highest state of charge briefly disconnected from the parallel circuit and this withheld a certain amount of charge, while the other battery modules 3 . 4 getting charged. As a result, the charge state of the battery module is below 2 with the highest state of charge, the upper limit of the tolerance band. It can be provided that the battery module 2 is switched back to the parallel circuit with the highest state of charge when falling below the upper limit of the tolerance band. Alternatively it can be provided that the battery module 2 with the highest state of charge remains disconnected from the parallel circuit until the state of charge of the battery module 2 reached with the highest state of charge, the lower limit of the tolerance band and the parallel circuit is then switched on again.

Das zweite erfindungsgemäße Verfahren wird als Entladen beziehungsweise Fahren bezeichnet. Auch in dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst der Betriebszustand der Batterieeinheit 1 ermittelt, um festzustellen, ob die Batterieeinheit 1 entladen wird, und um die Differenzen der Ladezustände mit dem Toleranzband zu vergleichen. Beispielsweise weist das erste Batteriemodul 2 den niedrigsten Ladezustand auf, das zweite Batteriemodul 3 den mittleren Ladezustand und das dritte Batteriemodul 4 den höchsten Ladezustand auf. Wenn zumindest die Differenz zwischen dem Batteriemodul 4 mit dem höchsten Ladezustand und dem Batteriemodul 2 mit dem niedrigsten Ladezustand innerhalb des Toleranzbandes liegt, sind alle Schaltelemente geschlossen und die Batteriemodule 2, 3, 4 sind parallel zueinander geschaltet. Liegt wenigstens die Differenz zwischen dem Batteriemodul 4 mit dem höchsten Ladezustand und dem Batteriemodul 2 mit dem niedrigsten Ladezustand außerhalb des Toleranzbandes, wird das Batteriemodul 2 mit dem niedrigsten Ladezustand kurzfristig durch Öffnen des ersten Schaltelements 5 zumindest zeitweise vom Parallelkreis getrennt, wobei das zweite 6 und dritte 7 Schaltelement zu diesem Zeitpunkt geschlossen sind. Wenn beispielsweise der Ladezustand des Batteriemoduls 4 mit dem höchsten Ladezustand auf der oberen Grenze des Toleranzbandes liegt, der Ladezustand des Batteriemoduls 3 mit dem mittleren Ladezustand innerhalb des Toleranzbandes liegt und der Ladezustand des Batteriemoduls 2 mit dem niedrigsten Ladezustand unterhalb der unteren Grenze des Toleranzbandes liegt, so wird das Batteriemodul 2 mit dem niedrigsten Ladezustand kurzfristig durch Öffnen des ersten Schaltelements 5 zumindest zeitweise vom Parallelkreis getrennt, während die anderen Batteriemodule 3, 4 entladen werden. Dadurch bewegt sich der Ladezustand des Batteriemoduls 2 mit dem niedrigsten Ladezustand in das Toleranzband zurück und das Batteriemodul 2 mit dem niedrigsten Ladezustand kann dem Parallelkreis durch Schließen des ersten Schaltelements 5 wieder zugeschaltet werden. Bevorzugt wird das Batteriemodul 2 mit dem niedrigsten Ladezustand dem Parallelkreis erst wieder zugeschaltet, wenn sein Ladezustand den oberen Grenzwert des Toleranzbandes erreicht.The second method according to the invention is referred to as unloading or driving. Also in the second method according to the invention, the operating state of the battery unit is initially 1 determined to determine if the battery unit 1 is discharged, and to compare the differences of the charge states with the tolerance band. For example, the first battery module 2 the lowest state of charge, the second battery module 3 the average state of charge and the third battery module 4 the highest state of charge. If at least the difference between the battery module 4 with the highest state of charge and the battery module 2 with the lowest state of charge within the tolerance band, all the switching elements are closed and the battery modules 2 . 3 . 4 are connected in parallel. Is at least the difference between the battery module 4 with the highest state of charge and the battery module 2 with the lowest state of charge outside the tolerance band, the battery module becomes 2 with the lowest state of charge in the short term by opening the first switching element 5 at least temporarily separated from the parallel circuit, the second 6 and third 7 Switching element are closed at this time. For example, if the state of charge of the battery module 4 with the highest state of charge on the upper limit of the tolerance band, the state of charge of the battery module 3 with the mean state of charge within the tolerance band and the state of charge of the battery module 2 with the lowest state of charge below the lower limit of the tolerance band, the battery module becomes 2 with the lowest state of charge in the short term by opening the first switching element 5 at least temporarily separated from the parallel circuit, while the other battery modules 3 . 4 be discharged. As a result, the state of charge of the battery module moves 2 with the lowest state of charge back into the tolerance band and the battery module 2 with the lowest state of charge can the parallel circuit by closing the first switching element 5 be switched on again. The battery module is preferred 2 with the lowest state of charge connected to the parallel circuit again only when its state of charge reaches the upper limit of the tolerance band.

