DE102012006247A1

DE102012006247A1 - Device for operating electrochemical energy storage device e.g. lithium ion battery, of battery management system, has cell controllers that are provided with charge compensation device to perform charge balance between storage cells

Info

Publication number: DE102012006247A1
Application number: DE201210006247
Authority: DE
Inventors: Alexander Bergenthal
Original assignee: Wolf E GmbH; eWolff GmbH
Current assignee: Solarwatt Innovation GmbH
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-02

Abstract

The device has several series-connected energy storage cells (10) with charge equalization line (20), which are provided with cell controllers. The cell controllers are provided with a charge compensation device which performs a charge balance between the energy storage cells via the charge equalization line. An independent claim is included for method for operating energy storage device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung, insbesondere einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung.The present invention relates to an apparatus and a method for operating an energy storage device, in particular an electrochemical energy storage device.

Bei Energiespeichervorrichtungen mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen entsteht insbesondere über die Betriebsdauer der Energiespeichervorrichtung im Allgemeinen ein Ungleichgewicht zwischen den Ladezuständen der einzelnen Energiespeicherzellen. Ein Überladen oder Tiefentladen von Energiespeicherzellen kann zu irreversiblen Schäden führen. Dies gilt insbesondere auch für Lithium-Ionen-Energiespeicherzellen. Aus diesem Grund wird üblicherweise in regelmäßigen Abständen ein Ladungsausgleich zwischen den Energiespeicherzellen, ein so genanntes Balancing, zum Angleichen ihrer Ladezustände durchgeführt.In the case of energy storage devices having a large number of energy storage cells connected in series, an imbalance between the states of charge of the individual energy storage cells generally arises, in particular over the operating period of the energy storage device. Overcharging or over-discharging energy storage cells can lead to irreversible damage. This applies in particular to lithium-ion energy storage cells. For this reason, usually at regular intervals, a charge balance between the energy storage cells, a so-called balancing, performed to adjust their charge states.

Ein bekanntes System für einen solchen Ladungsausgleich ist das so genannte resistive oder passive Balancing. Dabei ist jeder Energiespeicherzelle ein ohmscher Widerstand parallel geschaltet, über den die Energiespeicherzelle entladen werden kann. Wird ein ungleicher Ladezustand der Energiespeicherzellen erfasst, so werden die Energiespeicherzellen mit einem höheren Ladezustand solange über ihre ohmschen Widerstände unter Umwandlung der in den Energiespeicherzellen gespeicherten Energie in Wärme entladen bis die Ladezustände der Energiespeicherzellen wieder untereinander angeglichen sind. Beim resistiven Balancing entsteht jedoch relativ viel Verlustleistung in Form von Wärme. Zum Konzept des resistiven Balancings wird beispielhaft auf die DE 10 2010 005 666 A1 verwiesen.One known system for such charge balancing is so-called resistive or passive balancing. Each energy storage cell is connected in parallel with an ohmic resistor, via which the energy storage cell can be discharged. If an unequal state of charge of the energy storage cells is detected, the energy storage cells with a higher state of charge are discharged as long as their ohmic resistors by converting the energy stored in the energy storage cells into heat until the charge states of the energy storage cells are again aligned with each other. In resistive balancing, however, there is a relatively large amount of power dissipation in the form of heat. The concept of resistive balancing is exemplified by the DE 10 2010 005 666 A1 directed.

Für den Ladungsausgleich von Energiespeicherzellen ist es ferner bekannt, zum Beispiel beim Laden die Energiespeicherzellen mit einem höheren Ladezustand (früher) vom Ladevorgang zu trennen, um ein Angleichen der Ladezustände zu erreichen. Analog können beim Entladen jene Energiespeicherzellen mit einem niedrigeren Ladezustand (früher) von dem Entladevorgang getrennt werden. Zu diesem Konzept des Ladungsausgleiches wird beispielhaft auf die DE 10 2008 060 936 A1 verwiesen.For the charge balance of energy storage cells, it is also known, for example, when charging the energy storage cells with a higher state of charge (earlier) to disconnect from the charging process to achieve an adjustment of the charge states. Similarly, when discharging those energy storage cells with a lower state of charge (earlier) can be separated from the discharge. This concept of charge compensation is exemplified in the DE 10 2008 060 936 A1 directed.

Ferner offenbart die DE 101 34 147 A1 eine Vorrichtung für den Ladungsausgleich zwischen Energiespeicherzellen, bei welcher die Energiespeicherzellen über eine gemeinsame Ringleitung miteinander verbunden sind, wobei jede Energiespeicherzelle über eine Schaltvorrichtung mit der Ringleitung verbunden bzw. von dieser getrennt werden kann. Zum Balancing werden jeweils zwei der Energiespeicherzellen über ihre Schaltvorrichtungen mit der Ringleitung verbunden, sodass sich ihre Ladezustände angleichen.Further, the DE 101 34 147 A1 a device for the charge balance between energy storage cells, wherein the energy storage cells are connected to each other via a common loop, wherein each energy storage cell can be connected via a switching device to the loop or separated from it. For balancing two of the energy storage cells are connected via their switching devices to the loop, so that their charge states equalize.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung mit mehreren Energiespeicherzellen zu schaffen, die bei einem geringen Verkabelungsaufwand einen effizienten Ladungsausgleich zwischen den Energiespeicherzellen ermöglichen.It is an object of the present invention to provide an improved apparatus and an improved method for operating an energy storage device with a plurality of energy storage cells, which enable an efficient charge equalization between the energy storage cells with a low cabling expenditure.

Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Besonders bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This is achieved according to the invention by the teaching of the independent claims. Particularly preferred developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung mit mehreren insbesondere in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen sind die Energiespeicherzellen der Energiespeichervorrichtung jeweils mit einer Zellsteuerung versehen und ist jede der Energiespeicherzellen mit genau einer Ladungsausgleichsleitung zu genau einer anderen Energiespeicherzelle versehen. Die Zellsteuerungen der Energiespeicherzellen weisen jeweils eine Ladungsausgleichseinrichtung auf, welche ausgebildet ist, um über die Ladungsausgleichsleitung der Energiespeicherzelle einen Ladungsausgleich mit der anderen Energiespeicherzelle auszuführen.In the device according to the invention for operating an energy storage device having a plurality of energy storage cells connected in series, the energy storage cells of the energy storage device are each provided with a cell control and each of the energy storage cells is provided with exactly one charge equalization line to exactly one other energy storage cell. The cell controllers of the energy storage cells each have a charge balancing device, which is designed to carry out a charge compensation with the other energy storage cell via the charge equalization line of the energy storage cell.

Bei dieser Konstruktion der Vorrichtung zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung sind die mehreren Energiespeicherzellen zum Zwecke des Ladungsausgleichs seriell miteinander verschaltet. Das heißt über die Ladungsausgleichsleitungen zwischen den Energiespeicherzellen kann jeweils nur ein Ladungsausgleich zwischen (schaltungstechnisch) benachbarten Energiespeicherzellen durchgeführt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, bei denen der Ladungsausgleich einer Energiespeicherzelle mit allen anderen Energiespeicherzellen der Energiespeichervorrichtung möglich ist, ist der Verkabelungsaufwand deutlich reduziert. Obwohl der Ladungsausgleich jeweils nur mit einer benachbarten Energiespeicherzelle möglich ist, können die Ladezustände der Energiespeicherzellen der Energiespeichervorrichtung innerhalb weniger iterativer Ladungsausgleichsvorgänge aneinander angeglichen werden.In this construction of the apparatus for operating an energy storage device, the plurality of energy storage cells are connected in series with each other for the purpose of charge equalization. That is, via the charge equalization lines between the energy storage cells, in each case only one charge equalization can be performed between (circuitry-wise) adjacent energy storage cells. In contrast to conventional systems in which the charge equalization of an energy storage cell with all other energy storage cells of the energy storage device is possible, the cabling effort is significantly reduced. Although the charge equalization is only possible with an adjacent energy storage cell, the charge states of the energy storage cells of the energy storage device can be matched to one another within a few iterative charge equalization processes.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist grundsätzlich für beliebig große Anzahlen von Energiespeicherzellen geeignet. Außerdem kann die Anzahl der Energiespeicherzellen in der Energiespeichervorrichtung problemlos verändert werden, ohne die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems in Bezug auf das Balancing zu beeinträchtigen.The device according to the invention is basically suitable for any number of energy storage cells. In addition, the number of energy storage cells in the energy storage device can be easily changed without affecting the functioning of the battery management system according to the invention in terms of balancing.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Ladezustände von benachbarten Energiespeicherzellen aneinander angeglichen werden, indem Energie von der Energiespeicherzelle mit höherem Ladezustand über die Ladungsausgleichsleitung auf die Energiespeicherzelle mit niedrigerem Ladezustand übertragen wird. Die Übertragungsverluste, bedingt durch die Ladungsausgleichsleitung und die Ladungsausgleichseinrichtung der Zellsteuerung, sind in diesem Fall sehr gering, insbesondere im Vergleich zu den Energieverlusten beim eingangs beschriebenen resistiven Balancing.With the device according to the invention, the states of charge of adjacent energy storage cells can be matched to one another, by transferring energy from the higher state of charge energy storage cell via the charge equalization line to the lower state of charge energy storage cell. The transmission losses caused by the charge equalization line and the charge balancing device of the cell controller are very low in this case, in particular in comparison to the energy losses in the case of the resistive balancing described above.

