DE102012201359A1 - Lithium ion battery system for use in e.g. electric car, has charge equalization module for autonomously balancing charge of adjacent battery cells, and comprising potential dividers for producing electrical potential - Google Patents

Lithium ion battery system for use in e.g. electric car, has charge equalization module for autonomously balancing charge of adjacent battery cells, and comprising potential dividers for producing electrical potential Download PDF

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Abstract

The system has battery cells (Z1-Z4) switched into series, and a charge equalization module (400) for autonomously balancing charge of the adjacent battery cells. The charge equalization module comprises potential dividers i.e. resistors (Rc1, Rc2), producing an electrical potential based on an electrical potential of a negative pole one of the adjacent battery cells and an electrical potential of a positive pole the other adjacent battery cell. A comparison unit compares the electrical potential with another electrical potential. Independent claims are also included for the following: (1) a method for balancing battery cells of a battery system (2) a motor car.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem sowie ein Verfahren zum Balancieren der Batteriezellen eines Batteriesystems, welche insbesondere einsetzbar sind für ein autonomes passives Balancieren von Batteriesystemen, die eine beliebige Anzahl von elektro-chemischen Zellen umfassen.The present invention relates to a battery system, a motor vehicle with such a battery system and a method for balancing the battery cells of a battery system, which are particularly suitable for autonomous passive balancing of battery systems comprising any number of electro-chemical cells.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann (z. B. ein Ausfall der Traktionsbatterie bei einem Elektrofahrzeug) oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann (bei Windkraftanlagen werden z. B. Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen).It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications (eg in wind turbines) and in vehicles (eg in hybrid and electric vehicles), new battery systems will increasingly be used, to which very high reliability requirements will apply be put. The background to these high requirements is that failure of the battery can lead to a failure of the entire system (eg failure of the traction battery in an electric vehicle) or even to a safety-related problem (for example, wind turbines use batteries in order to protect the system from impermissible operating conditions in a strong wind by a rotor blade adjustment).

1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik. Zwischen dem Pluspol 10 und dem Minuspol 12 des Batteriesystems sind eine Lade- und Trenneinrichtung 14, eine Vielzahl von Batteriezellen Z1, ..., Zn sowie optional eine weitere Trenneinrichtung 16 in Reihe geschaltet. Die Lade- und Trenneinrichtung 14 umfasst einen Trennschalter 18, einen Ladeschalter 20 sowie einen Ladewiderstand 22. Die optionale Trenneinrichtung 16 umfasst einen Trennschalter 24. Um die Anforderungen an die Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erfüllen, werden eine Vielzahl von Batteriezellen Z1, ..., Zn in Reihe geschaltet werden; es ist auch bekannt, Batteriezellen oder in Reihe geschaltete Gruppen von Batteriezellen parallel zu schalten. 1 shows a schematic diagram of a battery system according to the prior art. Between the positive pole 10 and the negative pole 12 the battery system are a charging and disconnecting device 14 , a plurality of battery cells Z 1 , ..., Z n and optionally a further separating device 16 connected in series. The loading and separating device 14 includes a circuit breaker 18 , a charging switch 20 as well as a charging resistance 22 , The optional separator 16 includes a circuit breaker 24 , To meet the requirements of the power and energy data with the battery system, a plurality of battery cells Z 1 , ..., Z n are connected in series; It is also known to connect battery cells or series-connected groups of battery cells in parallel.

Ein Problem beim Einsatz vieler einzelner in Reihe geschalteter Batteriezellen besteht darin, dass die Batteriezellen nicht perfekt gleich sind, was zu ungleichen Zellspannungen führen kann, insbesondere über längere Zeitspannen von der Größenordnung der Lebensdauer der Batterie. Da insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien das Überladen oder das Tiefentladen einzelner Zellen zu einer irreversiblen Schädigung der Batterie führt, muss in regelmäßigen Zeitabständen ein sogenanntes Zell-Balancing durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Zellen durch externe Beschaltungsmaßnahmen so ge- oder entladen, dass sie wieder gleiche Zellspannung besitzen.A problem with the use of many individual series-connected battery cells is that the battery cells are not perfectly equal, which can lead to unequal cell voltages, especially over extended periods of the life of the battery. Since overcharging or total discharge of individual cells leads to irreversible damage to the battery, in particular in the case of lithium-ion batteries, so-called cell balancing must be carried out at regular intervals. For this purpose, the individual cells are charged or discharged by external wiring measures so that they again have the same cell voltage.