Vorzugsweise wird der Ladeausgleich vom Betriebssystem des Fahrzeugs im Teillastbetrieb durchgeführt. Die vorliegende Antriebssituation wird somit nicht beeinträchtigt.Preferably Charge compensation is performed by the operating system of the vehicle in partial load operation. The present drive situation is thus not affected.

11
Batterieeinheitbattery unit
22
erstes Batteriemodulfirst battery module
33
zweites Batteriemodulsecond battery module
44
drittes Batteriemodulthird battery module
55
erstes Mittel zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodulefirst Means to compensate for the different states of charge the battery modules
66
zweites Mittel zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodulesecond Means to compensate for the different states of charge the battery modules
77
drittes Mittel zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodulethird Means to compensate for the different states of charge the battery modules
88th
elektrisches Antriebssystemelectrical drive system
99
zentrale Steuereinheitcentral control unit
BMSBMS
BatteriemanagementsystemBattery Management System

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • - US 7019488 B2 [0003] - US 7019488 B2 [0003]

Claims (9)

Vorrichtung zum Betreiben einer Batterieeinheit (1) eines Kraftfahrzeugs, bei dem die Batterieeinheit (1) mehrere elektrisch parallel zu einem Parallelkreis schaltbare Batteriemodule (2, 3, 4) umfasst, wobei den Batteriemodulen (2, 3, 4) Mittel zur Erfassung ihrer Ladezustände zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem der Batteriemodule (2, 3, 4) ein Mittel (5, 6, 7) zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule (2, 3, 4) zugeordnet ist.Device for operating a battery unit ( 1 ) of a motor vehicle, in which the battery unit ( 1 ) a plurality of electrically parallel to a parallel circuit switchable battery modules ( 2 . 3 . 4 ), wherein the battery modules ( 2 . 3 . 4 ) Are associated with means for detecting their states of charge, characterized in that at least one of the battery modules ( 2 . 3 . 4 ) a means ( 5 . 6 . 7 ) to compensate for the different states of charge of the battery modules ( 2 . 3 . 4 ) assigned. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5, 6, 7) zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule (2, 3, 4) als Schalter, insbesondere als Relais oder als Halbleiterschalter ausgebildet ist.Device according to claim 1, characterized in that the means ( 5 . 6 . 7 ) to compensate for the different states of charge of the battery modules ( 2 . 3 . 4 ) is designed as a switch, in particular as a relay or as a semiconductor switch. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5, 6, 7) zum Ausgleich der unterschiedlichen Ladezustände baulich in dem Batteriemodul (2, 3, 4) integriert ist.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the means ( 5 . 6 . 7 ) to compensate for the different states of charge structurally in the battery module ( 2 . 3 . 4 ) is integrated. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (2, 3, 4) mehrere Batteriezellen umfasst, welche in Reihe zueinander verschaltet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the battery module ( 2 . 3 . 4 ) comprises a plurality of battery cells, which are connected in series with each other. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (1) eine Lithium-Ionen Batterie ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the battery unit ( 1 ) is a lithium-ion battery. Verfahren zum Betreiben einer mehrere Batteriemodule (2, 3, 4) aufweisende Batterieeinheit (1) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Batteriemodule (2, 3, 4) elektrisch parallel zu einem Parallelkreis schaltbar sind, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte: – es wird der Betriebszustand der Batterieeinheit (1) und der Ladezustand jedes einzelnen Batteriemoduls (2, 3, 4) ermittelt, – bei einem Betriebszustand „Laden” wird zumindest das Batteriemodul (2) mit dem höchsten Ladezustand zum Erreichen eines Ausgleichs der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule (2, 3, 4) vorübergehend vom Parallelkreis getrennt.Method for operating a plurality of battery modules ( 2 . 