Bei dem erfindungsgemäßen System kann der Ladungsausgleich zwischen den Energiespeicherzellen der Energiespeichervorrichtung zudem dezentral über die Zellsteuerungen der einzelnen Energiespeicherzellen organisiert werden. Diese Zellsteuerungen werden vorzugsweise von der jeweiligen Energiespeicherzelle mit Energie versorgt, sodass der Ladungsausgleich grundsätzlich unabhängig von einer übergeordneten Steuerung der Energiespeicherzellen bzw. deren Funktionsfähigkeit durchgeführt werden kann.In the system according to the invention, the charge balance between the energy storage cells of the energy storage device can also be organized decentrally via the cell controls of the individual energy storage cells. These cell controllers are preferably supplied with energy by the respective energy storage cell, so that the charge equalization can basically be carried out independently of a higher-level control of the energy storage cells or their functionality.

Unter einer „Energiespeichervorrichtung” wird im Sinne der Erfindung eine Einrichtung verstanden, die in der Lage ist, insbesondere elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Eine Energiespeichervorrichtung im Sinne der Erfindung weist mehrere Energiespeicherzellen, d. h. wenigstens drei Energiespeicherzellen, insbesondere einige zehn oder sogar über hundert Energiespeicherzellen auf. Bei einer großen Anzahl von Energiespeicherzellen in der Energiespeichervorrichtung sind diese vorzugsweise zu Gruppen zusammengefasst und die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich dann vorzugsweise jeweils auf eine Gruppe von Energiespeicherzellen.For the purposes of the invention, an "energy storage device" is understood to mean a device which is capable of picking up, storing and discharging, in particular, electrical energy, in particular using electrochemical processes. An energy storage device according to the invention comprises a plurality of energy storage cells, d. H. at least three energy storage cells, in particular a few tens or even more than a hundred energy storage cells. In the case of a large number of energy storage cells in the energy storage device, these are preferably grouped together, and the device according to the invention then preferably relates in each case to a group of energy storage cells.

Als eine „Energiespeicherzelle” wird im Sinne der Erfindung eine in sich abgeschlossene Funktionseinheit der Energiespeichervorrichtung verstanden, die für sich genommen ebenfalls in der Lage ist, elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Eine Energiespeicherzelle kann beispielsweise, aber nicht für eine galvanische Primär- oder Sekundärzelle, eine Brennstoffzelle, ein Hochleistungskondensator oder eine Energiespeicherzelle anderer Art sein. Insbesondere soll in diesem Zusammenhang unter einer Energiespeicherzelle eine elektrochemische Energiespeicherzelle verstanden werden, die Energie in chemischer Form speichern, in elektrischer Form an einen Verbraucher abgeben und vorzugsweise auch in elektrischer Form von einer Ladeeinrichtung aufnehmen kann.Within the meaning of the invention, an "energy storage cell" is understood to be a self-contained functional unit of the energy storage device, which per se is likewise able to absorb, store and dispense electrical energy, in particular by utilizing electrochemical processes. An energy storage cell may be, for example but not for a galvanic primary or secondary cell, a fuel cell, a high power capacitor or an energy storage cell of another kind. In particular, in this context an energy storage cell is to be understood as meaning an electrochemical energy storage cell which stores energy in chemical form, delivers it in electrical form to a consumer and preferably can also receive it in electrical form from a charging device.

Unter „benachbarten” Energiespeicherzellen sollen in diesem Zusammenhang schaltungstechnisch benachbarte, d. h. (über eine Ladungsausgleichsleitung) miteinander verbundene Energiespeicherzellen verstanden werden. In diesem Sinne sind die benachbarten Energiespeicherzellen nicht zwingend auch örtlich benachbart, auch wenn dies hinsichtlich des Verkabelungsaufwandes bevorzugt ist, und ist diese schaltungstechnische Nachbarschaft nicht zwingend identisch zur Reihenschaltung der Energiespeicherzellen für die Lade- und Entladevorgänge, auch wenn dies ebenfalls bevorzugt ist.In this context, "adjacent" energy storage cells are intended to be adjacent to each other in terms of circuitry, ie. H. be understood (via a charge equalization line) interconnected energy storage cells. In this sense, the adjacent energy storage cells are not necessarily locally adjacent, even if this is preferred in terms of cabling effort, and this circuitry neighborhood is not necessarily identical to the series connection of the energy storage cells for charging and discharging, although this is also preferred.

Der Begriff „Zellsteuerung” soll in diesem Zusammenhang jede Art von Einrichtung bezeichnen, welche genau einer Energiespeicherzelle zugeordnet ist und zum Steuern des Betriebs der jeweiligen Energiespeicherzelle ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Zellsteuerung zum Erfassen von Betriebsparametern (Ladezustand, Temperatur, Umgebungstemperatur, Spannung, Ladestrom, Entladestrom, etc.) der jeweiligen Energiespeicherzelle ausgebildet bzw. mit einer entsprechenden Einrichtung ausgestattet. Gemäß der Erfindung weist die Zellsteuerung eine Ladungsausgleichseinrichtung zum Ausführen eines Ladungsausgleiches zwischen benachbarten Energiespeicherzellen auf. Die Zellsteuerung ist vorzugsweise an der Energiespeicherzelle angeordnet, besonders bevorzugt als Baueinheit unmittelbar an dieser angeordnet und befestigt.The term "cell control" should in this context denote any type of device which is assigned to exactly one energy storage cell and designed to control the operation of the respective energy storage cell. Preferably, the cell controller is designed to detect operating parameters (state of charge, temperature, ambient temperature, voltage, charging current, discharge current, etc.) of the respective energy storage cell or equipped with a corresponding device. According to the invention, the cell controller has a charge balancing device for carrying out a charge compensation between adjacent energy storage cells. The cell control is preferably arranged on the energy storage cell, particularly preferably arranged and fixed directly as a structural unit.

Die „Ladungsausgleichsleitung” soll in diesem Zusammenhang jede Art von elektrisch leitender Verbindungseinrichtung bezeichnen, welche für einen Ladungstransport bzw. Energiefluss zwischen zwei benachbarten Energiespeicherzellen, welche über diese Ladungsausgleichsleitung miteinander verbunden sind, geeignet ist. Die Ladungsausgleichsleitung weist vorzugsweise zwei parallel geschaltete Drähte auf, welche mit den Stromableitern der benachbarten Energiespeicherzellen (direkt oder mittelbar) verbunden sind. Über die Ladungsausgleichsleitung können vorzugsweise Ausgleichsströme im Bereich von bis zu etwa 500 mA bis 1 A fließen, wobei bevorzugt ein Wirkungsgrad von bis zu über 80% erzielbar ist.The "charge equalization line" in this context is intended to denote any type of electrically conductive connection device which is suitable for charge transport or energy flow between two adjacent energy storage cells, which are connected to one another via this charge equalization line. The charge equalization line preferably has two wires connected in parallel, which are connected to the current conductors of the adjacent energy storage cells (directly or indirectly). Balancing currents in the range of up to about 500 mA to 1 A can preferably flow via the charge equalization line, with an efficiency of up to more than 80% preferably being achievable.