Stand der Technik ist dabei das sogenannte Widerstandsbalancing, bei dem ein Widerstand oder eine Widerstandskombination über Schalter einzelne Zellen so lange belastet, bis alle Zellen das gleiche Spannungsniveau erreicht haben. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems nach diesem Prinzip. Die in Reihe geschalteten Batteriezellen Z1, ..., Zn werden über die Schalter S1, ..., Sn mit den Widerständen Ra1, ..., Ran belastet. Beispielsweise wird die Zelle Z1 über die Widerstände Ra1 und Ra2 entladen, wenn der Schalter S1 eingeschaltet ist. Bei diesem Verfahren werden zunächst alle Zellspannungen gemessen, die Spannungen der einzelnen Zellen miteinander verglichen und über eine zentrale Steuersoftware die Schalter so lange eingeschaltet, bis die zu entladenden Zellen auf das gewünschte Niveau entladen sind.The state of the art in this case is the so-called resistance balancing, in which a resistor or a combination of resistors loads individual cells via switches until all cells have reached the same voltage level. 2 shows a schematic diagram of a battery system according to this principle. The series-connected battery cells Z 1 , ..., Z n are loaded via the switches S 1 , ..., S n with the resistors R a1 , ..., R on . For example, the cell Z 1 is discharged through the resistors R a1 and R a2 when the switch S 1 is turned on. In this method, first all cell voltages are measured, the voltages of the individual cells compared with each other and switched on a central control software, the switches until the cells to be discharged are discharged to the desired level.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems nach diesem Prinzip. Den in Reihe geschalteten Zellen Z1, Z2 sind jeweils Widerstände Rb1, Rb2 und Schalter S1, S2 zugeordnet. Beispielsweise wird die Zelle Z1 über den Widerstand Rb1 entladen, wenn der Schalter S1 eingeschaltet ist. 3 shows a further embodiment of a battery system according to this principle. The series-connected cells Z 1 , Z 2 each resistors R b1 , R b2 and switches S 1 , S 2 are assigned. For example, the cell Z 1 is discharged through the resistor R b1 when the switch S 1 is turned on.

Das Balancieren von Batteriezellen nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass die Zellspannungen gemessen und die Entladung der Zellen gemäß den gemessenen Zellspannungen von einer Steuereinrichtung gesteuert werden müssen.The balancing of battery cells according to the prior art has the disadvantage that the cell voltages must be measured and the discharge of the cells according to the measured cell voltages must be controlled by a control device.

In der Veröffentlichung DE 10 2009 045 519 A1 wird ein Verfahren zum Balancieren von Batteriezellen beschrieben, welches diesen Nachteil behebt. Dies wird erreicht, indem für zwei benachbarte Batteriezellen ein Spannungsteiler und ein Operationsverstärker zum Spannungsausgleich eingesetzt werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass dieses Verfahren nur bei Batteriesystemen eingesetzt werden kann, die eine Anzahl von Batteriezellen umfasst, die einer Zweierpotenz (2^n) entspricht.In the publication DE 10 2009 045 519 A1 For example, a method of balancing battery cells will be described which overcomes this disadvantage. This is achieved by using a voltage divider and an operational amplifier for voltage equalization for two adjacent battery cells. A disadvantage of this method, however, is that this method can be used only in battery systems, which includes a number of battery cells, which corresponds to a power of two (2 ^ n).

