DE102011082648A1 - Method and device for compensating for charge differences between the battery modules of a battery system with a step-adjustable output voltage - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen den Batteriemodulen (30, 31, 40, 41) eines in einem Antriebssystem (10) eingesetzten Batteriesystems (20) mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung während des Stillstandes des Antriebssystems (10), wobei das Batteriesystem (20) mittels eines Zwischenkreises (70) mit mindestens einem Zwischenkreiskondensator (80) an einem Umrichter (100) des Antriebssystems (10) elektrisch gekoppelt wird, der Zwischenkreiskondensator (80) beim Vorliegen eines geladenen Zustandes entladen wird, Energie (W) aus mindestens einem ersten Batteriemodul (30, 31) entnommen wird, in dem Zwischenkreiskondensator (80) durch das Aufladen des Zwischenkreiskondensators (80) auf einer vordefinierten Zwischenkondensatorspannung (Uc) zwischengespeichert wird und die in dem Zwischenkreiskondensator (80) zwischengespeicherte Energie (W) in mindestens ein zweites Batteriemodul (40, 41) mit einem gegenüber dem ersten Ladezustand niedrigeren zweiten Ladezustand eingespeichert wird.The present invention relates to a method for compensating for charge differences between the battery modules (30, 31, 40, 41) of a battery system (20) with a stepwise adjustable output voltage used in a drive system (10) during standstill of the drive system (10), wherein the battery system (20) is electrically coupled by means of an intermediate circuit (70) with at least one intermediate circuit capacitor (80) to an inverter (100) of the drive system (10), the intermediate circuit capacitor (80) is discharged in the presence of a charged state, energy (W) from at least a first battery module (30, 31) is taken, in the intermediate circuit capacitor (80) by the charging of the intermediate circuit capacitor (80) on a predefined intermediate capacitor voltage (Uc) is cached and in the intermediate circuit capacitor (80) cached energy (W) in at least one second battery module (40, 41) with respect to the first Ladezust and lower second state of charge is stored.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen den Batteriemodulen eines in einem Antriebssystem eingesetzten Batteriesystems mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung während des Stillstandes des Antriebssystems. Auch betrifft die Erfindung ein Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem.The present invention relates to a method and a device for compensating for charge differences between the battery modules of a battery system used in a drive system with a step-adjustable output voltage during standstill of the drive system. The invention also relates to a drive system with a device according to the invention and a motor vehicle with a drive system according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik sind Batteriesysteme mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung bekannt. Battery systems with step-adjustable output voltage are known from the prior art.

In der 1 ist ein Antriebssystem 10 insbesondere für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge dargestellt, in dem ein Batteriesystem 20 mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung eingesetzt ist. Das Batteriesystem 20 mit Pluspol 50 und Minuspol ist aus mehreren Batteriemodulen 30, 40 ausgebildet, die jeweils eine Koppeleinrichtung (nicht dargestellt) umfassen. Das Batteriesystem 20 ist mittels eines Zwischenkreises 70 an einen Pulswechselrichter 100 elektrisch gekoppelt. Der Zwischenkreis 70 umfasst eine Zwischenkreisinduktivität (L) 90 und einen Zwischenkreiskondensator (C) 80. Der Zwischenkreiskondensator (Glättungskondensator) 80 ist dabei zwischen den zwischenkreisseitigen Ausgängen 101, 102 des Pulswechselrichters 100 angeschlossen. Die Zwischenkreisinduktivität 90 ist dabei zwischen dem Ausgang 22 des Batteriesystems und dem zwischenkreisseitigen Ausgang 102 des Pulswechselrichters 100 angeschlossen. Der Ausgang 22 des Batteriesystems 20 ist mit dem zwischenkreisseitigen Ausgang 102 des Pulswechselrichters 100 elektrisch verbunden. Ein dreiphasiger Motor (Elektromotor) 130 ist an seinen drei Ausgängen 131, 132, 133 mit dem Pulswechselrichter 100 jeweils über zwei Dioden 110, 111, 112, 113, 114, 115 und zwei jeweils ein- und ausschaltbare Halbleiterventile 120, 121, 122, 123, 124, 125 elektrisch gekoppelt. In the 1 is a drive system 10 in particular for hybrid or electric vehicles, in which a battery system 20 with adjustable output voltage is used. The battery system 20 with positive pole 50 and negative pole is made up of several battery modules 30 . 40 formed, each comprising a coupling device (not shown). The battery system 20 is by means of a DC link 70 to a pulse inverter 100 electrically coupled. The DC link 70 includes a DC link inductance (L) 90 and a DC link capacitor (C) 80 , The DC link capacitor (smoothing capacitor) 80 is between the outputs on the intermediate side 101 . 102 of the pulse inverter 100 connected. The DC link inductance 90 is between the output 22 of the battery system and the intermediate circuit side output 102 of the pulse inverter 100 connected. The exit 22 of the battery system 20 is with the intermediate circuit side output 102 of the pulse inverter 100 electrically connected. A three-phase motor (electric motor) 130 is at its three exits 131 . 132 . 133 with the pulse inverter 100 each with two diodes 110 . 111 . 112 . 113 . 114 . 115 and two semiconductor valves which can each be switched on and off 120 . 121 . 122 . 123 . 124 . 125 electrically coupled.

Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, wie mithilfe eines Batteriesystems mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung eine variable Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator zur Verfügung gestellt werden kann.It is also known from the prior art how a variable intermediate circuit voltage can be made available at the intermediate circuit capacitor with the aid of a battery system with a stepwise adjustable output voltage.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, während des Betriebs eines Antriebssystems einen Ladungsdifferenzausgleich (Balancing) zwischen den einzelnen Batteriemodulen eines Batteriesystems zu ermöglichen. Dieser Ladungsdifferenzausgleich wird während des Betriebs des Antriebssystems durch die geeignete Auswahl von Batteriemodulen in Abhängigkeit der Batteriemodulspannung und der Stromrichtung vorgenommen. Während des Stillstandes des Antriebssystems (kein Energiefluss zum oder vom Motor vorhanden) ist ein Ladungsdifferenzausgleich der einzelnen Batteriemodule des Batteriesystems nicht möglich.Furthermore, it is known from the prior art, during the operation of a drive system to allow a charge differential balancing between the individual battery modules of a battery system. This charge difference compensation is performed during the operation of the drive system by the appropriate selection of battery modules depending on the battery module voltage and the current direction. During the standstill of the drive system (no energy flow to or from the engine available), a charge differential compensation of the individual battery modules of the battery system is not possible.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen den Batteriemodulen eines in einem Antriebssystem eingesetzten Batteriesystems mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung während des Stillstandes des Antriebssystems bereitgestellt, wobei das Batteriesystem mittels eines Zwischenkreises mit mindestens einem Zwischenkreiskondensator an einem Umrichter des Antriebssystems elektrisch gekoppelt wird und der Zwischenkreiskondensator beim Vorliegen eines aufgeladenen Zustandes entladen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Energie aus mindestens einem ersten Batteriemodul mit einem ersten Ladezustand entnommen, und in dem Zwischenkreiskondensator durch Aufladen des Zwischenkreiskondensators auf eine vordefinierte Zwischenkreiskondensatorspannung zwischengespeichert. Ferner wird die in dem Zwischenkreiskondensator zwischengespeicherte Energie in mindestens ein zweites Batteriemodul mit einem gegenüber dem ersten Ladezustand niedrigeren zweiten Ladezustand eingespeichert.According to the invention, a method for compensating for charge differences between the battery modules of a battery system used in a drive system with stably adjustable output voltage during standstill of the drive system is provided, wherein the battery system is electrically coupled by means of an intermediate circuit with at least one DC link capacitor to a drive of the drive system and the DC link capacitor at Existence of a charged state is discharged. In the method according to the invention, energy is taken from at least one first battery module with a first state of charge, and temporarily stored in the intermediate circuit capacitor by charging the intermediate circuit capacitor to a predefined intermediate circuit capacitor voltage. Furthermore, the energy stored intermediately in the intermediate circuit capacitor is stored in at least one second battery module with a second state of charge that is lower than the first state of charge.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen den Batteriemodulen eines in einem Antriebssystem eingesetzten Batteriesystems mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung während des Stillstandes des Antriebssystems bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Entladevorrichtung zum Entladen mindestens eines Zwischenkreiskondensators, der als Teil eines Zwischenkreises ausgebildet ist, mittels dessen das Batteriesystem an einem Umrichter des Antriebssystems elektrisch gekoppelt ist, und einer Umladevorrichtung, die dazu ausgebildet ist, Energie aus mindestens einem ersten Batteriemodul mit einem ersten Ladezustand zu entnehmen, in dem Zwischenkreiskondensator durch das Aufladen des Zwischenkreiskondensators auf eine vordefinierte Zwischenkreiskondensatorspannung zwischenzuspeichern, und die in dem Zwischenkreiskondensator zwischengespeicherte Energie in mindestens ein zweites Batteriemodul mit einem gegenüber dem ersten Ladezustand niedrigeren zweiten Ladezustand einzuspeichern.According to the invention, a device for compensating for charge differences between the battery modules of a battery system used in a drive system with step-adjustable output voltage during standstill of the drive system is further provided. The device according to the invention comprises a discharge device for discharging at least one intermediate circuit capacitor, which is formed as part of an intermediate circuit, by means of which the battery system is electrically coupled to a converter of the drive system, and a transfer device, which is adapted to energy from at least one first battery module with a to store the first state of charge, to temporarily store in the intermediate circuit capacitor by charging the intermediate circuit capacitor to a predefined intermediate circuit capacitor voltage, and to store the stored in the intermediate circuit capacitor energy in at least one second battery module with a relation to the first state of charge lower second state of charge.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann während des Stillstandes des Antriebssystems (Umrichter ist nicht im Betrieb) durchgeführt werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Möglichkeit, Energie aus denjenigen Batteriemodulen, die den höchsten Ladezustand aufweisen, in die Module mit dem niedrigsten Ladezustand während des Stillstandes des Antriebssystems zu verschieben.The method according to the invention can be carried out during the standstill of the drive system (converter is not in operation). By means of the method according to the invention, it is possible to shift energy from those battery modules which have the highest charge state into the modules with the lowest charge state during the standstill of the drive system.