Unter dem Begriff „Ladungsausgleichseinrichtung” soll in diesem Zusammenhang jede Art von Einrichtung verstanden werden, die in der Lage ist, über die mit ihr verbundene Ladungsausgleichsleitung einen Ladungsausgleich zwischen den benachbarten Energiespeicherzellen auszuführen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist für jede Energiespeicherzelle nur eine Ladungsausgleichseinrichtung erforderlich. Die Ladungsausgleichseinrichtung enthält vorzugsweise einen DC/DC-Wandler. Der Ladungsausgleichsvorgang wird vorzugsweise durch die Zellsteuerung der Energiespeicherzelle initiiert.In this context, the term "charge balancing device" should be understood to mean any type of device which is capable of carrying out charge equalization between the adjacent energy storage cells via the charge balancing line connected to it. In the device according to the invention, only one charge balancing device is required for each energy storage cell. The charge balancing device preferably includes a DC / DC converter. The charge equalization process is preferably initiated by the cell control of the energy storage cell.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Zellsteuerungen der Energiespeicherzellen jeweils eine Messeinrichtung zum Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters der Energiespeicherzelle auf, aus dem ein Ladezustand (SOC, State of Charge) der jeweiligen Energiespeicherzelle bestimmt werden kann. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Messeinrichtung ausgebildet, um eine Spannung und eine Temperatur an den Stromableitern der jeweiligen Energiespeicherzelle zu erfassen, um daraus den Ladezustand der Energiespeicherzelle bestimmen zu können. Die Bestimmung des Ladezustandes der Energiespeicherzelle kann in diesem Fall durch die Messeinrichtung selbst, durch die Zellsteuerung oder durch eine übergeordnete Steuerung der Energiespeichervorrichtung erfolgen.In a preferred embodiment of the invention, the cell controllers of the energy storage cells each have a measuring device for Detecting at least one operating parameter of the energy storage cell, from which a state of charge (SOC, State of charge) of the respective energy storage cell can be determined. Preferably, the at least one measuring device is designed to detect a voltage and a temperature at the current conductors of the respective energy storage cell in order to be able to determine therefrom the state of charge of the energy storage cell. The determination of the state of charge of the energy storage cell can be carried out in this case by the measuring device itself, by the cell control or by a higher-level control of the energy storage device.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Zellsteuerungen der Energiespeicherzellen jeweils eine Kommunikationseinrichtung zur Kommunikation mit den Zellsteuerungen der anderen Energiespeicherzellen auf. Über diese Kommunikationseinrichtungen können sich die Zellsteuerungen zum Beispiel gegenseitig den Ladezustand der Energiespeicherzellen mitteilen, um daraus zu bestimmen, zwischen welchen benachbarten Energiespeicherzellen ein Ladungsausgleich stattfinden soll. Die Kommunikationseinrichtungen dienen jeweils vorzugsweise einer drahtgebundenen Kommunikationsverbindung oder einer drahtlosen Kommunikationsverbindung (bevorzugt Funk, Nahfeldfunk). Die Kommunikationseinrichtungen dienen jeweils vorzugsweise der Übermittlung von Steuersignalen und/oder Datensignalen.In a further preferred embodiment of the invention, the cell controllers of the energy storage cells each have a communication device for communicating with the cell controllers of the other energy storage cells. For example, the cell controllers can communicate with one another about the state of charge of the energy storage cells via these communication devices in order to determine between which adjacent energy storage cells a charge equalization should take place. The communication devices preferably each serve a wired communication connection or a wireless communication connection (preferably radio, near-field radio). The communication devices are each preferably used to transmit control signals and / or data signals.

Vorzugsweise stehen die Kommunikationseinrichtungen der Zellsteuerungen der Energiespeicherzellen über eine Kommunikationsleitung seriell miteinander in Kommunikationsverbindung. Diese serielle Kommunikationsverbindung reduziert den Verkabelungsaufwand. Die Kommunikationsleitung enthält je nach eingesetztem Codier- oder Modulationsverfahren vorzugsweise zwei, drei oder vier Drähte oder ist vorzugsweise durch eine Modulation der Signale auf die Verbindungsleitungen der Reihenschaltung der Energiespeicherzellen gebildet.The communication devices of the cell controllers of the energy storage cells are preferably in serial communication with one another via a communication line. This serial communication connection reduces the cabling effort. Depending on the coding or modulation method used, the communication line preferably contains two, three or four wires or is preferably formed by modulating the signals onto the connecting lines of the series connection of the energy storage cells.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung stehen die Kommunikationseinrichtungen der Zellsteuerungen der Energiespeicherzellen mit einer (übergeordneten) Steuerung in Kommunikationsverbindung. Vorzugsweise stehen die Zellsteuerungen aller Energiespeicherzellen mit einer gemeinsamen Steuerung in Kommunikationsverbindung. Bei einer größeren Anzahl von Energiespeicherzellen stehen die Zellsteuerungen der Energiespeicherzellen vorzugsweise gruppenweise mit jeweils einer übergeordneten Steuerung (Slave-Modul) in Kommunikationsverbindung und stehen diese mehreren Steuerungen mit einer (zentralen) Hauptsteuerung (Master-Modul) der Energiespeichervorrichtung in Kommunikationsverbindung. Die übergeordnete(n) Steuerung(en) geben vorzugsweise einen Befehl zum Starten eines Balancing-Vorganges an die Zellsteuerungen der Energiespeicherzellen aus.In a further preferred refinement of the invention, the communication devices of the cell controllers of the energy storage cells are in communication connection with a (higher-level) controller. The cell controllers of all energy storage cells preferably communicate with a common controller. In the case of a larger number of energy storage cells, the cell controllers of the energy storage cells are preferably in groups, each in communication with a higher-level controller (slave module), and these multiple controllers are in communication communication with a (central) main controller (master module) of the energy storage device. The superordinate controller (s) preferably issue a command for starting a balancing process to the cell controllers of the energy storage cells.

In einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Ladungsausgleichseinrichtungen der Zellsteuerungen der Energiespeicherzellen jeweils eine galvanische Trennung zur anderen Energiespeicherzelle auf. Zu diesem Zweck enthalten die Ladungsausgleichseinrichtungen vorzugsweise einen Sperrwandler (auch als „Flyback Converter” bezeichnet), d. h. einen DC/DC-Wandler mit einer (hochfrequenten) Potentialtrennung. Die Potentialtrennung führt zu einer hohen Störsicherheit der Energiespeichervorrichtung.In a still further preferred embodiment of the invention, the charge balancing devices of the cell controllers of the energy storage cells each have a galvanic isolation to the other energy storage cell. For this purpose, the charge balancing devices preferably include a flyback converter (also referred to as "flyback converter"), i. H. a DC / DC converter with a (high-frequency) potential separation. The potential separation leads to a high immunity to interference of the energy storage device.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung, welche mehrere insbesondere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen aufweist, bei welchem jede der Energiespeicherzellen über genau eine Ladungsausgleichsleitung mit genau einer anderen Energiespeicherzelle verbunden ist, mit den Schritten:

(a) Ermitteln der Ladezustände der Energiespeicherzellen;
(b) Bestimmen eines Paares von über eine Ladungsausgleichsleitung miteinander verbundenen Energiespeicherzellen, deren ermittelte Ladezustände unterschiedlich sind; und
(c) Ausführen eines Ladungsausgleiches in dem bestimmten Paar von Energiespeicherzellen von der Energiespeicherzelle mit dem höheren Ladezustand über die Ladungsausgleichsleitung zu der Energiespeicherzelle mit dem niedrigeren Ladezustand.

The present invention also provides a method for operating an energy storage device which has a plurality of energy storage cells connected in particular in series, in which each of the energy storage cells is connected to exactly one other energy storage cell via exactly one charge equalization line, with the steps:

(a) determining the charge states of the energy storage cells;
(b) determining a pair of energy storage cells interconnected via a charge equalization line whose determined states of charge are different; and
(c) performing charge equalization in the particular pair of energy storage cells from the higher state of charge energy storage cell via the charge equalization line to the lower state of charge energy storage cell.