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst mindestens drei in Reihe geschaltete Batterieelemente Z1, Z2, Z3 und mindestens zwei Ladungsausgleichsmodule. Dabei ist jeder der mindestens zwei Ladungsausgleichsmodule mit zwei benachbarten Batterieelemente Zi, Zi+1 (i = 1, 2, ..., n – 1) verbunden und dazu ausgelegt, die Ladungen der zwei benachbarten Batterieelemente Zi, Zi+1 autonom auszugleichen. Vorzugsweise erfolgt der Ladungsausgleich passiv. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der mindestens drei Batterieelemente Z1, Z2, Z3 und der mindestens zwei Ladungsausgleichsmodule wird vorteilhafterweise erreicht, dass ein autonomer – vorzugsweise autonomer, passiver – Ladungsausgleich für eine beliebige Anzahl von Batterieelementen, vorzugsweise für eine beliebige Anzahl von elektro-chemischen Zellen, eines Batteriesystems realisiert werden kann.The battery system according to the invention comprises at least three series-connected battery elements Z 1 , Z 2 , Z 3 and at least two charge balancing modules. In this case, each of the at least two charge balancing modules is connected to two adjacent battery elements Z.sub.i , Z.sub.i + 1 (i = 1, 2,..., N-1) and designed to charge the two adjacent battery elements Z.sub.i , Z.sub.i + 1 to compensate autonomously. Preferably, the charge balance is passive. With the inventive arrangement of the at least three battery elements Z 1 , Z 2 , Z 3 and the at least two charge balancing modules is advantageously achieved that an autonomous - preferably autonomous, passive - charge compensation for any number of Battery elements, preferably for any number of electro-chemical cells, a battery system can be realized.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Batteriesystem mindestens drei in Reihe geschaltete Batterieelemente Z1, Z2, Z3, mindestens zwei Entlademittel zum partiellen Entladen von zumindest einem Teil der mindestens drei Batterieelemente Z1, Z2, Z3, mindestens zwei Spannungsteiler Rc1, Rc2 und mindestens zwei Vergleichsmittel umfasst. Dabei ist für jeweils zwei benachbarte Batterieelemente Zi, Zi+1 (i = 1, 2, ..., n – 1) ein Ladungsausgleichsmodul zum Ausgleich der Ladungen der beiden benachbarten Batterieelemente Zi, Zi+1 vorgesehen. Die beiden benachbarten Batterieelemente Zi, Zi+1 sind dabei derart miteinander verbunden, dass der positive Pol eines ersten der benachbarten Batterieelemente Zi mit dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1 leitend verbunden ist. Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch ausgezeichnet, dass für alle Paare von benachbarten Batterieelementen Zi, Zi+1 (i = 1, 2, ..., n – 1) ein Ladungsausgleichsmodul vorgesehen ist. Mit anderen Worten: gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird die Ladung jedes Batterieelements Zi (i = 2, 3, ..., n – 1) durch zwei Ladungsausgleichsmodule ausgeglichen. Lediglich für das erste Z1 und letzte Batterieelement Zn ist nur ein Ladungsausgleichsmodul vorgesehen. In a preferred embodiment, it is provided that the battery system has at least three battery elements Z 1 , Z 2 , Z 3 connected in series, at least two discharge means for partially discharging at least a part of the at least three battery elements Z 1 , Z 2 , Z 3 , at least two Voltage divider R c1 , R c2 and at least two comparison means comprises. In this case, for each two adjacent battery elements Z i , Z i + 1 (i = 1, 2,..., N-1), a charge equalization module is provided to equalize the charges of the two adjacent battery elements Z i , Z i + 1 . The two adjacent battery elements Z i , Z i + 1 are connected to each other such that the positive pole of a first of the adjacent battery elements Z i is conductively connected to the negative pole of the second of the adjacent battery elements Z i + 1 . A preferred embodiment is characterized in that a charge equalization module is provided for all pairs of adjacent battery elements Z i , Z i + 1 (i = 1, 2,..., N-1). In other words, according to this preferred embodiment, the charge of each battery element Z i (i = 2, 3, ..., n-1) is balanced by two charge balancing modules. Only for the first Z 1 and last battery element Z n only one charge equalization module is provided.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Ladungsausgleichsmodul einen Spannungsteiler Rc1, Rc2, mindestens ein Vergleichsmittel und mindestens ein Entlademittel. Der Spannungsteiler ist dabei so ausgelegt, ausgehend von dem elektrischen Potenzial des negativen Pols des ersten der benachbarten Batterieelemente Zi und dem elektrischen Potenzial des positiven Pols des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1 ein erstes elektrisches Potenzial zu erzeugen, das dem Soll-Wert des elektrischen Potenzials an dem positiven Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente Zi und dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1 entspricht. Das mindestens eine Vergleichsmittel vergleicht das erste elektrische Potenzial mit einem zweiten elektrischen Potenzial, das an dem positiven Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente Zi und dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1 anliegt. Das mindestens eine Entlademittel ist dazu ausgelegt, das erste der benachbarten Batterieelemente Zi zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in positiver Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht, und das zweite der benachbarten Batterieelemente Zi+1 zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in negativer Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht.According to the preferred embodiment, a charge balancing module comprises a voltage divider R c1 , R c2 , at least one comparison means and at least one discharge means. In this case, the voltage divider is designed to generate a first electrical potential, which corresponds to the desired value, starting from the electric potential of the negative pole of the first of the adjacent battery elements Z i and the electric potential of the positive pole of the second of the neighboring battery elements Z i + 1 the electric potential at the positive pole of the first of the adjacent battery elements Z i and the negative pole of the second of the adjacent battery elements Z i + 1 corresponds. The at least one comparison means compares the first electrical potential with a second electrical potential which is applied to the positive pole of the first of the adjacent battery elements Z i and the negative pole of the second of the adjacent battery elements Z i + 1 . The at least one discharge means is adapted to discharge the first of the adjacent battery elements Z i when the second electric potential deviates in the positive direction from the first electric potential, and the second of the adjacent battery elements Z i + 1 to discharge when the second electric Potential deviates in the negative direction from the first electrical potential.

Ein besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, dass die Ladung einer beliebigen Anzahl von in Reihe verschalteten Batterieelemente Zi autonom, passiv ausgeglichen werden kann.A particular advantage of this circuit arrangement according to the invention is that the charge of any number of battery elements Z i connected in series can be compensated autonomously, passively.

Die Entlademittel und die Vergleichsmittel sind vorzugsweise durch einen gegengekoppelten Operationsverstärker gebildet. Dadurch werden die Funktionen des Entladens und Vergleichens besonders vorteilhaft durch eine einzige Komponente realisiert.The discharge means and the comparison means are preferably formed by a negative feedback operational amplifier. As a result, the functions of unloading and comparing are realized particularly advantageously by a single component.

