DE102012201404A1 - Method and device for charge equalization of the battery cells of a battery - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Ladungsausgleich von Batteriezellen (50) einer Batterie durch Schalten von Entladeströmen beschrieben. Ein Entladestrom fließt jeweils über einen mit einem Batteriemodul (40), das mindestens eine Batteriezelle (50) aufweist, parallel geschalteten Widerstand (30) und wird mittels eines dem Batteriemodul (40) zugeordneten Transistors (20) geschaltet. Dabei wird der Transistor (20) mittels eines pulsweitenmodulierten Signals ein- und ausgeschaltet. Ferner werden eine Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens, eine Batterie mit der Vorrichtung (10), sowie ein Fahrzeug, das die Vorrichtung (10) oder die Batterie aufweist, offenbart.A method for charge equalization of battery cells (50) of a battery by switching discharge currents will be described. A discharge current flows in each case via a resistor (30) connected in parallel with a battery module (40), which has at least one battery cell (50), and is switched by means of a transistor (20) assigned to the battery module (40). In this case, the transistor (20) is switched on and off by means of a pulse width modulated signal. Furthermore, a device (10) for carrying out the method, a battery with the device (10), and a vehicle having the device (10) or the battery are disclosed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Ladungsausgleich der Batteriezellen einer Batterie. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich mindestens eines zumindest eine Batteriezelle umfassenden Batteriemoduls einer Batterie. Auch betrifft die Erfindung eine Batterie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweisenden Batterie. The present invention relates to a method and a corresponding apparatus for charge compensation of the battery cells of a battery. In particular, the invention relates to a method and a device for charge equalization of at least one battery module comprising at least one battery cell of a battery. The invention also relates to a battery with the device according to the invention. Furthermore, the invention relates to a vehicle with a device according to the invention comprising the battery.
Stand der TechnikState of the art
Lithium-Ionen-Batterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge umfassen typischerweise eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen, die jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassen, wobei die Batteriemodule zum Zwecke des Ladungsausgleichs (Balancing) jeweils mit einer Ladungsausgleichsschaltung (Balancingschaltung) versehen sind. Lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles typically comprise a plurality of battery modules connected in series, each comprising at least one battery cell, wherein the battery modules are each provided with a charge balancing circuit for the purpose of balancing.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung
Bei der in der
Die Balancingschaltung
Die Balancingschaltung
Nachdem der Transistor
Aus dem Dokument
Die DC/DC-Wandler ermöglichen es, eingangsseitig eine Vielzahl von Batteriemodulen parallel und/oder in Reihe zu schalten. The DC / DC converters make it possible to connect a plurality of battery modules in parallel and / or in series on the input side.
Bei einer Spannungsdifferenz zwischen den Batteriemodulen fließen durch die elektrische Verbindung Ausgleichsströme, die die Spannung zwischen den Batteriemodulen aneinander angleichen. Bei gleicher Spannung aller Batteriemodule, das heißt, im ausgeglichenen Ladungszustand, fließen hingegen keine Ausgleichsströme. Die elektrische Verbindung kann daher im Falle des ausgeglichenen Zustandes bestehen bleiben. Die elektrische Verbindung zwischen den Batteriemodulen kann ein zusätzliches Widerstandselement umfassen oder mittels eines einfachen Drahtes ausgebildet sein. Auch hier wird während der Entladung der Batteriezelle
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ladungsausgleich von Batteriezellen einer Batterie durch Schalten eines Entladestroms bzw. durch Schalten von Entladeströmen beschrieben. Dabei fließt ein Entladestrom bzw. Ladungsausgleichsstrom jeweils über einen mit einem Batteriemodul, das mindestens eine Batteriezelle aufweist, parallel geschalteten Widerstand. Der Entladestrom wird mittels eines dem Batteriemodul zugeordneten Transistors geschaltet, wobei der Transistor gemäß einem pulsweitenmodulierten Signal ein- und ausgeschaltet wird.According to the invention, a method for charge equalization of battery cells of a battery by switching a discharge current or by switching discharge currents is described. In this case, a discharge current or charge compensation current flows in each case via a resistor connected in parallel with a battery module which has at least one battery cell. The discharge current is switched by means of a transistor associated with the battery module, wherein the transistor is switched on and off according to a pulse width modulated signal.