Die oben in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Vorteile und Begriffsdefinitionen gelten für dieses Verfahren gemäß der Erfindung in entsprechender Weise, ohne dass diese nochmals wiederholt werden müssten.The advantages and definitions of terms explained above in connection with the device according to the invention apply correspondingly to this method according to the invention, without these having to be repeated again.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die obigen Schritte (a), (b) und (c) mehrmals nacheinander ausgeführt, um einen Ladungsausgleich zwischen den Energiespeicherzellen der Energiespeichervorrichtung zu erzielen.In a preferred embodiment of the invention, the above steps (a), (b) and (c) are carried out a plurality of times in succession in order to achieve a charge equalization between the energy storage cells of the energy storage device.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der obige Schritt (c) nur durchgeführt, wenn ein maximaler Unterschied zwischen den Ladezuständen der Energiespeicherzellen ein vorbestimmtes Maß übersteigt. Mit anderen Worten wird ein Ladungsausgleich zwischen benachbarten Energiespeicherzellen durchgeführt, wenn sich die Ladezustände der Energiespeicherzellen der Energiespeichervorrichtung insgesamt zu sehr unterscheiden. Das Balancing zwischen den Energiespeicherzellen der Energiespeichervorrichtung wird damit beendet, wenn sich die Ladezustände aller Energiespeicherzellen innerhalb einer vorbestimmten Differenzbandbreite (des absoluten oder relativen Ladezustandes) liegen.In a further preferred embodiment of the invention, the above step (c) is performed only when a maximum difference between the states of charge of the energy storage cells exceeds a predetermined level. In other words, a charge balance between adjacent energy storage cells is performed when the charge states of the energy storage cells of the energy storage device differ too much overall. The balancing between the energy storage cells of the energy storage device is thus terminated, when the states of charge of all energy storage cells are within a predetermined difference bandwidth (the absolute or relative state of charge).

Alternativ ist es auch möglich, den obigen Schritt (c) nur durchzuführen, wenn der Unterschied zwischen den Ladezuständen in dem bestimmten Paar von Energiespeicherzellen ein vorbestimmtes Maß übersteigt. Mit anderen Worten wird in diesem Fall ein Ladungsausgleich zwischen benachbarten Energiespeicherzellen durchgeführt, wenn sich ihr Ladezustandsunterschied außerhalb eines vorgegebenen Bereiches befindet. Das Balancing zwischen allen Energiespeicherzellen der Energiespeichervorrichtung wird damit durchgeführt, wenn sich der Ladezustandsunterschied wenigstens eines Paares von benachbarten Energiespeicherzellen außerhalb eines vorgegebenen Bereiches befindet, und beendet, wenn sich die Ladezustandsunterschiede aller Paare von benachbarten Energiespeicherzellen innerhalb des vorgegebenen Bereiches befinden.Alternatively, it is also possible to perform the above step (c) only when the difference between the states of charge in the particular pair of energy storage cells exceeds a predetermined amount. In other words, in this case, charge balance is performed between adjacent energy storage cells when their state of charge difference is outside a predetermined range. The balancing between all the energy storage cells of the energy storage device is performed when the state of charge difference of at least one pair of adjacent energy storage cells is outside a predetermined range and ends when the state of charge differences of all pairs of adjacent energy storage cells are within the predetermined range.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden in Schritt (b) mehrere Paare von Energiespeicherzellen bestimmt, deren ermittelte Ladezustände unterschiedlich sind; und wird in Schritt (c) gleichzeitig ein Ladungsausgleich in mehreren bestimmten Paaren von Energiespeicherzellen über die jeweilige Ladungsausgleichsleitung ausgeführt. Auf diese Weise kann die für das Balancing benötigte Zeitdauer reduziert werden.In a further preferred embodiment of the invention, a plurality of pairs of energy storage cells are determined in step (b) whose determined charge states are different; and in step (c), charge equalization is simultaneously performed in a plurality of particular pairs of energy storage cells via the respective charge equalization line. In this way, the time required for the balancing can be reduced.

In einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird für die Energiespeicherzellen jeweils wenigstens ein Betriebsparameter erfasst, aus dem ein Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzelle bestimmt werden kann. Vorzugsweise werden eine Spannung und eine Temperatur an den Stromableitern der jeweiligen Energiespeicherzelle erfasst, um daraus den Ladezustand der Energiespeicherzelle bestimmen zu können.In yet another preferred embodiment of the invention, at least one operating parameter is detected in each case for the energy storage cells, from which state of charge of the respective energy storage cell can be determined. Preferably, a voltage and a temperature are detected at the current conductors of the respective energy storage cell in order to be able to determine therefrom the state of charge of the energy storage cell.

Ferner kommunizieren die Energiespeicherzellen vorzugsweise jeweils mit den anderen Energiespeicherzellen, vorzugsweise seriell, und/oder mit einer (übergeordneten) Steuerung.Furthermore, the energy storage cells preferably each communicate with the other energy storage cells, preferably serially, and / or with a (higher-level) controller.

Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Zeichnungen. Darin zeigen:The above and other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of various preferred embodiments in conjunction with the drawings. Show:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic representation of an apparatus for operating an energy storage device according to an embodiment of the present invention;

2 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2 a schematic block diagram of an apparatus for operating an energy storage device according to an embodiment of the present invention;

3 eine schematische Veranschaulichung des Ladungsausgleiches zwischen mehreren Energiespeicherzellen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3 a schematic illustration of the charge balance between a plurality of energy storage cells according to a first embodiment of the present invention;

4 eine schematische Veranschaulichung des Ladungsausgleiches zwischen mehreren Energiespeicherzellen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 4 a schematic illustration of the charge balance between a plurality of energy storage cells according to a second embodiment of the present invention; and

5 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. 5 a schematic block diagram of an apparatus for operating an energy storage device according to another embodiment of the invention.

Bezug nehmend auf 1 wird zunächst das Grundprinzip der Erfindung anhand eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems (BMS) näher erläutert.Referring to 1 First, the basic principle of the invention with reference to a first embodiment of a battery management system (BMS) according to the invention will be explained in more detail.

1 zeigt beispielhaft eine Energiespeichervorrichtung bzw. Batterieanordnung mit vier Energiespeicherzellen 10, welche bezüglich der Lade- und Entladevorgänge in Reihe zueinander geschaltet sind (nicht dargestellt). Die Energiespeichervorrichtung enthält zudem eine Steuerung 14, welche einen Teil des Batteriemanagementsystems bildet. 1 shows an example of an energy storage device or battery arrangement with four energy storage cells 10 which are connected in series with respect to the charging and discharging operations (not shown). The energy storage device also includes a controller 14 , which forms part of the battery management system.

Die vier Energiespeicherzellen 10 sind zum Zwecke des Balancings über Ladungsausgleichsleitungen 20 seriell miteinander verschaltet. Über diese Ringschaltung sind die Energiespeicherzellen 10 insbesondere nur paarweise (Zellen 4 – 3, 3 – 2, 2 – 1 bzw. 1–4) miteinander verbunden.The four energy storage cells 10 are for the purpose of balancing via charge equalization lines 20 connected in series with each other. About this ring circuit are the energy storage cells 10 in particular only in pairs (cells 4 - 3, 3 - 2, 2 - 1 or 1-4) connected to each other.

Ferner stehen die vier Energiespeicherzellen 10 miteinander und mit der Steuerung 14 in Kommunikationsverbindung. Diese Kommunikationsverbindung ist beispielsweise durch eine Kommunikationsringleitung 22 in der Art eines Datenbusses realisiert. Der Datenbus kann je nach Ausführungsform zum Beispiel zwei, drei oder vier Drähte aufweisen, insbesondere je nach Art der eingesetzten Modulation oder Codierung und des Kommunikationsprotokolls (vgl. „Daisy Chain”-Prinzip, „Manchaster”-Codierung, „Phase Shift Keying”).Furthermore, the four energy storage cells are available 10 with each other and with the controller 14 in communication connection. This communication connection is for example through a communication loop 22 realized in the manner of a data bus. Depending on the embodiment, the data bus can have, for example, two, three or four wires, in particular depending on the type of modulation or coding used and the communication protocol (see "Daisy Chain" Principle, "Manchaster" Coding, "Phase Shift Keying"). ,

Die Steuerung 14 initiiert in regelmäßigen Abständen ein Balancing. Hierzu sendet sie ein entsprechendes Start-Signal an die Energiespeicherzellen 10. Beim Balancing werden zunächst die Ladezustände der Energiespeicherzellen 10 ermittelt und wird dann bestimmt, ob ein Ladungsausgleich erforderlich ist, und wenn ja, zwischen welchen Paaren von benachbarten Energiespeicherzellen 10 ein Ladungsausgleich ausgeführt werden muss. Wird festgestellt, dass der Ladezustandsunterschied zwischen den Energiespeicherzellen zu groß ist, d. h. der Unterschied zwischen dem minimalen Ladezustand und dem maximalen Ladezustand der Energiespeicherzellen 10 zu groß ist, d. h. einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt, so wird bestimmt, dass ein Balancing durchzuführen ist.The control 14 initiates balancing at regular intervals. For this purpose, it sends a corresponding start signal to the energy storage cells 10 , When balancing first the charge states of the energy storage cells 10 determines and then determines whether a charge equalization is required, and if so, between which pairs of adjacent energy storage cells 10 one Charge balance must be performed. It is determined that the state of charge state difference between the energy storage cells is too large, ie the difference between the minimum state of charge and the maximum state of charge of the energy storage cells 10 is too large, ie exceeds a predetermined limit, it is determined that a balancing is to be performed.