Der Spannungsteiler umfasst vorzugsweise einen ersten Widerstand und einen zweiten Widerstand, wobei der elektrische Widerstand des ersten Widerstands und der elektrische Widerstand des zweiten Widerstands im gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die Soll-Spannung des ersten Batterieelements und die Soll-Spannung des zweiten Batterieelements.The voltage divider preferably comprises a first resistor and a second resistor, wherein the electrical resistance of the first resistor and the electrical resistance of the second resistor are in the same ratio as the desired voltage of the first battery element and the target voltage of the second battery element.

Vorzugsweise ist ein erster Anschluss des ersten Widerstands mit dem negativen Pol des ersten Batterieelements leitend verbunden, ein zweiter Anschluss des ersten Widerstands mit einem ersten Anschluss des zweiten Widerstands leitend verbunden und ein zweiter Anschluss des zweiten Widerstands mit dem positiven Pol des zweiten Batterieelements leitend verbunden.Preferably, a first terminal of the first resistor is conductively connected to the negative pole of the first battery element, a second terminal of the first resistor is conductively connected to a first terminal of the second resistor, and a second terminal of the second resistor is conductively connected to the positive pole of the second battery element.

Vorzugsweise sind der zweite Anschluss des ersten Widerstands und der erste Anschluss des zweiten Widerstands mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers leitend verbunden, der zweite Anschluss des zweiten Widerstands und der positive Pol des zweiten Batterieelements mit dem positiven Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers leitend verbunden, der erste Anschluss des ersten Widerstands und der negative Pol des ersten Batterieelements mit dem negativen Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers leitend verbunden und der positive Pol des ersten Batterieelements und der negative Pol des zweiten Batterieelements mit dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers leitend verbunden.Preferably, the second terminal of the first resistor and the first terminal of the second resistor are conductively connected to the non-inverting input of the operational amplifier, the second terminal of the second resistor and the positive pole of the second battery element to the positive supply voltage input of the operational amplifier, the first terminal the first resistor and the negative pole of the first battery element conductively connected to the negative supply voltage input of the operational amplifier and the positive pole of the first battery element and the negative pole of the second battery element to the inverting input and the output of the operational amplifier conductively connected.

Die Soll-Spannung des ersten Batterieelements und die Soll-Spannung des zweiten Batterieelements können gleich sein. Dadurch kann ein besonders einfaches Batteriesystem mit mehreren baugleichen Komponenten bereitgestellt werden.The desired voltage of the first battery element and the desired voltage of the second battery element may be the same. As a result, a particularly simple battery system with several identical components can be provided.

In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Batteriesystem mit einer Vielzahl in Reihe geschalteter Batterieelemente bereit, wobei jedes Paar miteinander leitend verbundener Batterieelemente, wie oben beschrieben, balanciert ist. Dadurch wird erreicht, dass mit einer besonders einfachen und regelmäßigen Anordnung von Komponenten sämtliche Batterieelemente miteinander balanciert werden.In a preferred embodiment, the invention provides a battery system having a plurality of series connected battery elements, each pair of battery elements conductively connected to each other being balanced as described above. This ensures that with a special simple and regular arrangement of components all battery elements are balanced with each other.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass ein Batterieelement eine oder mehrere elektro-chemische Zellen umfasst. Mindestens eine der elektro-chemischen Zellen kann eine Lithium-Ionen-Batteriezelle sein.A preferred embodiment provides that a battery element comprises one or more electrochemical cells. At least one of the electrochemical cells may be a lithium ion battery cell.

Mindestens eines der Batterieelemente kann seinerseits ein erfindungsgemäßes Batteriesystem sein. Durch diesen rekursiven Aufbau wird erreicht, dass mit einer besonders einfachen und strukturierten Anordnung von Komponenten sämtliche Batterieelemente miteinander balanciert werden.At least one of the battery elements may in turn be a battery system according to the invention. This recursive construction ensures that all battery elements are balanced with one another with a particularly simple and structured arrangement of components.

Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Balancieren der Batterieelemente eines Batteriesystems bereit, wobei das Batteriesystem mindestens drei in Reihe geschaltete Batterieelemente Z1, Z2, Z3, umfasst, und wobei für jeweils zwei benachbarte Batterieelemente Zi, Zi+1 (i = 1, 2, ..., n – 1) ein autonomer – vorzugsweise autonomer, passiver – Ladungsausgleich durchgeführt wird.The invention further provides a method for balancing the battery elements of a battery system, wherein the battery system comprises at least three series-connected battery elements Z 1 , Z 2 , Z 3 , and wherein for each two adjacent battery elements Z i , Z i + 1 (i = 1, 2, ..., n - 1) an autonomous - preferably autonomous, passive - charge compensation is performed.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Balancieren der Batterieelemente die folgenden Schritte: Erzeugen eines ersten elektrischen Potenzials, das dem Soll-Wert des elektrischen Potenzials an dem positiven Pol eines ersten der benachbarten Batterieelemente Zi und dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1 entspricht, ausgehend von dem elektrischen Potenzial des negativen Pols des ersten der benachbarten Batterieelemente Zi und dem elektrischen Potenzial des positiven Pols des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1; Vergleichen des ersten elektrischen Potenzials mit einem zweiten elektrischen Potenzial, das an dem positiven Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente Zi und dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1 anliegt; Entladen des ersten der benachbarten Batterieelemente Zi, wenn das zweite elektrische Potenzial in positiver Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht; und Entladen des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1, wenn das zweite elektrische Potenzial in negativer Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht.In a preferred embodiment, the method of balancing the battery elements comprises the steps of generating a first electrical potential corresponding to the desired value of the electrical potential at the positive pole of a first of the adjacent battery elements Z i and the negative pole of the second of the adjacent battery elements Z i + 1 , based on the electric potential of the negative pole of the first of the adjacent battery elements Z i and the electric potential of the positive pole of the second of the adjacent battery elements Z i + 1 ; Comparing the first electrical potential with a second electrical potential applied to the positive pole of the first of the adjacent battery elements Z i and the negative pole of the second of the adjacent battery elements Z i + 1 ; Discharging the first of the adjacent battery elements Z i when the second electric potential deviates in the positive direction from the first electric potential; and discharging the second of the adjacent battery elements Z i + 1 when the second electric potential deviates in a negative direction from the first electric potential.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:

