DE102012000653A1 - Method for controlling potential equalization of battery cells in cell composite, involves raising continuously or stepwise compensation current to predetermined maximum value upon activation of first equalization process - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Steuerung des Potentialausgleichs von Batteriezellen in einem Zellverbund nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Batterievorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.The invention relates to methods for controlling the potential equalization of battery cells in a cell network according to the preamble of patent claim 1 and a battery device according to the preamble of patent claim 7.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Steuerung des Potentialausgleichs von Batteriezellen bekannt. Insbesondere Lithium Ionen Zellen in einer Batterie müssen zur Maximierung der entnehmbaren Energie immer auf identischen (in einem gewissen Toleranzrahmen) Spannungsniveaus untereinander gehalten werden. Die Spannungsniveaus der Zellen driften aufgrund von leicht unterschiedlichen Zellchemien mit der Zeit auseinander. Um dies sicherzustellen gibt es im Stand der Technik die Möglichkeit, Zellen mit höherem Spannungsniveau gezielt auf das niedrigere Niveau der restlichen Zellen zu entladen. Dies kann durch Parallelschalten einzelner Widerstände zu den auszugleichenden Zellen geschehen. Über die parallel geschalteten Widerstände stellt sich dann für die Dauer der Zuschaltung ein Entladestrom über eine einzelne Zelle ein.Methods for controlling the potential equalization of battery cells are known from the prior art. In particular, lithium ion cells in a battery must always be kept at identical (within a certain margin of tolerance) voltage levels to maximize the extractable energy. The voltage levels of the cells drift over time due to slightly different cell chemistries. In order to ensure this, it is possible in the prior art to discharge cells with a higher voltage level specifically to the lower level of the remaining cells. This can be done by connecting individual resistors in parallel to the cells to be equalized. By means of the resistors connected in parallel, a discharge current over a single cell is established for the duration of the connection.
Nachteilig bei einem derartigen Verfahren ist, dass aufgrund der hohen Belastung der Ausgleichswiderstände, insbesondere durch den großen Temperaturhub in kurzer Zeit beim Aktivieren eines Ausgleichsvorgangs, die Lebensdauer dieser relativ kurz ist. Die Widerstände können also nur für eine gewisse Anzahl an Ausgleichszyklen verwendet werden bevor sie kaputt gehen. Des Weiteren kann bei hoher Umgebungstemperatur der Zellelektronik kein Ausgleichsvorgang gestartet werden bzw. muss nach kurzer Zeit abgebrochen werden, da die Verlustleistung der Widerstände zu einer weiteren Erhöhung der Umgebungstemperatur führt und die Elektronik dadurch gezwungen wird sich abzuschalten, um Schäden zu vermeiden.A disadvantage of such a method is that due to the high load of the balancing resistances, in particular by the large temperature deviation in a short time when activating a compensation process, the life of these is relatively short. The resistors can therefore only be used for a certain number of compensation cycles before they break. Furthermore, at high ambient temperature of the cell electronics no compensation process can be started or must be terminated after a short time, since the power loss of the resistors leads to a further increase in the ambient temperature and the electronics is thereby forced to turn off to prevent damage.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit eine Batteriezellenvorrichtung sowie ein Verfahren zur Steuerung des Potentialausgleichs von Batteriezellen in einem Zellverbund zu schaffen, bei denen die Ausgleichswiderstände weniger belastet werden und ein Potentialausgleich der Batteriezellen in einem größeren Temperaturbereich der Umgebungstemperatur der Zellelektronik durchgeführt werden kann.The object of the present invention is therefore to provide a battery cell device and a method for controlling the potential equalization of battery cells in a cell network, in which the balancing resistances are less loaded and a potential equalization of the battery cells in a wider temperature range of the ambient temperature of the cell electronics can be performed.