Anschließend bestimmt die Steuerung 14, zwischen welchen Paaren von Energiespeicherzellen 10 ein Ladungsausgleich durchgeführt werden soll. Dies kann – je nach Ausführungsform – auf verschiedene Weisen erfolgen.Subsequently, the controller determines 14 between which pairs of energy storage cells 10 a charge equalization should be performed. This can - depending on the embodiment - done in various ways.

Zum Beispiel kann jeweils die Energiespeicherzelle mit dem höchsten Ladezustand ermittelt und dann ein Ladungsausgleich zwischen dieser und ihrer benachbarten Energiespeicherzelle durchgeführt werden. Falls ein Ladungsausgleich zwischen benachbarten Energiespeicherzellen in beiden Richtungen der Serienschaltung möglich ist, wird vorzugsweise die Nachbarzelle mit dem niedrigeren Ladezustand bestimmt und der Ladungsausgleich dann mit dieser Energiespeicherzelle durchgeführt.For example, in each case the energy storage cell can be determined with the highest state of charge and then a charge balance between this and its adjacent energy storage cell can be performed. If charge equalization between adjacent energy storage cells in both directions of the series connection is possible, the neighboring cell with the lower charge state is preferably determined and the charge compensation is then performed with this energy storage cell.

Falls gleichzeitig mehrere Ladungsausgleichsvorgänge zwischen benachbarten Paaren von Energiespeicherzellen möglich sind, kann neben der Energiespeicherzelle mit dem höchsten Ladezustand noch eine weitere geeignete Energiespeicherzelle ermittelt werden, die für den Ladungsausgleich ausgewählt werden soll. Bei dieser weiteren Energiespeicherzelle kann es sich zum Beispiel um die Energiespeicherzelle mit dem niedrigsten Ladezustand oder um die Energiespeicherzelle mit dem zweithöchsten Ladezustand handeln. Je nach Gesamtzahl der miteinander verschalteten Energiespeicherzellen können auch mehr als zwei Energiespeicherzellen als Ausgangspunkt für einen anschließenden Ladungsausgleich ausgewählt werden.If at the same time several charge equalization processes between adjacent pairs of energy storage cells are possible, in addition to the energy storage cell with the highest state of charge still another suitable energy storage cell can be determined, which is to be selected for the charge equalization. This further energy storage cell may be, for example, the energy storage cell with the lowest charge state or the energy storage cell with the second highest charge state. Depending on the total number of interconnected energy storage cells, more than two energy storage cells can also be selected as the starting point for a subsequent charge equalization.

Dabei ist allerdings zu beachten, dass je nach Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung eine Energiespeicherzelle einen Ladungsausgleich jeweils nur mit einer Nachbarzelle, nicht aber mit beiden Nachbarzellen gleichzeitig durchführen kann. In anderen Ausführungsformen, welche letztlich das effektivste Balancing ermöglichen, kann eine Energiespeicherzelle einen Ladungsausgleich grundsätzlich in beiden Richtungen der Serienschaltung und auch mit beiden Nachbarzellen gleichzeitig durchführen.It should be noted, however, that depending on the embodiment of the energy storage device, an energy storage cell can carry out a charge equalization in each case only with a neighboring cell, but not with both neighboring cells simultaneously. In other embodiments, which ultimately enable the most effective balancing, an energy storage cell can carry out a charge equalization in both directions of the series connection and also with both neighboring cells at the same time.

Diese Schritte des Ermittelns der Ladezustände der Energiespeicherzellen, des Bestimmens der Paare von benachbarten Energiespeicherzellen, bei denen ein Ladungsausgleich ausgeführt werden soll, und des Ausführens eines Ladungsausgleiches in den zuvor bestimmten Paaren von Energiespeicherzellen werden so lange wiederholt bis die Ladezustände aller Energiespeicherzellen innerhalb einer vorgegebenen Differenzbandbreite liegen, die für den sicheren Betrieb der Energiespeichervorrichtung unkritisch ist.These steps of determining the charge states of the energy storage cells, determining the pairs of adjacent energy storage cells, in which a charge equalization is to be performed, and performing a charge equalization in the previously determined pairs of energy storage cells are repeated until the charge states of all energy storage cells within a predetermined difference bandwidth which is not critical to the safe operation of the energy storage device.

Wesentlich bei dieser Energiespeichervorrichtung bzw. deren Batteriemanagementsystem ist, dass ein Ladungsausgleich nur zwischen zwei benachbarten Energiespeicherzellen, nicht jedoch zwischen beliebigen Paaren von Energiespeicherzellen möglich ist. Die Ladungsausgleichsleitungen 20 sind nur seriell zwischen den Energiespeicherzellen 10 vorgesehen, wodurch der Verkabelungsaufwand relativ gering ist. Ein Ladungsausgleich über die Ladungsausgleichsleitungen 20 kann zudem mit einem relativ guten Wirkungsgrad ausgeführt werden.Essential in this energy storage device or its battery management system is that a charge balance is only possible between two adjacent energy storage cells, but not between any pairs of energy storage cells. The charge equalization lines 20 are only serial between the energy storage cells 10 provided, whereby the wiring complexity is relatively low. Charge balance across the charge equalization lines 20 can also be performed with a relatively good efficiency.

Während in dem Ausführungsbeispiel von 1 alle Energiespeicherzellen 10 der Energiespeichervorrichtung mit einer übergeordneten Steuerung 14 kommunizieren, ist es insbesondere bei größeren Anzahlen von Energiespeicherzellen 10 in einer Energiespeichervorrichtung auch möglich, diese gruppenweise mehreren übergeordneten Steuerungen 14 zuzuordnen und diese Steuerungen 14 wiederum mit einer zentralen Hauptsteuerung kommunizieren zu lassen.While in the embodiment of 1 all energy storage cells 10 the energy storage device with a higher-level control 14 it is especially for larger numbers of energy storage cells 10 in an energy storage device also possible, this groupwise several higher-level controls 14 assign and these controls 14 turn to communicate with a central main control.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in mehr Einzelheiten. Gleiche bzw. entsprechende Komponenten wie im ersten Ausführungsbeispiel sind mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. 2 shows a second embodiment of the device according to the invention in more detail. The same or corresponding components as in the first embodiment are identified by the same reference numerals.

Die Energiespeichervorrichtung weist wieder beispielhaft vier Energiespeicherzellen 10 auf. Jede der Energiespeicherzellen 10 ist mit einer Zellsteuerung 12 ausgestattet, die an dieser angeordnet und befestigt ist, um eine Baueinheit zu bilden. Die Zellsteuerungen 12 sind beispielsweise zwischen den Stromableitern an den jeweiligen Energiespeicherzellen 10 montiert. Die Energiespeicherzellen 10 stehen mit einer übergeordneten Steuerung (Slave-Modul) 14 in Kommunikationsverbindung und diese Steuerung 14 steht wiederum mit einer zentralen Hauptsteuerung (Master-Modul) 16 in Kommunikationsverbindung.The energy storage device again has, by way of example, four energy storage cells 10 on. Each of the energy storage cells 10 is with a cell control 12 equipped, which is arranged on this and fixed to form a structural unit. The cell controllers 12 are, for example, between the current conductors at the respective energy storage cells 10 assembled. The energy storage cells 10 stand with a higher-level control (slave module) 14 in communication connection and this control 14 again stands with a central main control (master module) 16 in communication connection.