1 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems mit einer Vielzahl von Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik, 1 1 is a schematic diagram of a battery system having a plurality of battery cells according to the prior art;

2 ein Prinzipschaltbild eines ersten Batteriesystems, in dem die Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik balanciert werden, 2 1 is a schematic diagram of a first battery system in which the battery cells are balanced according to the prior art,

3 ein Prinzipschaltbild eines zweiten Batteriesystems, in dem die Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik balanciert werden, 3 3 is a block diagram of a second battery system in which the battery cells are balanced according to the prior art,

4 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems, und 4 a first embodiment of a battery system according to the invention, and

5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems. 5 a second embodiment of a battery system according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

4 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems. Vier Batteriezellen Z1, Z2, Z3 und Z4 sind in Reihe geschaltet. Die Ladungen dieser vier Batteriezellen Z1, Z2, Z3 und Z4 werden durch drei Ladungsausgleichsmodule autonom, passiv ausgeglichen. Es erweist sich als vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil der Ladungsausgleichsmodule, vorzugsweise alle Ladungsausgleichsmodule, einen identischen Aufbau haben. Nachfolgend wird daher der Aufbau nur eines beispielhaften Ladungsausgleichsmoduls näher beschrieben. 4 shows a first exemplary embodiment of a battery system according to the invention. Four battery cells Z 1 , Z 2 , Z 3 and Z 4 are connected in series. The charges of these four battery cells Z 1 , Z 2 , Z 3 and Z 4 are autonomously, passively balanced by three charge balancing modules. It proves to be advantageous if at least a portion of the charge balancing modules, preferably all charge balancing modules, have an identical structure. The construction of only one exemplary charge compensation module will therefore be described in more detail below.

Im Folgenden wird das Ladungsausgleichsmodul 400 für die Batteriezellen Z1 und Z2 in größerem Detail beschrieben. Der positive Pol der Batteriezelle Z1 ist mit dem negativen Pol der Batteriezelle Z2 verbunden. Zwei in Reihe geschaltete Widerstände Rc1 und Rc2 liegen parallel zu den Batteriezellen Z1 und Z2. Ein erster Anschluss des Widerstands Rc1 ist mit dem negativen Pol der Batteriezelle Z1 verbunden; ein zweiter Anschluss des Widerstands Rc1 ist mit einem ersten Anschluss des Widerstands Rc2 verbunden, und ein zweiter Anschluss des Widerstands Rc2 ist mit dem positiven Pol der Batteriezelle Z2 verbunden. Die Widerstandswerte der Widerstände Rc1 und Rc2 stehen im gleichen Verhältnis zueinander wie die Soll-Spannungen der Batteriezellen Z1 und Z2. Insbesondere weisen die Widerstände Rc1 und Rc2 den gleichen Widerstandswert auf, wenn die Batteriezellen Z1 und Z2 auf dieselbe Spannung geladen werden sollen. Somit bilden die Widerstände Rc1 und Rc2 einen Spannungsteiler, an dessen innerem Knoten 42 das Potenzial anliegt, das an dem Knoten 44 zwischen den Batteriezellen Z1 und Z2 anliegen soll.The following is the charge balancing module 400 for the battery cells Z 1 and Z 2 described in more detail. The positive pole of the battery cell Z 1 is connected to the negative pole of the battery cell Z 2 . Two series-connected resistors R c1 and R c2 are parallel to the battery cells Z 1 and Z 2 . A first terminal of the resistor R c1 is connected to the negative pole of the battery cell Z 1 ; a second terminal of the resistor R c1 is connected to a first terminal of the resistor R c2 , and a second terminal of the resistor R c2 is connected to the positive terminal of the battery cell Z 2 . The resistance values of the resistors R c1 and R c2 are in the same proportion to each other as the nominal voltages of the battery cells Z 1 and Z 2 . In particular, the resistors R c1 and R c2 have the same resistance value when the battery cells Z 1 and Z 2 are to be charged to the same voltage. Thus, the resistors R c1 and R c2 form a voltage divider at its inner node 42 the potential is at the node 44 should rest between the battery cells Z 1 and Z 2 .