3 . 4 ) battery unit ( 1 ) of a motor vehicle, the battery modules ( 2 . 3 . 4 ) are electrically parallel to a parallel circuit switchable, characterized by the following process steps: - It is the operating state of the battery unit ( 1 ) and the state of charge of each individual battery module ( 2 . 3 . 4 ), in an operating state "charging", at least the battery module ( 2 ) with the highest state of charge for achieving a compensation of the different states of charge of the battery modules ( 2 . 3 . 4 ) temporarily disconnected from the parallel circuit. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzen der Ladezustände aller Batteriemodule (2, 3, 4) untereinander ermittelt werden, und dass die jeweiligen Differenzen mit einem vorgegebenen Toleranzband verglichen werden, und für den Fall, dass zumindest eine Differenz außerhalb des Toleranzbandes liegt, wird das Batteriemodul (2) mit dem höchsten Ladezustand zumindest zeitweilig vom Parallelkreis getrennt.A method according to claim 6, characterized in that the differences of the charge states of all battery modules ( 2 . 3 . 4 ) are compared with each other, and that the respective differences are compared with a predetermined tolerance band, and in the event that at least one difference is outside the tolerance band, the battery module ( 2 ) with the highest state of charge, at least temporarily separated from the parallel circuit. Verfahren zum Betreiben einer mehrere Batteriemodule (2, 3, 4) aufweisende Batterieeinheit (1) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Batteriemodule (2, 3, 4) elektrisch parallel zu einem Parallelkreis schaltbar sind, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte: – es wird der Betriebszustand der Batterieeinheit (1) und der Ladezustand jedes einzelnen Batteriemoduls (2, 3, 4) ermittelt, – bei einem Betriebszustand „Entladen” wird zumindest das Batteriemodul (2) mit dem geringsten Ladezustand zum Erreichen eines Ausgleichs der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule (2, 3, 4) zeitweilig vom Parallelkreis getrennt.Method for operating a plurality of battery modules ( 2 . 3 . 4 ) battery unit ( 1 ) of a motor vehicle, the battery modules ( 2 . 3 . 4 ) are electrically parallel to a parallel circuit switchable, characterized by the following process steps: - It is the operating state of the battery unit ( 1 ) and the state of charge of each individual battery module ( 2 . 3 . 4 ), in an operating state "discharging" at least the battery module ( 2 ) with the lowest state of charge for achieving a compensation of the different states of charge of the battery modules ( 2 . 3 . 4 ) temporarily isolated from the parallel circuit. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzen der Ladezustände aller Batteriemodule (2, 3, 4) untereinander ermittelt werden, und dass die jeweiligen Differenzen mit einem vorgegebenen Toleranzband verglichen werden, und für den Fall, dass zumindest eine Differenz außerhalb des Toleranzbandes liegt, wird das Batteriemodul (2) mit dem niedrigsten Ladezustand zumindest zeitweilig vom Parallelkreis getrennt.Method according to claim 8, characterized in that the differences of the states of charge of all battery modules ( 2 . 3 . 4 ) are compared with each other, and that the respective differences are compared with a predetermined tolerance band, and in the event that at least one difference is outside the tolerance band, the battery module ( 2 ) with the lowest state of charge at least temporarily separated from the parallel circuit.
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