Die Energiespeicherzellen 10 der Energiespeichervorrichtung sind über Ladungsausgleichsleitungen 20 paarweise in Reihe miteinander verschaltet. Die Kommunikation zwischen den Zellsteuerungen 12 der Energiespeicherzellen 10 und der Steuerung 14 erfolgt über drahtlose (z. B. Funk, Nahfeldfunk) oder drahtgebundene (vorzugsweise Ringleitung) Kommunikationsverbindungen 22.The energy storage cells 10 the energy storage device are via charge equalization lines 20 connected in pairs in series. The communication between the cell controllers 12 the energy storage cells 10 and the controller 14 occurs via wireless (eg radio, near-field radio) or wired (preferably loop) communication links 22 ,

Die Zellsteuerungen 12 der Energiespeicherzellen 10 weisen jeweils eine Messeinrichtung 24, eine Kommunikationseinrichtung 26 und eine Ladungsausgleichseinrichtung 28 auf.The cell controllers 12 the energy storage cells 10 each have a measuring device 24 . a communication device 26 and a charge balancer 28 on.

Die Messeinrichtungen 24 der Zellsteuerungen 12 erfassen jeweils eine Spannung und eine Temperatur an den Stromableitern der jeweiligen Energiespeicherzelle 10, um aus diesen Betriebsparametern den Ladezustand der Energiespeicherzelle 10 bestimmen zu können. Die Bestimmung des Ladezustandes aus den erfassten Messwerten erfolgt je nach Ausführungsform in der Messeinrichtung 24 selbst, in der Zellsteuerung 12 oder in der übergeordneten Steuerung 14.The measuring equipment 24 the cell controllers 12 each detect a voltage and a temperature at the current conductors of the respective energy storage cell 10 to use these operating parameters, the state of charge of the energy storage cell 10 to be able to determine. The determination of the state of charge from the detected measured values takes place depending on the embodiment in the measuring device 24 itself, in the cell control 12 or in the higher-level control 14 ,

Die Kommunikationseinrichtungen 26 der Zellsteuerungen 12 enthalten jeweils Sende- und Empfangsvorrichtungen, um über die Kommunikationsverbindungen 22 Steuersignale und/oder Datensignale senden und empfangen zu können. Insbesondere werden die Messwerte der Messeinrichtung 24 oder der daraus ermittelte Ladezustandswert der Energiespeicherzelle 10 an die Steuerung 14 gesendet, Steuersignale von der Steuerung 14 zum Starten und Beenden eines Balancing-Modus der Energiespeichervorrichtung empfangen, Steuersignale von der Steuerung 14 zum Veranlassen eines Ladungsausgleiches mit der benachbarten Energiespeicherzelle 10 empfangen, und dergleichen.The communication devices 26 the cell controllers 12 each contain transmitting and receiving devices to over the communication links 22 Control signals and / or data signals to send and receive. In particular, the measured values of the measuring device 24 or the charge state value of the energy storage cell determined therefrom 10 to the controller 14 sent, control signals from the controller 14 to start and end a balancing mode of the energy storage device, control signals from the controller 14 for causing a charge balance with the adjacent energy storage cell 10 receive, and the like.

Die Ladungsausgleichseinrichtungen 28 der Zellsteuerungen 12 weisen jeweils einen DC/DC-Wandler auf, vorzugsweise einen DC/DC-Wandler mit Potentialtrennung (Sperrwandler), sodass die benachbarten Energiespeicherzellen 10 trotz der Ladungsausgleichsleitungen 20 galvanisch getrennt sind. Der DC/DC-Wandler der Ladungsausgleichseinrichtung 28 ist einerseits mit den Stromableitern der jeweiligen Energiespeicherzelle 10 verbunden und andererseits mit einer Ladungsausgleichsleitung 20 verbunden, welche ihrerseits mit den Stromableitern der benachbarten Energiespeicherzelle 10 verbunden ist. Über den DC/DC-Wandler und die Ladungsausgleichsleitung 20 kann so ein Ladungstransport zwischen den beiden benachbarten Energiespeicherzellen 10 erfolgen, um deren Ladezustände anzugleichen.The charge balancing devices 28 the cell controllers 12 each have a DC / DC converter, preferably a DC / DC converter with potential separation (flyback converter), so that the adjacent energy storage cells 10 despite the charge equalization lines 20 are galvanically isolated. The DC / DC converter of the charge balancing device 28 on the one hand with the current conductors of the respective energy storage cell 10 connected and on the other hand with a charge equalization line 20 connected, which in turn with the current conductors of the adjacent energy storage cell 10 connected is. About the DC / DC converter and the charge equalization line 20 So can a charge transport between the two neighboring energy storage cells 10 done to equalize their charge states.

Die Ladungsausgleichseinrichtungen 28 enthalten ferner jeweils wenigstens ein Schaltelement, um den DC/DC-Wandler zu aktivieren bzw. die Verbindung zwischen den Stromableitern der Energiespeicherzelle 10 und dem DC/DC-Wandler herzustellen und damit einen Ladungstransport von der Energiespeicherzelle 10 über den DC/DC-Wandler und die Ladungsausgleichsleitung 20 zur benachbarten Energiespeicherzelle 10 z ermöglichen.The charge balancing devices 28 Furthermore, each contain at least one switching element to activate the DC / DC converter or the connection between the current conductors of the energy storage cell 10 and to produce the DC / DC converter and thus a charge transport from the energy storage cell 10 via the DC / DC converter and the charge equalization line 20 to the adjacent energy storage cell 10 z allow.

Während in dem Ausführungsbeispiel von 2 jeweils ein Ladungsausgleich zwischen benachbarten Energiespeicherzellen 10 nur in einer Richtung vorgesehen ist, können die Ladungsausgleichsvorgänge wahlweise auch in beiden Richtungen ermöglicht werden.While in the embodiment of 2 in each case a charge balance between adjacent energy storage cells 10 is provided only in one direction, the charge balancing operations can optionally be made possible in both directions.

Bezug nehmend auf 3 soll nun die effiziente Funktionsweise des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems beim Balancing am Beispiel einer Energiespeichervorrichtung mit fünf Energiespeicherzellen veranschaulicht werden. In diesem Ausführungsbeispiel soll ein Ladungsausgleich innerhalb eines Paares von benachbarten Energiespeicherzellen nur in einer Richtung möglich sein.Referring to 3 Now, the efficient operation of the battery management system according to the invention in balancing will be illustrated using the example of an energy storage device with five energy storage cells. In this embodiment, a charge equalization within a pair of adjacent energy storage cells should be possible only in one direction.

Als Ausgangszustand (3A) sei angenommen, dass Zelle 1 einen Ladezustand von 91% besitzt, Zelle 2 einen Ladezustand von 92% besitzt, Zelle 3 einen Ladezustand von 94% besitzt, Zelle 4 einen Ladezustand von 86% besitzt und Zelle 5 einen Ladezustand von 98% besitzt. Da der maximale Unterschied zwischen den Ladezuständen somit 12% beträgt (zwischen den Zellen 4 und 5) und damit außerhalb der vorbestimmten Bandbreite von beispielsweise 2,5% liegt, bestimmt die Steuerung 14, dass ein Balancing erforderlich ist. Als Energiespeicherzelle mit dem höchsten Ladezustand wird Zeile 5 bestimmt und als Energiespeicherzelle mit dem zweithöchsten Ladezustand wird Zelle 3 bestimmt. Da ein Ladungsausgleich innerhalb eines Paares von benachbarten Energiespeicherzellen nur in einer Richtung möglich ist, werden das Paar aus Zelle 3 und Zelle 4 und das Paar aus Zelle 5 und Zelle 1 ausgewählt, um über die Ladungsausgleichsleitungen 20 einen Ladungsausgleich durchzuführen.As initial state ( 3A Assume that cell 1 has a charge state of 91%, cell 2 has a charge state of 92%, cell 3 has a charge state of 94%, cell 4 has a charge state of 86%, and cell 5 has a charge state of 98%. Since the maximum difference between the charge states is thus 12% (between the cells 4 and 5) and thus outside the predetermined bandwidth of, for example, 2.5%, the controller determines 14 that balancing is required. As the energy storage cell with the highest state of charge line 5 is determined and as energy storage cell with the second highest state of charge cell 3 is determined. Since charge balancing within a pair of adjacent energy storage cells is possible only in one direction, the pair of cell 3 and cell 4 and the pair of cell 5 and cell 1 are selected to pass across the charge equalization lines 20 to carry out a charge equalization.