Damit kann auf Batteriemodulebene eine Anpassung der Ladezustände der Batteriemodule im Stillstand des Antriebssystems durchgeführt werden. Alle dafür benötigten Komponenten sind im Wesentlichen im System enthalten. Dadurch ist ein Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen den Batteriemodulen eines in einem Antriebssystem eingesetzten Batteriesystems mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung besonders einfach und kostengünstig auch während des Stillstands des Antriebssystems realisierbar.In this way, an adaptation of the charge states of the battery modules when the drive system is at a standstill can be carried out at the battery module level. All components required for this purpose are essentially contained in the system. As a result, it is possible to compensate for charge differences between the battery modules of a battery system used in a drive system with a step-adjustable output voltage in a particularly simple and cost-effective manner even during standstill of the drive system.

Insbesondere wird der Zwischenkreiskondensator mittels eines auf einen gewünschten Wert geregelten Ladestroms auf die vordefinierte Zwischenkreiskondensatorspannung aufgeladen.In particular, the intermediate circuit capacitor is charged to the predefined intermediate circuit capacitor voltage by means of a charging current regulated to a desired value.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Zwischenkreiskondensator aus mindestens einem ersten Batteriemodul mit einem hohen Ladezustand auf eine Zwischenkreiskondensatorspannung auf einfache Weise insbesondere mittels eines auf einen gewünschten Wert geregelten Stroms aufgeladen. Vorteilhaft wird ermöglicht, den Zwischenkreiskondensator auf einfache und kostengünstige Weise kontrolliert auf eine gewünschte Zwischenkreiskondensatorspannung aufzuladen. Dadurch kann in dem Zwischenkreiskondensator eine vordefinierte Energiemenge gespeichert werden, die dann in mindestens ein zweites Batteriemodul, das einen niedrigen Ladezustand aufweist, eingespeichert werden kann. Die Ladezustände der ersten Batteriemodule mit hohen Ladezuständen und der zweiten Batteriemodule mit niedrigen Ladezuständen können durch die kontrollierte Aufladung des Zwischenkreiskondensators auch schon beim Vorliegen von sehr kleinen Unterschieden in den entsprechenden Ladezuständen genau ausgeglichen werden.In the method according to the invention, the intermediate circuit capacitor is charged from at least one first battery module with a high state of charge to a DC link capacitor voltage in a simple manner, in particular by means of a regulated current to a desired value. Advantageously, it is possible to charge the intermediate circuit capacitor in a simple and cost-effective manner to a desired intermediate circuit capacitor voltage. As a result, a predefined amount of energy can be stored in the DC link capacitor, which can then be stored in at least one second battery module, which has a low state of charge. The charge states of the first battery modules with high charge states and the second battery modules with low charge states can be exactly compensated by the controlled charging of the DC link capacitor even in the presence of very small differences in the corresponding states of charge.

Erfindungsgemäß wird insbesondere der Zwischenkreiskondensator auf eine vordefinierte Zwischenkreiskondensatorspannung aufgeladen, die kleiner als die von dem mindestens einen zweiten Batteriemodul generierte Batteriemodulspannung ist. Dabei wird die Einspeicherung der in dem Zwischenkreiskondensator zwischengespeicherten Energie in das mindestens eine zweite Batteriemodul durch Entladen des Zwischenkreiskondensators insbesondere mittels eines auf einen gewünschten Wert geregelten Entladestroms durchgeführt.According to the invention, in particular the intermediate circuit capacitor is charged to a predefined intermediate circuit capacitor voltage which is smaller than the battery module voltage generated by the at least one second battery module. In this case, the storage of the energy temporarily stored in the intermediate circuit capacitor into the at least one second battery module is carried out by discharging the intermediate circuit capacitor, in particular by means of a discharge current regulated to a desired value.

Bei Vorliegen einer Zwischenkreiskondensatorspannung, die kleiner als die von dem mindestens einen zweiten Batteriemodul generierte Batteriemodulspannung ist, kann der Entladestrom, der aus dem Kondensator hinausfließt, auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Dadurch kann das mindestens eine zweite Batteriemodul mit einem niedrigen Ladezustand kontrolliert auf einen gewünschten Ziel-Ladezustand aufgeladen werden. Das Aufladen des mindestens einen Batteriemoduls mittels des geregelten Entladestroms ist sehr genau und einfach durchführbar. In the presence of a DC link capacitor voltage that is smaller than the battery module voltage generated by the at least one second battery module, the discharge current that flows out of the capacitor can be set to a desired value. As a result, the at least one second battery module with a low charge state can be charged in a controlled manner to a desired target charge state. The charging of the at least one battery module by means of the regulated discharge current is very accurate and easy to carry out.