Anschaulich gesagt, es wird ein Verfahren zum Ladungsausgleich mindestens eines, zumindest eine Batteriezelle umfassenden Batteriemoduls bereitgestellt, bei dem zum Entladen des Batteriemoduls ein dem Batteriemodul zugeordneter Transistor, der im eingeschalteten Zustand einen dem Batteriemodul zugeordneten Widerstand parallel zu dem Batteriemodul schaltet, eingeschaltet wird. Erfindungsgemäß wird der Transistor mittels eines pulsweitenmodulierten Signals des Batteriemoduls ein- und ausgeschaltet.Illustrated clearly, there is provided a method for charge equalization of at least one battery module comprising at least one battery cell, in which for discharging the battery module a transistor assigned to the battery module, which switches in the on state, a battery module associated resistance parallel to the battery module is turned on. According to the invention, the transistor is switched on and off by means of a pulse width modulated signal of the battery module.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch während eines Entladevorganges der Batterie oder während eines Ladevorganges der Batterie vorteilhaft angewandt werden.In particular, the method according to the invention can also be advantageously used during a discharging process of the battery or during a charging process of the battery.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich mindestens eines zumindest eine Batteriezelle umfassenden Batteriemoduls bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung, die dazu ausgerichtet ist, die Batteriemodulspannung zu erfassen und zum Entladen des Batteriemoduls bzw. zum Ladungsausgleich einen dem Batteriemodul zugeordneten Transistor, der im eingeschalteten Zustand einen dem Batteriemodul zugeordneten Widerstand mit dem Batteriemodul parallel schaltet, einzuschalten. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung weiter dazu ausgerichtet, während des Ladungsausgleichsvorganges des Batteriemoduls ein pulsweitenmoduliertes Signal zu erzeugen und den Transistor mittels des erzeugten pulsweitenmodulierten Signals ein- und auszuschalten.According to the invention, a device is also provided for the charge balance of at least one battery module comprising at least one battery cell. The device according to the invention comprises a control device which is designed to detect the battery module voltage and to discharge the battery module or to charge balance a transistor associated with the battery module, which in the on state, a battery module associated with the resistor in parallel with the battery module, turn on. According to the invention, the control device is further designed to generate a pulse width modulated signal during the charge equalization process of the battery module and to turn the transistor on and off by means of the generated pulse width modulated signal.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Batterie bereitgestellt, die mindestens ein, zumindest eine Batteriezelle umfassendes Batteriemodul, einen dem Batteriemodul zugeordneten Transistor, einen dem Batteriemodul zugeordneten Widerstand und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ladungsausgleich des Batteriemoduls umfasst.According to the invention, a battery is furthermore provided which comprises at least one battery module comprising at least one battery cell, a transistor assigned to the battery module, a resistor assigned to the battery module and the device for compensating the charge of the battery module.
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.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Transistor mittels des pulsweitenmodulierten Signals, das eine ansteigende Impulsdauer aufweist, ein- und ausgeschaltet.In a particularly preferred embodiment of the invention, the transistor is switched on and off by means of the pulse-width-modulated signal, which has an increasing pulse duration.
Vorteilhaft kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst erreicht werden, dass der Gradient des Temperaturanstiegs desjenigen Widerstandes (Balancingwiderstand) verringert wird, der zum teilweisen Entladen bzw. zum Ladungsausgleich eines Batteriemoduls einer Batterie mittels eines Transistors (Balancingtransistor) zu dem Batteriemodul parallel geschaltet wird. Dazu werden, wie vorhin erläutert, die Balancingtransistoren pulsweitenmoduliert eingeschaltet bzw. angesteuert, wobei in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Impulsdauer bzw. der Tastgrad (Duty Cycle) der Pulsweitenmodulation (PWM) ansteigend gewählt wird. Der Anstieg der Temperatur des Balancingwiderstandes ist dabei proportional zu dem Anstieg der Impulsdauer der Pulsmodulation.Advantageously, by means of the method according to the invention, it can first be achieved that the gradient of the temperature rise of that resistor (balancing resistor) is reduced, which is connected in parallel to the battery module for partially discharging or for equalizing the charge of a battery module of a battery by means of a transistor (balancing transistor). For this purpose, as explained above, the balancing transistors are switched on or driven in a pulse-width-modulated manner, wherein in an advantageous embodiment of the invention the pulse duration or duty cycle (duty cycle) of the pulse width modulation (PWM) is selected to increase. The increase in the temperature of the balancing resistor is proportional to the increase in the pulse duration of the pulse modulation.