Nach der Angleichung der Ladezustände zwischen den Zeilen 3 und 4 sowie den Zellen 5 und 1 ergeben sich bei einem angenommenen idealen Wirkungsgrad von 100% die in 3B dargestellten Ladezustände von 94,4%, 92%, 90%, 90% und 94,5%. Der maximale Unterschied der Ladezustände beträgt somit nach dem ersten Ladungsausgleichsvorgang nur noch 4,5%; da er aber noch den vorbestimmten Grenzwert von 2,5% übersteigt, wird das Balancing fortgesetzt. Die Energiespeicherzellen mit den zwei höchsten Ladezuständen sind jetzt die Zellen 5 und 1. Die Ladungsausgleichseinrichtungen 28 der Zellsteuerungen 12 werden deshalb von der Steuerung 14 so angesteuert, dass nun ein Ladungsausgleich zwischen Zelle 1 und Zelle 2 erfolgen soll. Ein gleichzeitiger Ladungsausgleich zwischen Zelle 2 und Zelle 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht möglich.After the states of charge between rows 3 and 4 and cells 5 and 1 have been equalized, assuming an ideal efficiency of 100%, the in 3B State of charge of 94.4%, 92%, 90%, 90% and 94.5%. The maximum difference of the charge states is therefore only 4.5% after the first charge equalization process; but since it still exceeds the predetermined limit of 2.5%, the balancing will continue. The energy storage cells with the two highest states of charge are now the cells 5 and 1. The charge balancing devices 28 the cell controllers 12 are therefore from the controller 14 so controlled that now a charge balance between cell 1 and 2 should be made. A simultaneous charge equalization between cell 2 and cell 3 is not possible in this embodiment.

Nach der Angleichung der Ladezustände zwischen den Zellen 1 und 2 ergeben sich dann die in 3C dargestellten Ladezustände von 93,25%, 93,25%, 90%, 90% und 94,5%. Nach drei weiteren Ladungsausgleichsiterationen ergeben sich dann die in 3F dargestellten Ladezustände von gerundet 93,31%, 91,78%, 91,78%, 90,81% und 93,31%.After the alignment of the states of charge between cells 1 and 2, the in 3C Charges of 93.25%, 93.25%, 90%, 90% and 94.5%. After three additional charge equalization iterations, the in 3F Charge states of rounded 93.31%, 91.78%, 91.78%, 90.81% and 93.31%.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Bandbreite der zulässigen Ladezustandsdifferenz beispielhaft auf 2,5% gesetzt. Somit wird das Balancing nun beendet, da die maximale Ladezustandsdifferenz gerade 2,5% beträgt (zwischen Zelle 1 oder 5 und Zelle 4). In the present embodiment, the bandwidth of the allowable state of charge differential has been set to 2.5% by way of example. Thus, the balancing is now terminated, since the maximum charge state difference is just 2.5% (between cell 1 or 5 and cell 4).

Wie in 3 veranschaulicht, konnte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ladungsausgleich in nur fünf Schritten eine maximale Ladezustandsdifferenz von 12% (zwischen Zelle 4 und Zelle 5 in 3A) auf nur 2,5% (zwischen Zelle 4 und Zelle 5 in 3F) reduziert werden.As in 3 With the charge equalization method according to the invention, a maximum charge state difference of 12% (between cell 4 and cell 5 in FIG 3A ) to only 2.5% (between cell 4 and cell 5 in 3F ) are reduced.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) besteht auch die Möglichkeit, jeweils nur die Energiespeicherzelle mit dem höchsten Ladezustand für einen Ladungsausgleichsvorgang mit ihrer benachbarten Energiespeicherzelle auszuwählen. Wenn in jedem Ladungsausgleichsvorgang nur in einem Paar benachbarter Energiespeicherzellen ein Ladungsausgleich ausgeführt wird, erhöht dies jedoch insbesondere bei einer großen Anzahl von Energiespeicherzellen die Anzahl der für ein ausreichendes Balancing erforderlichen Schritte zum Ladungsausgleich.In an alternative embodiment (not shown), it is also possible to select only the energy storage cell with the highest state of charge for a charge equalization process with its neighboring energy storage cell. However, if charge equalization is performed only in a pair of adjacent energy storage cells in each charge balancing operation, especially for a large number of energy storage cells, this increases the number of charge balancing steps required for sufficient balancing.

Bezug nehmend auf 4 wird nun veranschaulicht, wie die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter gesteigert werden kann, wenn ein Ladungsausgleich zwischen benachbarten Energiespeicherzellen der Energiespeichervorrichtungen in beiden Richtungen möglich ist.Referring to 4 It will now be illustrated how the efficiency of the method according to the invention can be further increased if a charge equalization between adjacent energy storage cells of the energy storage devices in both directions is possible.

In 4A ist zunächst wieder der gleiche Ausgangszustand wie in 3A dargestellt. Das heißt Zelle 1 hat einen Ladezustand von 91%, Zelle 2 hat einen Ladezustand von 92%, Zelle 3 hat einen Ladezustand von 94%, Zelle 4 hat einen Ladezustand von 86% und Zelle 5 hat einen Ladezustand von 98%. Damit ergibt sich wieder eine maximale Ladezustandsdifferenz von 12% (zwischen den Zellen 4 und 5).In 4A is initially the same initial state as in 3A shown. That is, cell 1 has a state of charge of 91%, cell 2 has a state of charge of 92%, cell 3 has a state of charge of 94%, cell 4 has a state of charge of 86% and cell 5 has a state of charge of 98%. This again results in a maximum charge state difference of 12% (between cells 4 and 5).

In diesem Fall wurde die zulässige Bandbreite der Ladezustandsdifferenz beispielhaft auf 1% gesetzt. Da jede Energiespeicherzelle gleichzeitig nur einen Ladungsausgleich mit einer benachbarten Energiespeicherzelle ausführen kann, ist die vergleichsweise größere Ladezustandsdifferenz von 12% zwischen den Zellen 4 und 5 auszugleichen, während die vergleichsweise kleineren Ladezustandsdifferenzen von 7% zwischen den Zellen 5 und 1 und von 8% zwischen den Zellen 3 und 4 unberücksichtigt bleiben müssen. Gleichzeitig kann aber auch ein Ladungsausgleich zwischen Zelle 3 (als Energiespeicherzelle mit dem zweithöchsten Ladezustand) und Zelle 2 erfolgen.In this case, the allowable bandwidth of the state of charge differential has been set to 1% by way of example. Since each energy storage cell can only carry out a charge equalization with a neighboring energy storage cell at the same time, the comparatively larger charge state difference of 12% between cells 4 and 5 must be compensated, while the comparatively smaller charge state differences of 7% between cells 5 and 1 and 8% between the cells Cells 3 and 4 must be disregarded. At the same time, however, a charge equalization between cell 3 (as an energy storage cell with the second highest state of charge) and cell 2 can take place.

Nach der Angleichung der Ladezustände zwischen den Zellen 2 und 3 sowie den Zellen 4 und 5 ergeben sich bei einem angenommenen idealen Wirkungsgrad von 100% die in 4B dargestellten Ladezustände von 91%, 93%, 93%, 92% und 92%. Es ist nun eine maximale Ladezustandsdifferenz von 2% zwischen Zelle 2 oder 3 und Zelle 1 vorhanden, weshalb das Balancing fortgesetzt wird.After the states of charge between the cells 2 and 3 and the cells 4 and 5 have been equalized, assuming an ideal efficiency of 100%, the in 4B Charges of 91%, 93%, 93%, 92% and 92%. There is now a maximum charge state difference of 2% between cell 2 or 3 and cell 1, so the balancing will continue.