Erfindungsgemäß wird vorteilhaft ermöglicht, die in dem Zwischenkreiskondensator zwischengespeicherte Energie auf effektive Weise zu beliebigen, das heißt insbesondere an die jeweilige Anwendung und Betriebssituation anpassbaren Anteilen, aus beliebigen ersten Batteriemodulen zu entnehmen und/oder zu beliebigen Anteilen in beliebige zweite Batteriemodule einzuspeichern.According to the invention, it is advantageously possible to remove the energy temporarily stored in the intermediate circuit capacitor from any first battery modules in an arbitrary proportion, that is to say in particular to the respective application and operating situation, and / or to store any desired components in any second battery modules.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird angestrebt, dass alle Ladezustände der vorhandenen Batteriemodule auf einen gemeinsamen durchschnittlichen Ladezustand gebracht werden. In dem Zwischenkreiskondensator können insbesondere die Energieanteile aus den ersten Batteriemodulen zwischengespeichert werden, die für die Unterschiede zwischen den hohen Ladezuständen der ersten Batteriemodule und dem durchschnittlichen Ladezustand verantwortlich sind. Diese in dem Zwischenkreiskondensator eingespeicherte Energie kann dann derart über die zweiten Batteriemodule verteilt werden, dass in die zweiten Batteriemodule jeweils genau derjenige Energieanteil eingespeichert wird, der für den Unterschied zwischen dem niedrigen Ladezustand des jeweiligen zweiten Batteriemoduls und dem durchschnittlichen Ladezustand verantwortlich ist. In the method according to the invention, it is desirable that all states of charge of the existing battery modules be brought to a common average state of charge. In particular, the energy components from the first battery modules, which are responsible for the differences between the high charge states of the first battery modules and the average charge state, can be temporarily stored in the DC link capacitor. This energy stored in the intermediate circuit capacitor can then be distributed via the second battery modules in such a way that in each case exactly that portion of energy which is responsible for the difference between the low state of charge of the respective second battery module and the average state of charge is stored in the second battery modules.

Vorzugsweise wird erfindungsgemäß ein Li-Ionen-Batteriesystem eingesetzt.Preferably, a Li-ion battery system is used according to the invention.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen den Batteriemodulen des in dem Antriebssystem eingesetzten Batteriesystems mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung während des Stillstandes des Antriebssystems bereitgestellt.According to the invention, a drive system with a device according to the invention for compensating for differences in charge between the battery modules of the battery system used in the drive system with step-adjustable output voltage during standstill of the drive system is further provided.

Ferner wird auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem bereitgestellt. Durch das Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen den Batteriemodulen des in dem Antriebssystem eingesetzten Batteriesystems mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung während des Stillstandes des Antriebssystems werden die Funktionsgenauigkeit und dadurch auch die Fahrsicherheit des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges erhöht.Furthermore, a motor vehicle with a drive system according to the invention is also provided. By compensating for charge differences between the battery modules of the battery system used in the drive system with adjustable output voltage during standstill of the drive system, the functional accuracy and thus the driving safety of the motor vehicle according to the invention are increased.

Zeichnungen drawings

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen sind:Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings are:

1 ein schematisches Schaltbild eines Antriebssystems für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge mit einem Batteriesystem mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung nach dem Stand der Technik, 1 a schematic circuit diagram of a drive system for hybrid or electric vehicles with a battery system with stepwise adjustable output voltage according to the prior art,

2 ein schematisches Schaltbild eines in einem Batteriesystem mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung einsetzbaren Batteriemoduls, auf dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, und 2 a schematic diagram of a usable battery in a system with adjustable output voltage battery module to which the inventive method is applied, and

3 ein schematisches Teilschaltbild eines Antriebssystems für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge mit einem Batteriesystem mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung und einer erfindungsgemäßen Umladevorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 3 a schematic partial circuit diagram of a drive system for hybrid or electric vehicles with a battery system with stepwise adjustable output voltage and a reloading device according to the invention according to a first embodiment of the invention.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

In der 2 dargestellt ist ein schematisches Schaltbild eines in einem Batteriesystem mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung einsetzbaren Batteriemoduls 30, auf dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird.In the 2 A schematic circuit diagram of a battery module which can be used in a battery system with a stepwise adjustable output voltage is shown 30 to which the method according to the invention is applied.

Das Batteriemodul 30 umfasst mehrere, beispielsweise 6 bis 12 Batteriezellen, von denen nur vier Batteriezellen 301, 302, 303, 304 dargestellt sind. Das Batteriemodul 30 umfasst eine Koppeleinrichtung 310, mittels derer das Batteriemodul 30 über seine zwei Ausgänge 315, 316 in das Batteriesystem ein- und ausgekoppelt werden kann. Die Koppeleinrichtung 310 umfasst zwei Dioden 311, 312 und zwei jeweils ein- und ausschaltbare Halbleiterventile 313, 314.The battery module 30 includes several, for example, 6 to 12 battery cells, of which only four battery cells 301 . 302 . 303 . 304 are shown. The battery module 30 comprises a coupling device 310 , by means of which the battery module 30 over its two exits 315 . 316 can be coupled into and out of the battery system. The coupling device 310 includes two diodes 311 . 312 and two semiconductor valves which can each be switched on and off 313 . 314 ,

In der 3 dargestellt ist ein schematisches Teilschaltbild eines Antriebssystems für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge mit einem Batteriesystem 20 mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung und einer erfindungsgemäßen Umladevorrichtung 140 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung.In the 3 1 is a schematic partial circuit diagram of a propulsion system for hybrid or electric vehicles having a battery system 20 with adjustable output voltage and a transfer device according to the invention 140 according to a first embodiment of the invention.