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch eine Batterievorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1, and by a battery device having the features of patent claim 7. Advantageous embodiments of the invention with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung des Potentialausgleichs von Batteriezellen in einem Zellverbund fließt bei einem Ausgleichsvorgang ein Ausgleichsstrom über mindestens einen ersten einer der Batteriezellen zugeordneten Ausgleichswiderstand. Dabei wird der Ausgleichsstrom beim Aktivieren des Ausgleichsvorgangs kontinuierlich oder schrittweise auf einen vorbestimmten Maximalwert hochgefahren und/oder der Ausgleichsstrom wird während des Ausgleichsvorgangs temperaturabhängig gesteuert. Somit wird beim Aktivieren des Ausgleichsvorgangs der mindestens eine erste, einer Batteriezelle zugeordnete Ausgleichswiderstand nicht abrupt belastet, wodurch er auch keinem großen Temperaturhub in kurzer Zeit unterliegt. Die Temperaturerhöhung des Ausgleichswiderstands kann durch das kontinuierliche oder schrittweise Hochfahren des Ausgleichsstroms wesentlich bzw. beliebig verlangsamt werden, was die Lebensdauer solcher Ausgleichswiderstände enorm erhöht und deren Verlustleistung reduziert. Durch die temperaturabhängige Steuerung des Ausgleichsstroms während des Ausgleichsvorgangs ist es möglich, die Stärke des Ausgleichsstroms durch den mindestens einen ersten Ausgleichswiderstand, und somit dessen Temperaturerhöhung und dessen Wärmeabgabe an die Umgebung zu steuern. Somit kann auch hier die Verlustleistung des mindestens einen Ausgleichswiderstands gezielt kontrolliert werden. So können eine Überhitzung der Zellelektronik und dadurch bedingte Schäden vermieden werden. Des Weiteren können Ausgleichsvorgänge in einem größeren Temperaturbereich der Umgebungstemperatur der Zellelektronik durchgeführt werden, da die Wärmeabgabe durch die Ausgleichswiderstände über die Steuerung des Ausgleichsstroms in Abhängigkeit der Temperatur kontrolliert werden kann, d. h. beispielsweise können bei hohen Umgebungstemperaturen Ausgleichsvorgänge mit niedrigen Ausgleichsströmen durchgeführt werden und bei niedrigen Umgebungstemperaturen Ausgleichsvorgänge mit höheren Ausgleichsströmen.In the method according to the invention for controlling the potential equalization of battery cells in a cell network, a compensation current flows through at least one first compensation resistor assigned to one of the battery cells during a compensation process. In this case, the compensation current when activating the compensation process is increased continuously or stepwise to a predetermined maximum value and / or the compensation current is controlled temperature-dependent during the compensation process. Thus, when activating the compensation process, the at least one first, a battery cell associated compensation resistance is not charged abruptly, whereby he is not subject to a large temperature in a short time. The temperature increase of the compensation resistor can be slowed down substantially or arbitrarily by the continuous or step by step start-up of the compensation current, which enormously increases the service life of such compensation resistors and reduces their power loss. Due to the temperature-dependent control of the compensation current during the compensation process, it is possible to control the magnitude of the compensation current through the at least one first compensation resistor, and thus its temperature increase and its heat dissipation to the environment. Thus, the power loss of the at least one compensation resistor can be controlled specifically here as well. Thus, overheating of the cell electronics and consequent damage can be avoided. Furthermore, compensation processes can be carried out in a larger temperature range of the ambient temperature of the cell electronics, since the heat release by the compensation resistances can be controlled via the control of the compensation current as a function of the temperature, i. H. For example, at high ambient temperatures, balancing operations can be performed with low equalizing currents and, at low ambient temperatures, equalizing operations with higher equalizing currents.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zeitdauer einstellbar, die der Ausgleichsstrom beim Aktivieren des Ausgleichsvorgangs benötigt, um den vorbestimmten Maximalwert zu erreichen. So wird ein sanftes Hochfahren des Ausgleichsstroms ermöglicht, das auf die Belastbarkeit der jeweiligen Ausgleichswiderstände angepasst werden kann, was sich wiederum positiv auf deren Lebensdauer auswirkt.In an advantageous embodiment of the invention, a period of time is adjustable, which requires the compensation current when activating the compensation process to reach the predetermined maximum value. This allows a smooth start-up of the compensation current, which can be adapted to the load capacity of the respective balancing resistances, which in turn has a positive effect on their service life.