Das Ladungsausgleichsmodul 400 umfasst ferner einen Operationsverstärker 46. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 46 ist mit dem inneren Knoten 42 des Spannungsteilers verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 46 ist mit dem Knoten 28 zwischen den Batteriezellen Z1 und Z2 verbunden. Der positive Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers 46 ist mit dem positiven Pol der Batteriezelle Z2 verbunden. Der negative Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers 46 ist mit dem negativen Pol der Batteriezelle Z1 verbunden. Der Operationsverstärker 46 ist gegengekoppelt, das heißt, der Ausgang ist mit dem invertierenden Eingang verbunden.The charge balancing module 400 further comprises an operational amplifier 46 , The non-inverting input of the operational amplifier 46 is with the inner node 42 of the voltage divider connected. The inverting input of the operational amplifier 46 is with the node 28 connected between the battery cells Z 1 and Z 2 . The positive supply voltage input of the operational amplifier 46 is connected to the positive pole of the battery cell Z 2 . The negative supply voltage input of the operational amplifier 46 is connected to the negative pole of the battery cell Z 1 . The operational amplifier 46 is negative feedback, that is, the output is connected to the inverting input.

Ist nun beispielsweise die Batteriezelle Z1 tiefer entladen als die Batteriezelle Z2, so ist das Potenzial am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 niedriger als das Potenzial am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46. Der Operationsverstärker 46 versucht infolgedessen, seinen Ausgang zu seiner positiven Versorgungsspannung hin zu ziehen. Dies hat einen Stromfluss vom positiven Pol der Batteriezelle Z2 über den positiven Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers 46 zum Ausgang des Operationsverstärkers 46 zur Folge. Die Batteriezelle Z2 wird somit entladen, was dem gewünschten Verhalten entspricht. Entsprechend wird in dem Fall, dass die Batteriezelle Z2 tiefer entladen ist als die Batteriezelle Z1, die Batteriezelle Z1 über den negativen Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers 46 entladen.If, for example, the battery cell Z 1 is discharged deeper than the battery cell Z 2 , then the potential at the inverting input of the operational amplifier 46 lower than the potential at the non-inverting input of the operational amplifier 46 , The operational amplifier 46 As a result, it attempts to pull its output towards its positive supply voltage. This has a current flow from the positive pole of the battery cell Z 2 via the positive supply voltage input of the operational amplifier 46 to the output of the operational amplifier 46 result. The battery cell Z 2 is thus discharged, which corresponds to the desired behavior. Accordingly, in the case that the battery cell Z 2 is discharged deeper than the battery cell Z 1 , the battery cell Z 1 via the negative supply voltage input of the operational amplifier 46 discharged.

Der Entladevorgang setzt sich so lange fort, bis das Verhältnis zwischen der Spannung über der Batteriezelle Z1 und der Spannung über der Batteriezelle Z2 seinen Soll-Wert erreicht hat. Insbesondere setzt sich der Entladevorgang in dem Fall, dass die Widerstände Rc1 und Rc2 gleiche Widerstandswerte aufweisen, so lange fort, bis die Spannung über der Batteriezelle Z1 gleich der Spannung über der Batteriezelle Z2 ist. Danach fließen nur noch der Ruheversorgungsstrom des Operationsverstärkers 46 und der Querstrom über die Widerstände Rc1 und Rc2 aus den Zellen. Beide Ströme können durch geeignete Dimensionierung und Auswahl der Schaltungskomponenten sehr klein gehalten werden.The discharging process continues until the ratio between the voltage across the battery cell Z 1 and the voltage across the battery cell Z 2 has reached its desired value. In particular, in the case that the resistors R c1 and R c2 have equal resistance values, the discharging process continues until the voltage across the battery cell Z 1 equals the voltage across the battery cell Z 2 . After that, only the rest supply current of the operational amplifier flow 46 and the cross-current through the resistors R c1 and R c2 from the cells. Both currents can be kept very small by suitable dimensioning and selection of the circuit components.

In gleicher Weise sind ein zweites Ladungsausgleichsmodul mit den Batteriezellen Z2 und Z3 und ein drittes Ladungsausgleichsmodul mit den Batteriezellen Z3 und Z4 verbunden.In the same way, a second charge equalization module with the battery cells Z 2 and Z 3 and a third charge equalization module are connected to the battery cells Z 3 and Z 4 .

Das in 4 dargestellte Prinzip lässt sich unmittelbar auf Batteriesysteme mit mehr als vier Batteriezellen anwenden, indem je zwei benachbarte Batteriezellen auf die dargestellte Weise balanciert werden. 5 zeigt eine entsprechende Ausführungsform für eine beliebige Anzahl von Batteriezellen.This in 4 The illustrated principle can be applied directly to battery systems with more than four battery cells by each two adjacent battery cells are balanced in the manner shown. 5 shows a corresponding embodiment for any number of battery cells.