Das Batteriesystem 20 hat einen Pluspol 50 und einen Minuspol 60 und wird über seine zwei Ausgänge 21, 22 an die Umladevorrichtung 140 angeschlossen. The battery system 20 has a positive pole 50 and a negative pole 60 and gets over its two outputs 21 . 22 to the transfer device 140 connected.

Dabei sind in der 3 lediglich das Batteriesystem 20, die erfindungsgemäße Umladevorrichtung 140 sowie der Zwischenkreis 70 mit einem Zwischenkreiskondensator 80 dargestellt. Der an den Zwischenkreis 70 angeschlossene Umrichter des Antriebssystems und der an den Umrichter angeschlossene Elektromotor sowie die Zwischenkreisinduktivität sind nicht dargestellt. In 3 ist der Zwischenkreiskondensator 80 vor der Umladevorrichtung parallel geschaltet. In einer anderen Variante ist der Zwischenkreiskondensator 80 direkt mit den Batterieausgängen 21, 22 gekoppelt, das heißt zwischen Umladevorrichtung 140 und Batteriesystem 20 angeordnet.There are in the 3 only the battery system 20 , the reloading device according to the invention 140 as well as the DC link 70 with a DC link capacitor 80 shown. The to the DC link 70 connected inverters of the drive system and connected to the inverter electric motor and the DC link inductance are not shown. In 3 is the DC link capacitor 80 connected in parallel before the transfer device. In another variant, the DC link capacitor 80 directly with the battery outputs 21 . 22 coupled, that is between transfer device 140 and battery system 20 arranged.

Im Folgenden wird der Stillstand des Antriebssystems betrachtet, das heißt der Umrichter, der an dem Zwischenkreiskondensator 80 angeschlossen ist, ist nicht im Betrieb und der Zwischenkreiskondensator 80 sei entladen. Die Umladevorrichtung 140 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Entladevorrichtung (nicht dargestellt) zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators 80. Das Batteriesystem 20 umfasst n Batteriemodule, mindestens aber zwei Batteriemodule. In the following, the standstill of the drive system is considered, that is the inverter connected to the DC link capacitor 80 is connected, is not in operation and the DC link capacitor 80 be unloaded. The transhipment device 140 According to the first embodiment of the invention comprises a discharge device (not shown) for discharging an intermediate circuit capacitor 80 , The battery system 20 includes n battery modules, but at least two battery modules.

Das in der 3 dargestellte Batteriesystem 20 umfasst n Batteriemodule 30, 31, 40, 41, von denen aber nur die zwei Batteriemodule 30, 31 mit den zwei höchsten Ladezustände U1, U2 und die zwei Batteriemodule 40, 41 mit den zwei niedrigsten Batteriemodulspannungen Un-1, Un dargestellt sind. Jedes Batteriemodul 30, 31, 40, 41 umfasst eine Koppeleinrichtung (nicht dargestellt), mittels deren die Batteriemodule 30, 31, 40, 41 jeweils in das Batteriesystem 20 ein- und ausgekoppelt werden können. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Reihenfolge der Batteriemodule mit den höchstens Ladezuständen und den niedrigsten Ladezuständen eine andere. Beispielsweise weisen mittlere Batteriemodule den höchsten Ladezustand auf, oder zwischen zwei Batteriemodulen mit dem höchsten Ladezustand sind eines oder mehrere Batteriemodule mit niedrigem Ladezustand angeordnet. That in the 3 illustrated battery system 20 includes n battery modules 30 . 31 . 40 . 41 , of which only the two battery modules 30 . 31 with the two highest states of charge U 1 , U 2 and the two battery modules 40 . 41 with the two lowest battery module voltages U n-1 , U n . Every battery module 30 . 31 . 40 . 41 comprises a coupling device (not shown), by means of which the battery modules 30 . 31 . 40 . 41 each in the battery system 20 can be coupled and disconnected. In another embodiment, the order of the battery modules having the at most charge states and the lowest charge states is different. For example, mean battery modules have the highest state of charge, or between two battery modules with the highest state of charge one or more battery modules are arranged with low state of charge.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit gelte für die Batteriemodulspannungen des Batteriesystems 20 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung folgende Relation: U1 > U2 > ... >Un – 1 > Un. Without limiting the generality, the battery module voltages of the battery system apply 20 according to the first embodiment of the invention the following relation: U 1 > U 2 >...> Un - 1> U n .

Das Batteriemodul 30 mit der größten Batteriemodulspannung U1 hat den höchsten Ladezustand, das Batteriemodul 41 mit der kleinsten Batteriemodulspannung Un den niedrigsten Ladezustand.The battery module 30 with the largest battery module voltage U 1 has the highest state of charge, the battery module 41 with the smallest battery module voltage U n the lowest state of charge.