Nach der Angleichung der Ladezustände zwischen den Zellen 1 und 2 ergeben sich dann die in 4C dargestellten Ladezustände von 92%, 92%, 93%, 92% und 92%. Da nun alle Energiespeicherzellen 10 innerhalb der zulässigen Bandbreite von 1% Ladezustandsdifferenz liegen, wird das Balancing an dieser Stelle beendet.After the alignment of the states of charge between cells 1 and 2, the in 4C State of charge of 92%, 92%, 93%, 92% and 92%. Now all energy storage cells 10 within the permissible bandwidth of 1% charge state difference, balancing is terminated at this point.

Wie in 4 veranschaulicht, konnte in dieser Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ladungsausgleich in nur zwei Schritten eine maximale Ladezustandsdifferenz von 12% (zwischen Zelle 4 und Zeile 5 in 4A) auf nur 1% (zwischen Zellen 2 und 3 und Zellen 3 und 4 in 4C) reduziert werden.As in 4 illustrated, in this embodiment of the method according to the invention for charge balance in only two steps, a maximum state of charge differential of 12% (between cell 4 and line 5 in 4A ) to only 1% (between cells 2 and 3 and cells 3 and 4 in 4C ) are reduced.

5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Darstellung ähnlich 2. Gleiche bzw. entsprechende Komponenten wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 5 beispielhaft nur fünf Energiespeicherzellen gezeigt. 5 shows a third embodiment of the device according to the invention in a representation similar 2 , The same or corresponding components as in the embodiments described above are identified by the same reference numerals. To simplify the illustration are in 5 shown as an example only five energy storage cells.

Die fünf Energiespeicherzellen 10 sind seriell miteinander verschaltet und mit den Polen 30a und 30b der Energiespeichervorrichtung verbunden. Darüber hinaus weist jede Energiespeicherzelle 10 eine Zellsteuerung 12 auf. Diese Zellsteuerungen 12 sind über Ladungsausgleichsleitungen 20 seriell miteinander verbunden.The five energy storage cells 10 are connected in series with each other and with the poles 30a and 30b the energy storage device connected. In addition, each energy storage cell has 10 a cell control 12 on. These cell controllers 12 are via charge equalization lines 20 connected in series.

Obwohl nicht dargestellt, weisen die Zellsteuerungen 12 der Energiespeicherzellen 10 wie im zweiten Ausführungsbeispiel jeweils eine Messeinrichtung 24, eine Kommunikationseinrichtung 26 und eine Ladungsausgleichseinrichtung 28 auf.Although not shown, the cell controllers 12 the energy storage cells 10 as in the second embodiment in each case a measuring device 24 , a communication device 26 and a charge balancer 28 on.

In diesem Ausführungsbeispiel ermöglichen die Ladungsausgleichseinrichtungen 28 der Zellsteuerungen 12 jeweils einen Ladungsausgleich mit beiden benachbarten Energiespeicherzellen 10 gleichzeitig. Es ist somit möglich, dass eine Energiespeicherzelle 10, die von der einen Nachbarzelle gerade „mit Ladung versorgt wird”, ihrerseits Ladung an die andere Nachbarzelle „weiter schiebt”. Der gesamte Balancing-Vorgang, bis die Ladezustände aller Energiespeicherzellen 10 innerhalb der vorbestimmten Differenzbandbreite liegen, kann so weiter beschleunigt werden.In this embodiment, the charge balancing devices allow 28 the cell controllers 12 each a charge balance with two adjacent energy storage cells 10 simultaneously. It is thus possible for an energy storage cell 10 , which is being "supplied with charge" by the one neighboring cell, in turn "pushing on" charge to the other neighboring cell. The entire balancing process until the charge states of all energy storage cells 10 are within the predetermined difference bandwidth, so can be further accelerated.

Des Weiteren sind die Zellsteuerungen 12 der Energiespeicherzellen 10 in diesem Ausführungsbeispiel über ihre Kommunikationseinrichtungen 26 direkt miteinander verbunden. Diese Kommunikationsverbindung erfolgt beispielsweise ebenfalls seriell über eine Busleitung, drahtlos, oder über die ohnehin vorhandene Serienverschaltung der Energiespeicherzellen 10 zwischen den Polen 30a, 30b der Energiespeichervorrichtung. Die Zellsteuerungen 12 können so dezentral, d. h. ohne eine übergeordnete Steuerung 14 selbst bestimmen, ob ein Balancing durchgeführt werden soll, zwischen welchen Energiespeicherzellen 10 ein Ladungsausgleich stattfinden soll und wann das Balancing beendet werden kann. Furthermore, the cell controllers 12 the energy storage cells 10 in this embodiment via their communication devices 26 directly connected. This communication connection is also carried out, for example, also serially via a bus line, wirelessly, or via the already existing serial connection of the energy storage cells 10 between the poles 30a . 30b the energy storage device. The cell controllers 12 can be so decentralized, ie without a higher-level control 14 determine for yourself whether balancing should be carried out between which energy storage cells 10 a charge balance should take place and when the balancing can be ended.

Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, um weitere Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.The embodiments discussed above may be combined in any manner with one another to provide further embodiments of the invention.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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DE 102008060936 A1 [0004]
DE 10134147 A1 [0005]

Claims

Device for operating an energy storage device, which comprises a plurality of energy storage cells, in particular connected in series 10 ), in which the energy storage cells ( 10 ) of the energy storage device each with a cell control ( 12 ) are provided; each of the energy storage cells ( 10 ) with exactly one charge equalization line ( 20 ) to exactly one other energy storage cell ( 10 ) is provided; and the cell controllers ( 12 ) of the energy storage cells ( 10 ) each have a charge balancing device ( 28 ) which is designed to be connected via the charge equalization line ( 20 ) of the energy storage cell ( 10 ) a charge balance with the other energy storage cell ( 10 ).

Device according to claim 1, characterized in that the cell controllers ( 12 ) of the energy storage cells ( 10 ) each have a measuring device ( 24 ) for detecting at least one operating parameter of the energy storage cell, from which a state of charge of the respective energy storage cell can be determined.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cell controllers ( 12 ) of the energy storage cells ( 10 ) each have a communication device ( 26 ) for communication with the cell controllers ( 12 ) of the other energy storage cells ( 10 ) exhibit.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the communication devices ( 26 ) of the cell controllers ( 12 ) of the energy storage cells ( 10 ) via a communication line ( 22 ) are in serial communication with each other.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the communication devices ( 26 ) of the cell controllers ( 12 ) of the energy storage cells ( 10 ) with a controller ( 14 ) are in communication connection.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the charge balancing devices ( 28 ) of the cell controllers ( 12 ) of the energy storage cells ( 10 ) each have a galvanic isolation to the other energy storage cell.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cell control ( 12 ) of the energy storage cells ( 10 ) are each supplied with energy from the energy storage cell.

Method for operating an energy storage device, which comprises a plurality of energy storage cells (especially in series) 10 ), in which each of the energy storage cells ( 10 ) via exactly one charge equalization line ( 20 ) with exactly one other energy storage cell ( 10 ), comprising the steps of: (a) determining the states of charge of the energy storage cells ( 10 ); (b) determining a pair of via a charge equalization line ( 20 ) interconnected energy storage cells ( 10 ) whose determined states of charge are different; and (c) performing charge equalization in the particular pair of energy storage cells ( 10 ) from the energy storage cell with the higher state of charge via the charge equalization line ( 20 ) to the energy storage cell with the lower state of charge.

Method according to Claim 8, characterized in that the steps (a), (b) and (c) are carried out a plurality of times in succession in order to achieve a charge equalization between the energy storage cells ( 10 ) of the energy storage device.

A method according to claim 8 or 9, characterized in that step (c) is performed only when a maximum difference between the states of charge of the energy storage cells ( 10 ) exceeds a predetermined level.

Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that in step (b) a plurality of pairs of energy storage cells ( 10 ) are determined whose determined states of charge are different; and in step (c) a charge balance in a plurality of particular pairs of energy storage cells ( 10 ) via the respective charge equalization line ( 20 ) is performed.

Method according to one of claims 8 to 11, characterized in that for the energy storage cells ( 10 ) in each case at least one operating parameter is detected, from which a state of charge of the respective energy storage cell can be determined.

Method according to one of claims 8 to 12, characterized in that the energy storage cells ( 10 ) each with the other energy storage cells ( 10 ) communicate, preferably communicate serially.

Method according to one of claims 8 to 13, characterized in that the energy storage cells ( 10 ) with a controller ( 14 ) communicate.