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Steuerung des Ausgleichsstroms mittels einer Pulsweitenmodulations(PMW)-Ansteuerung des mindestens einen ersten einer der Batteriezellen zugeordneten Widerstands erfolgt. Beim Aktivieren des Ausgleichsvorgangs ist es somit möglich, den mindestens einen ersten Ausgleichswiderstand nicht gleich mit dem maximalen Ausgleichsstrom zu belasten, sondern den Ausgleichsstrom über Spannungspulse langsam hochzufahren. Dabei können die Pulsweiten der Spannungspulse durch die PWM moduliert werden. Beispielsweise können die Pulsweiten der Spannungspulse zu Beginn des Aktivierens eines Ausgleichsvorgangs kurz sein, wodurch nur ein geringer Ausgleichsstrom über den Ausgleichswiderstand fließt, und zunehmend länger werden, bis der maximale Ausgleichsstrom erreicht ist. So wird die Temperatur des mindestens einen ersten Ausgleichswiderstands langsam erhöht, was dessen Lebensdauer erhöht.It is also advantageous if the compensation current is controlled by means of a pulse width modulation (PMW) control of the at least one first resistor assigned to one of the battery cells. When activating the compensation process, it is thus possible that the at least one first compensation resistance is not the same to load with the maximum compensation current, but slowly ramp up the compensation current via voltage pulses. The pulse widths of the voltage pulses can be modulated by the PWM. For example, the pulse widths of the voltage pulses at the beginning of activating a balancing operation may be short, whereby only a small compensation current flows across the compensation resistor, and become increasingly longer, until the maximum compensation current is reached. Thus, the temperature of the at least one first compensation resistor is slowly increased, which increases its life.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn beim Aktivieren des Ausgleichsvorgangs mindestens ein zweiter Ausgleichswiderstand zugeschaltet wird, wobei der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Ausgleichswiderstand derselben Batteriezelle zugeordnet sind. Dies verteilt die Temperaturerhöhung beim Aktivieren des Ausgleichsvorgangs auf mindestens zwei Ausgleichswiderstände, was deren Lebensdauer erhöht.Furthermore, it is advantageous if, when activating the compensation process, at least one second compensation resistor is connected, wherein the at least one first and the at least one second compensation resistor are assigned to the same battery cell. This distributes the temperature increase when activating the compensation process to at least two compensation resistors, which increases their service life.
Außerdem ist es vorzuziehen, wenn mehr als ein zweiter Ausgleichswiderstand zugeschaltet wird, dass das Zuschalten der Ausgleichswiderstände zeitlich nacheinander erfolgt. So wird ein sanftes Hochfahren des Ausgleichsstroms ohne die Verwendung einer PWM-Ansteuerung ermöglicht.In addition, it is preferable, if more than a second compensation resistor is switched on, that the connection of the compensation resistors takes place in succession. This allows a soft start-up of the compensation current without the use of PWM control.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, das Zuschalten von mindestens einem zweiten oder auch mehr Ausgleichswiderständen durch eine Parallelschaltung umzusetzen und hochohmige Widerstände zu verwenden. Hochohmige Widerstände sind bei gleicher Bauweise belastbarer als niederohmige Widerstände. Durch eine Parallelschaltung kann dennoch eine beliebig hohe Gesamtstromstärke des Ausgleichsstroms erreicht werden, wobei die Ausgleichswiderstände nur mit einem Bruchteil des gesamten Ausgleichsstroms belastet werden.In addition, it is advantageous to implement the connection of at least one second or more compensation resistors by a parallel connection and to use high-resistance resistors. High-impedance resistors are more resilient than low-resistance resistors with the same design. By a parallel connection, however, an arbitrarily high total current of the compensating current can be achieved, wherein the balancing resistors are charged only with a fraction of the total compensation current.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, dass mindestens ein zweiter Ausgleichswiderstand in Abhängigkeit der Temperatur zuschaltbar oder abschaltbar ist, wobei der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Ausgleichwiderstand derselben Batteriezelle zugeordnet sind. Beispielsweise können bei einer hohen Umgebungstemperatur Ausgleichswiderstände abgeschaltet werden, wodurch sich deren Wärmeabgabe an die Umgebung reduziert. Bei niedriger Umgebungstemperatur können Ausgleichswiderstände zugeschaltet werden, wodurch der gesamte maximale Ausgleichsstrom erhöht und der Ausgleichsvorgang beschleunigt werden kann. Somit ist es auch hier möglich ohne PWM-Ansteuerung den Ausgleichsstrom temperaturabhängig zu steuern und Ausgleichsvorgänge in einem größeren Temperaturbereich der Umgebungstemperatur zu ermöglichen.As a further advantage, it has been found that at least one second compensation resistor can be connected or disconnected as a function of the temperature, wherein the at least one first and the at least one second compensation resistor are assigned to the same battery cell. For example, at a high ambient temperature balancing resistances can be switched off, thereby reducing their heat dissipation to the environment. At low ambient temperatures, balancing resistances can be switched on, which increases the total maximum compensation current and speeds up the balancing process. Thus, it is also possible here to control the compensation current as a function of the temperature without PWM control and to allow compensation processes in a larger temperature range of the ambient temperature.