Nun wird der Zwischenkreiskondensator 80 mittels der Umladevorrichtung 140 aus dem Batteriemodul 30 mit der höchsten Batteriemodulspannung U1, das heißt aus dem Batteriemodul 30 mit dem höchsten Ladezustand, auf die Zwischenkreiskondensatorspannung Uc < Un aufgeladen. Der Strom kann mittels der Umladevorrichtung 140 nach einem bekannten Verfahren während des Ladens des Zwischenkreiskondensators 80 auf einen gewünschten Wert geregelt werden. Dabei wird dem Batteriemodul 30 die Energie W = 1 / 2·C·U 2 / c entnommen und mittels der Umladevorrichtung 140 in dem Zwischenkreiskondensator 80 gespeichert. Die Zwischenkreiskondensatorspannung Uc sollte hierbei die Batteriemodulspannung des Batteriemoduls, in welches die Energie übertragen werden soll, nicht übersteigen. Damit kann der Strom beim Entladen des Zwischenkreiskondensators 80 mittels der Umladevorrichtung 140 wieder auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Now the DC link capacitor 80 by means of the transfer device 140 from the battery module 30 with the highest battery module voltage U 1 , that is, from the battery module 30 with the highest state of charge, charged to the intermediate circuit capacitor voltage U c <U n . The electricity can be generated by means of the transfer device 140 according to a known method during charging of the DC link capacitor 80 be regulated to a desired value. This is the battery module 30 the energy W = 1/2 × C × U 2 / c taken and by means of the transfer device 140 in the DC link capacitor 80 saved. In this case, the intermediate circuit capacitor voltage U c should not exceed the battery module voltage of the battery module into which the energy is to be transmitted. Thus, the current during discharge of the DC link capacitor 80 by means of the transfer device 140 be set to the desired value again.

Sollte die Zwischenkreiskondensatorspannung Uc höher sein als die Spannung des Batteriemoduls, in das die Energie übertragen werden soll, ist entweder keine Regelung des Stromes aus dem Zwischenkreiskondensator 80 hinaus möglich oder für den Spannungsbereich der Zwischenkreiskondensatorspannung Uc > Un ist noch ein weiteres Batteriemodul an der Stromführung mittels der Umladevorrichtung 140 zu beteiligen. Dieses kann dann vorzugsweise das Batteriemodul 41 mit der zweitniedrigsten Batteriemodulspannung Un-1 sein.If the intermediate circuit capacitor voltage U c be higher than the voltage of the battery module, in which the energy is to be transmitted, either no control of the current from the DC link capacitor 80 In addition, or for the voltage range of the intermediate circuit capacitor voltage U c > U n is still another battery module to the power supply by means of the transfer device 140 to contribute. This can then preferably the battery module 41 with the second lowest battery module voltage U n-1 .

Als Nächstes wird der Zwischenkreiskondensator 80 wieder entladen. Dabei fließt der Strom in das Batteriemodul 41 mit der niedrigsten Batteriemodulspannung Un. Die Energie W = 1 / 2·C·U 2 / c wird in dieses Batteriemodul 41 eingespeist. Next is the DC link capacitor 80 unload again. The current flows into the battery module 41 with the lowest battery module voltage U n . The energy W = 1/2 × C × U 2 / c gets into this battery module 41 fed.

Natürlich kann die Aufladung des Zwischenkreiskondensators 80 nicht nur aus dem Batteriemodul 30 mit der höchsten Batteriemodulspannung U1, sondern auch mittels der Umladevorrichtung 140 aus beliebigen anderen Batteriemodulen erfolgen. Of course, the charging of the DC link capacitor 80 not just from the battery module 30 with the highest battery module voltage U 1 , but also by means of the transfer device 140 made from any other battery modules.

Mittels der Umladevorrichtung 140 kann auch die im Zwischenkreiskondensator 80 zwischengespeicherte Energie zu beliebigen Anteilen in beliebige Batteriemodule zurückgespeichert werden.By means of the transhipment device 140 can also be in the DC link capacitor 80 cached energy to arbitrary shares in any battery modules are stored.

Die Spannung, auf die der Zwischenkreiskondensator 80 mittels der Umladevorrichtung 140 aufgeladen wird, kann im Bereich 0 – (n – 1)Un gewählt werden. The voltage to which the DC link capacitor 80 by means of the transfer device 140 can be selected in the range 0 - (n - 1) U n .

Beim Aufladen sind dann entsprechend viele Batteriemodule beteiligt. Beim Entladen wird dann ebenfalls wieder die gleiche Anzahl an Batteriemodulen wie beim Aufladen benötigt, in die die Energie eingespeichert wird, um den Strom auf den gewünschten Wert regeln zu können. Es wird bevorzugt, nicht mehr als die Hälfte der Batteriemodule zum Laden zu verwenden. Denn erfindungsgemäß wird zunächst Energie aus einem Batteriemodul in den Zwischenkreiskondensator 80 übertragen und dann Energie aus dem Zwischenkreiskondensator 80 wieder in dasselbe Batteriemodul zurückübertragen.During charging, a corresponding number of battery modules are involved. When unloading then also the same number of battery modules is required as in charging, in which the energy is stored in order to regulate the current to the desired value. It is preferred not to use more than half of the battery modules for charging. Because according to the invention, first energy from a battery module in the DC link capacitor 80 and then transfer energy from the DC link capacitor 80 transferred back into the same battery module.