Anstelle von zwei einzelnen Batteriezellen können zwei Gruppen von Batteriezellen durch ein Ladungsausgleichsmodul balanciert werden. Dabei können die Batteriezellen innerhalb einer Gruppe ebenfalls balanciert werden. Instead of two individual battery cells, two groups of battery cells can be balanced by a charge balancing module. The battery cells within a group can also be balanced.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführungsform nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Batteriesystem und dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug auch bei grundsätzlich andersgearteten Ausführungen Gebrauch macht.The invention is not limited in its embodiment to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the inventive method, the battery system according to the invention and the motor vehicle according to the invention even in fundamentally different versions.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Batteriesystem, umfassend mindestens drei in Reihe geschaltete Batterieelemente (Z1, Z2, Z3), dadurch gekennzeichnet, dass für jeweils zwei benachbarte Batterieelemente (Zi, Zi+1) (i = 1, 2, ..., n – 1) ein Ladungsausgleichsmodul zum autonomen Ausgleich der Ladungen der beiden benachbarten Batterieelemente (Zi, Zi+1) vorgesehen ist.Battery system, comprising at least three series-connected battery elements (Z 1 , Z 2 , Z 3 ), characterized in that for each two adjacent battery elements (Z i , Z i + 1 ) (i = 1, 2, ..., n - 1) a charge equalization module for the autonomous compensation of the charges of the two adjacent battery elements (Z i , Z i + 1 ) is provided. Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei das Ladungsausgleichsmodul zumindest Folgendes umfasst: einen Spannungsteiler (Rc1, Rc2), der dazu ausgelegt ist, ausgehend von dem elektrischen Potenzial des negativen Pols eines ersten der benachbarten Batterieelemente (Zi) und dem elektrischen Potenzial des positiven Pols des zweiten der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) ein erstes elektrisches Potenzial zu erzeugen, das dem Soll-Wert des elektrischen Potenzials an dem positiven Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente (Zi) und dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) entspricht; mindestens ein Vergleichsmittel zum Vergleichen des ersten elektrischen Potenzials mit einem zweiten elektrischen Potenzial, das an dem positiven Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente (Zi) und dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) anliegt, und mindestens ein Entlademittel zum partiellen Entladen von mindestens einem der zwei benachbarten Batterieelemente (Zi, Zi+1), wobei das mindestens eine Entlademittel dazu ausgelegt ist, das erste der benachbarten Batterieelemente (Zi) zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in positiver Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht, und das zweite der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in negativer Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht. The battery system of claim 1, wherein the charge balancing module comprises at least: a voltage divider (R c1 , R c2 ) configured based on the negative pole electrical potential of a first of the adjacent battery elements (Z i ) and the positive electric potential Pols of the second of the adjacent battery elements (Z i + 1 ) to generate a first electrical potential corresponding to the target value of the electric potential at the positive pole of the first of the adjacent battery elements (Z i ) and the negative pole of the second of the adjacent battery elements ( Z i + 1 ) corresponds; at least one comparing means for comparing the first electric potential with a second electric potential applied to the positive pole of the first of the adjacent battery elements (Z i ) and the negative pole of the second of the adjacent battery elements (Z i + 1 ), and at least one discharging means for partially discharging at least one of the two adjacent battery elements (Z i , Z i + 1 ), wherein the at least one discharge means is adapted to discharge the first of the adjacent battery elements (Z i ) when the second electric potential is in the positive direction of deviates from the first electric potential, and the second of the adjacent battery elements (Z i + 1 ) to discharge when the second electric potential in the negative direction deviates from the first electric potential. Batteriesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei n in Reihe geschalteten Batterieelementen (Z1, Z2, ..., Zn) für zumindest einen Teil der (n – 2) im Inneren der Reihenschaltung angeordneten Batterieelemente (Z2, Z3, ..., Zn-1) Folgendes gilt: für ein Batterieelement (Zk) (k = 2, 3, ..., n – 2) und ein erstes, dem Batterieelement (Zk) benachbarten Batterieelement (Zk-1) ist ein erstes Ladungsausgleichsmodul vorgesehen und für das Batterieelement (Zk) und das zweite, dem Batterieelement (Zk) benachbarten Batterieelement (Zk+1) ist ein zweites Ladungsausgleichsmodul vorgesehen.Battery system according to claim 1 or 2, wherein at n series-connected battery elements (Z 1 , Z 2 , ..., Z n ) for at least a part of the (n-2) arranged in the interior of the series circuit battery elements (Z 2 , Z 3rd , ..., Z n-1 ) The following applies: for a battery element (Z k ) (k = 2, 3, ..., n - 2) and a first, the battery element (Z k ) adjacent battery element (Z k -1) is a first load balancing module and provided for the battery element (Z k) and the second, (the battery element Z k) adjacent battery element (Z k + 1) is a second load balancer is provided. Batteriesystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Entlademittel und die Vergleichsmittel durch einen gegengekoppelten Operationsverstärker (46) gebildet sind.A battery system according to claim 2 or 3, wherein the discharge means and the comparison means are provided by a negative feedback operational amplifier ( 46 ) are formed. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Spannungsteiler (Rc1, Rc2) des Ladungsausgleichsmoduls zum Ausgleich der Ladungen der beiden benachbarten Batterieelemente (Zi, Zi+1) einen ersten Widerstand (Rc1) und einen zweiten Widerstand (Rc2) umfasst, wobei der elektrische Widerstand des ersten Widerstands (Rc1) und der elektrische Widerstand des zweiten Widerstands (Rc2) im gleichen Verhältnis zueinander stehen, wie die Soll-Spannung des ersten der benachbarten Batterieelemente (Zi) und die Soll-Spannung des zweiten der benachbarten Batterieelemente (Zi+1).Battery system according to one of claims 2 to 4, wherein the voltage divider (R c1 , R c2 ) of the charge equalization module for balancing the charges of the two adjacent battery elements (Z i , Z i + 1 ), a first resistor (R c1 ) and a second resistor ( R c2 ), wherein the electrical resistance of the first resistor (R c1 ) and the electrical resistance of the second resistor (R c2 ) are in the same ratio as the desired voltage of the first of the adjacent battery elements (Z i ) and the desired Voltage of the second of the adjacent battery elements (Z i + 1 ). Batteriesystem nach Anspruch 5, wobei ein erster Anschluss des ersten Widerstands (Rc1) mit dem negativen Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente (Zi) leitend verbunden ist, ein zweiter Anschluss des ersten Widerstands (Rc1) mit einem ersten Anschluss des zweiten Widerstands (Rc2) leitend verbunden ist und ein zweiter Anschluss des zweiten Widerstands (Rc2) mit dem positiven Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) leitend verbunden ist..The battery system of claim 5, wherein a first terminal of the first resistor (R c1 ) is conductively connected to the negative pole of the first of the adjacent battery elements (Z i ), a second terminal of the first resistor (R c1 ) to a first terminal of the second resistor (R c2 ) is conductively connected and a second terminal of the second resistor (R c2 ) is conductively connected to the positive pole of the second of the adjacent battery elements (Z i + 1 ). Batteriesystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der zweite Anschluss des ersten Widerstands (Rc1) und der erste Anschluss des zweiten Widerstands (Rc2) mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (46) leitend verbunden sind, der zweite Anschluss des zweiten Widerstands (Rc2) und der positive Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) mit dem positiven Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers (46) leitend verbunden sind, der erste Anschluss des ersten Widerstands (Rc1) und der negative Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente (Zi) mit dem negativen Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers (46) leitend verbunden sind und der positive Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente (Zi) und der negative Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) mit dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers (46) leitend verbunden sind.Battery system according to one of claims 4 to 6, wherein the second terminal of the first resistor (R c1 ) and the first terminal of the second resistor (R c2 ) with the non-inverting input of the operational amplifier ( 46 ) are conductively connected, the second terminal of the second resistor (R c2 ) and the positive pole of the second of the adjacent battery elements (Z i + 1 ) to the positive supply voltage input of the operational amplifier ( 46 ) are conductively connected, the first terminal of the first resistor (R c1 ) and the negative pole of the first of the adjacent battery elements (Z i ) to the negative supply voltage input of the operational amplifier ( 46 ) are conductively connected and the positive pole of the first of the adjacent battery elements (Z i ) and the negative pole of the second of the adjacent battery elements (Z i + 1 ) with the inverting input and the output of the operational amplifier ( 46 ) are conductively connected. Batteriesystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Soll-Spannung des ersten der benachbarten Batterieelemente (Zi) und die Soll-Spannung des zweiten der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) gleich sind.Battery system according to one of the preceding claims, wherein the target voltage of the first of the adjacent battery elements (Z i ) and the desired voltage of the second of the adjacent battery elements (Z i + 1 ) are the same. Verfahren zum Balancieren der Batterieelemente eines Batteriesystems, wobei das Batteriesystem mindestens drei in Reihe geschaltete Batterieelemente (Z1, Z2, Z3), umfasst, und wobei für jeweils zwei benachbarte Batterieelemente (Zi, Zi+1) (i = 1, 2, ..., n – 1) ein autonomer Ladungsausgleich durchgeführt wird.A method for balancing the battery elements of a battery system, wherein the battery system comprises at least three series-connected battery elements (Z 1 , Z 2 , Z 3 ), and wherein for every two adjacent battery elements (Z i , Z i + 1 ) (i = 1 , 2, ..., n - 1) an autonomous charge compensation is performed. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriesystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.Motor vehicle with an electric drive motor for driving the motor vehicle and A battery system connected or connectable to the electric drive motor according to one of claims 1 to 8.
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