Der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung liegt das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 zugrunde. Die für das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Ausführungsvarianten beschriebenen Vorteile gelten auch für die erfindungsgemäße Batterievorrichtung und ihre Ausgestaltungsbeispiele.The battery device according to the invention is based on the method according to claim 1. The advantages described for the method according to the invention and its variants also apply to the battery device according to the invention and its exemplary embodiments.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawing.
Dabei zeigt:Showing:
Mit anderen Worten kann durch ein sanftes Hochfahren des Ausgleichsstroms die Temperaturerhöhung pro Zeiteinheit wesentlich bzw. beliebig verringert werden und die Ausgleichswiderstände werden weniger belastet. Dieses sanfte Hochfahren kann beispielsweise durch eine PWM-Ansteuerung der Ausgleichswiderstände realisiert werden, wobei die Pulsweite so zu modulieren ist, dass die Temperaturerhöhung pro Zeiteinheit entsprechend niedrig gehalten werden kann. Weiterhin kann ein sanftes Hochfahren auch durch eine Parallelschaltung von hochohmigen Ausgleichswiderständen, die nacheinander zugeschaltet werden, realisiert werden, was die Temperaturerhöhung auf mehrere Ausgleichswiderstände verteilt.In other words, the temperature increase per unit of time can be substantially or arbitrarily reduced by a smooth start-up of the compensation current and the balancing resistances are less stressed. This gentle startup can be realized for example by a PWM control of the balancing resistors, wherein the pulse width is to be modulated so that the temperature increase per unit time can be kept correspondingly low. Furthermore, a smooth start-up can also be realized by a parallel connection of high-impedance balancing resistors, which are connected in series, which distributes the temperature increase to a plurality of balancing resistances.
Während des Ausgleichsvorgangs kann durch eine PWM-Ansteuerung der Ausgleichswiderstände der Ausgleichsstrom beliebig gesteuert werden und ist nicht auf den maximalen Strom, der sich, wie im Stand der Technik, durch einen ohmschen Widerstand ergibt, begrenzt. Des Weiteren kann auch durch eine Kombination von Ausgleichswiderständen, die entsprechend verschaltet sind, eine Anpassung des Ausgleichsstroms, auch ohne PWM-Ansteuerung, erfolgen. Dadurch ist es möglich die Wärmeentwicklung der Elektronik zu regeln und auch bei hohen Umgebungstemperaturen die Potentiale der Batteriezellen auszugleichen.During the compensation process, the compensation current can be arbitrarily controlled by a PWM control of the balancing resistances and is not limited to the maximum current, which, as in the prior art, results from an ohmic resistance. Furthermore, it is also possible to adapt the equalizing current, even without PWM control, by means of a combination of compensating resistors which are appropriately connected. This makes it possible to regulate the heat development of the electronics and to compensate for the potentials of the battery cells even at high ambient temperatures.
Insgesamt werden so ein Verfahren zur Steuerung des Potentialausgleichs von Batteriezellen in einem Zellverbund und eine Batterievorrichtung mit einer Zellüberwachungsanordnung geschaffen, die die Lebensdauer von Ausgleichswiderständen erheblich erhöhen und es durch die temperaturabhängige Steuerung des Ausgleichsstroms ermöglichen, Ausgleichsvorgänge in größeren Temperaturbereichen der Umgebungstemperatur durchzuführen und gleichzeitig die Zellelektronik zu schonen.Overall, such a method for controlling the potential equalization of battery cells in a cell assembly and a battery device are provided with a cell monitoring device, which significantly increase the life of balancing resistors and allow the temperature-dependent control of the compensation current to perform balancing operations in larger temperature ranges of the ambient temperature and at the same time the cell electronics to protect.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- AktivierenActivate
- 22
- Ausgleichsvorgangsettlement process
- 55
- Ausgleichsstromtransient
- Imax I max
- Maximalwertmaximum value
- t0 t 0
- Zeitdauertime
Claims (7)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE102012000653A DE102012000653A1 (en) | 2012-01-14 | 2012-01-14 | Method for controlling potential equalization of battery cells in cell composite, involves raising continuously or stepwise compensation current to predetermined maximum value upon activation of first equalization process |
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DE102012000653A Withdrawn DE102012000653A1 (en) | 2012-01-14 | 2012-01-14 | Method for controlling potential equalization of battery cells in cell composite, involves raising continuously or stepwise compensation current to predetermined maximum value upon activation of first equalization process |
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2012
- 2012-01-14 DE DE102012000653A patent/DE102012000653A1/en not_active Withdrawn
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