Der Vorgang wurde hier zur besseren Veranschaulichung unter idealisierten Voraussetzungen ohne Verluste ablaufend dargestellt. In einer praktischen Ausführung sind die Bauelemente, insbesondere die Halbleiterbauelemente, die als Schalter in den Koppeleinrichtungen der Batteriemodule 30, 31, 40, 41 eingesetzt werden, als auch die Zwischenkreisspule des Zwischenkreises 70 und der Zwischenkreiskondensator 80 jedoch verlustbehaftet. Somit wird nicht die gesamte aus einem Batteriemodul entnommene Energie wieder in die Batteriemodule eingespeichert. The process has been shown running without loss here for better illustration under idealized conditions. In a practical embodiment, the components, in particular the semiconductor components, serve as switches in the coupling devices of the battery modules 30 . 31 . 40 . 41 be used, as well as the intermediate circuit coil of the DC link 70 and the DC link capacitor 80 but lossy. Thus, not all of the energy removed from a battery module is re-stored in the battery modules.

Claims (12)

Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen den Batteriemodulen (30, 31, 40, 41) eines in einem Antriebssystem (10) eingesetzten Batteriesystems (20) mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung während des Stillstandes des Antriebssystems (10), wobei das Batteriesystem (20) mittels eines Zwischenkreises (70) mit mindestens einem Zwischenkreiskondensator (80) an einem Umrichter (100) des Antriebssystems (10) elektrisch gekoppelt wird, der Zwischenkreiskondensator (80) beim Vorliegen eines geladenen Zustandes entladen wird, Energie (W) aus mindestens einem ersten Batteriemodul (30, 31) entnommen wird, in dem Zwischenkreiskondensator (80) durch das Aufladen des Zwischenkreiskondensators (80) auf einer vordefinierten Zwischenkondensatorspannung (Uc) zwischengespeichert wird und die in dem Zwischenkreiskondensator (80) zwischengespeicherte Energie (W) in mindestens ein zweites Batteriemodul (40, 41) mit einem gegenüber dem ersten Ladezustand niedrigeren zweiten Ladezustand eingespeichert wird.Method for compensating for charge differences between the battery modules ( 30 . 31 . 40 . 41 ) one in a drive system ( 10 ) used battery system ( 20 ) with adjustable output voltage during standstill of the drive system ( 10 ), the battery system ( 20 ) by means of an intermediate circuit ( 70 ) with at least one DC link capacitor ( 80 ) on a converter ( 100 ) of the drive system ( 10 ) is electrically coupled, the DC link capacitor ( 80 ) is discharged in the presence of a charged state, energy (W) from at least one first battery module ( 30 . 31 ), in the DC link capacitor ( 80 ) by charging the DC link capacitor ( 80 ) is temporarily stored on a predefined intermediate capacitor voltage (U c ) and that in the intermediate circuit capacitor ( 80 ) cached energy (W) in at least one second battery module ( 40 . 41 ) is stored with a relation to the first state of charge lower second state of charge. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (80) mittels eines auf einen gewünschten Wert geregelten Ladestroms auf die vordefinierte Zwischenkreiskondensatorspannung Uc aufgeladen wird.Method according to Claim 1, characterized in that the intermediate circuit capacitor ( 80 ) is charged by means of a regulated to a desired value charging current to the predefined intermediate circuit capacitor voltage U c . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (80) auf eine vordefinierte Zwischenkreiskondensatorspannung (Uc) aufgeladen wird, die kleiner als die von mindestens einem zweiten Batteriemodul (40, 41) oder von mehreren der zweiten Batteriemodule (40, 41) generierte Batteriemodulspannung, und die Einspeicherung der in dem Zwischenkreiskondensator (80) zwischengespeicherten Energie (W) in das mindestens eine zweite Batteriemodul (40, 41) durch Entladen des Zwischenkreiskondensators (80), insbesondere mittels eines auf einen gewünschten Wert geregelten Entladestroms durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the intermediate circuit capacitor ( 80 ) is charged to a predefined intermediate circuit capacitor voltage (U c ), which is smaller than that of at least one second battery module ( 40 . 41 ) or several of the second battery modules ( 40 . 41 ) generated battery module voltage, and the storage of in the DC link capacitor ( 80 ) stored energy (W) in the at least one second battery module ( 40 . 41 ) by discharging the DC link capacitor ( 80 ), in particular by means of a regulated to a desired value discharge current is performed. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Zwischenkreiskondensator (80) zwischengespeicherte Energie (W) zu beliebigen Anteilen aus beliebigen ersten Batteriemodulen (30, 31) entnommen wird und/oder zu beliebigen Anteilen in beliebige zweite Batteriemodule (40, 41) eingespeichert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the intermediate circuit capacitor ( 80 ) cached energy (W) to arbitrary proportions of any first battery modules ( 30 . 31 ) and / or to any proportions in any second battery modules ( 40 . 41 ) is stored. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Batteriesystem (20) ein Li-Ionen-Batteriesystem eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that as a battery system ( 20 ) a Li-ion battery system is used. Vorrichtung zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen den Batteriemodulen (30, 31, 40, 41) eines in einem Antriebssystem (10) eingesetzten Batteriesystems (20) mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung während des Stillstandes des Antriebssystems (10) mit einer Entladevorrichtung zum Entladen mindestens eines Zwischenkreiskondensators (80), der als Teil eines Zwischenkreises (70) ausgebildet ist, mittels dessen das Batteriesystem (20) an einem Umrichter (100) des Antriebssystems (10) elektrisch gekoppelt ist, und einer Umladevorrichtung (140), die dazu ausgebildet ist, Energie aus mindestens einem ersten Batteriemodul (30, 31) mit einem ersten Ladezustand zu entnehmen, in dem Zwischenkreiskondensator (80) durch das Aufladen des Zwischenkreiskondensators (80) auf eine vordefinierte Zwischenkreiskondensatorspannung (Uc) zwischenzuspeichern und die in dem Zwischenkreiskondensator (80) zwischengespeicherte Energie (W) in mindestens ein zweites Batteriemodul (40, 41) mit einem gegenüber dem ersten Ladezustand niedrigeren zweiten Ladezustand einzuspeichern.Device for compensating charge differences between the battery modules ( 30 . 31 . 40 . 41 ) one in a drive system ( 10 ) used battery system ( 20 ) with adjustable output voltage during standstill of the drive system ( 10 ) with an unloading device for discharging at least one intermediate circuit capacitor ( 80 ), which is part of an intermediate circuit ( 70 ) is formed, by means of which the battery system ( 20 ) on a converter ( 100 ) of the drive system ( 10 ) is electrically coupled, and a transfer device ( 140 ), which is designed to generate energy from at least one first battery module ( 30 . 31 ) with a first state of charge, in the intermediate circuit capacitor ( 80 ) by charging the DC link capacitor ( 80 ) to a predefined intermediate circuit capacitor voltage (U c ) and to store in the intermediate circuit capacitor ( 80 ) cached energy (W) in at least one second battery module ( 40 . 41 ) store with a comparison with the first state of charge lower second state of charge. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umladevorrichtung (140) weiter dazu ausgebildet ist, den Zwischenkreiskondensator (80) mittels eines auf einen gewünschten Wert geregelten Ladestroms auf die vordefinierte Zwischenkreiskondensatorspannung (Uc) aufzuladen. Device according to claim 6, characterized in that the transfer device ( 140 ) is further adapted to the DC link capacitor ( 80 ) by means of a regulated to a desired value charging current to the predefined intermediate circuit capacitor voltage (U c ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umladevorrichtung (140) dazu ausgebildet ist, den Zwischenkreiskondensator (80) auf eine vordefinierte Zwischenkreiskondensatorspannung (Uc) aufzuladen, die kleiner als die von dem mindestens einen zweiten Batteriemodul (40, 41) generierte Batteriemodulspannung ist, und die Einspeicherung der in dem Zwischenkreiskondensator (80) zwischengespeicherten Energie (W) in das mindestens eine zweite Batteriemodul (40, 41) durch Entladen des Zwischenkreiskondensators (80), insbesondere mittels eines auf einen gewünschten Wert geregelten Entladestroms durchzuführen.Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that the transfer device ( 140 ) is adapted to the DC link capacitor ( 80 ) to a predefined intermediate circuit capacitor voltage (U c ), which is smaller than that of the at least one second battery module ( 40 . 41 ) and the storage of the in the DC link capacitor ( 80 ) stored energy (W) in the at least one second battery module ( 40 . 41 ) by discharging the DC link capacitor ( 80 ), in particular by means of a regulated to a desired value discharge current. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umladevorrichtung (140) weiter dazu ausgebildet ist, die in dem Zwischenkreiskondensator (80) zwischengespeicherte Energie (W) zu beliebigen Anteilen aus beliebigen ersten Batteriemodulen (30, 31) zu entnehmen und/oder zu beliebigen Anteilen in beliebige zweite Batteriemodule (40, 41) einzuspeichern.Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the transfer device ( 140 ) is further adapted to the in the DC link capacitor ( 80 ) cached energy (W) to arbitrary proportions of any first battery modules ( 30 . 31 ) and / or to arbitrary proportions in any second battery modules ( 40 . 41 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (20) ein Li-Ionen-Batteriesystem ist.Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the battery system ( 20 ) is a Li-ion battery system. Antriebssystem (10) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10.Drive system ( 10 ) with a device according to one of claims 6 to 10. Kraftfahrzeug mit einem Antriebssystem (10) nach Anspruch 11.Motor vehicle with a drive system ( 10 ) according to claim 11.
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