Das mittels der Pulsweitenmodulation gesteuerte Ein- und Ausschalten des Balancingtransistors führt zu einer Reduzierung des Temperaturgradienten des Balancingwiderstandes und entsprechend auch zu kleineren Temperaturhüben.The controlled by the pulse width modulation switching on and off of the balancing transistor leads to a reduction of the temperature gradient of Balancingwiderstandes and correspondingly to smaller temperature strokes.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Transistor mittels des pulsweitenmodulierten Signals, das eine mindestens einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitende Frequenz aufweist, ein- und ausgeschaltet.In a further particularly preferred embodiment of the invention, the transistor is switched on and off by means of the pulse-width-modulated signal, which has a frequency exceeding at least one predetermined threshold.
Dadurch, dass die Frequenz der Pulsweitenmodulation möglichst hoch gewählt wird, kann die Höhe der Temperaturhübe des Balancingwiderstandes weiterhin erheblich reduziert werden.The fact that the frequency of the pulse width modulation is selected as high as possible, the height of the temperature strokes of Balancingwiderstandes can be further reduced significantly.
Das gemäß einer Pulsweitenmodulation gesteuerte Ein- und Ausschalten des Balancingtransistors kann insbesondere softwaregesteuert vorgenommen werden.The controlled according to a pulse width modulation switching on and off of the balancing transistor can be made in particular software controlled.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich mindestens eines Batteriemoduls, bei der die Steuereinrichtung eine Pulsweitenmodulationseinheit umfasst, die dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße pulsweitenmodulierte Signal zum Ein- und Ausschalten des Transistors zu erzeugen und den Transistor mittels des erzeugten pulsweitenmodulierten Signals ein- und auszuschalten.A further aspect of the invention relates to a device for charge equalization of at least one battery module, in which the control device comprises a pulse width modulation unit, which is adapted to the inventive Pulse width modulated signal for turning on and off of the transistor to generate and turn on and off the transistor by means of the generated pulse width modulated signal.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als integrierte Schaltung ausgebildet, in der insbesondere die Pulsweitenmodulationseinheit implementiert ist.In a particularly preferred embodiment of the invention, the control device of the device according to the invention is designed as an integrated circuit, in which in particular the pulse width modulation unit is implemented.
Somit kann vorteilhaft das mittels der Pulsweitenmodulation gesteuerte Ein- und Ausschalten des Balancingtransistors mittels einer Pulsweitenmodulationseinheit erfolgen, die vorzugsweise in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zum Ladungsausgleich (Balancing-ASIC) des Batteriemoduls der Batterie implementiert ist. Insbesondere kann die Pulsweitenmodulationseinheit auch in der integrierten Schaltung (IC) zur Erfassung der Batteriemodulspannung implementiert sein. Somit wird erfindungsgemäß ermöglicht, dass der Temperaturgradient des Balancingwiderstandes von der integrierten Schaltung, in welcher die Pulsweitenmodulationseinheit integriert ist, autonom gesteuert werden kann. Thus, advantageously controlled by the pulse width modulation switching on and off of the balancing transistor by means of a pulse width modulation unit, which is preferably implemented in an application-specific integrated circuit for balancing (balancing ASIC) of the battery module of the battery. In particular, the pulse width modulation unit may also be implemented in the integrated circuit (IC) for detecting the battery module voltage. Thus, according to the invention it is made possible that the temperature gradient of the balancing resistor can be autonomously controlled by the integrated circuit in which the pulse width modulation unit is integrated.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die so implementierte Pulsweitenmodulationseinheit auch dazu genutzt werden, die Höhe der Temperaturhübe des Balancingwiderstandes einzustellen.In a further embodiment of the invention, the pulse width modulation unit implemented in this way can also be used to set the height of the temperature strokes of the balancing resistor.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in ihrer Gesamtheit in der erfindungsgemäßen Batterie integriert sein. The device according to the invention can be integrated in its entirety in the battery according to the invention.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug bereitgestellt, das eine Batterie mit mindestens einem, zumindest eine Batteriezelle umfassenden Batteriemodul, einen dem Batteriemodul zugeordneten Transistor, einen dem Batteriemodul zugeordneten Widerstand und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ladungsausgleich des Batteriemoduls oder einer erfindungsgemäßen Batterie umfasst. The invention further provides a vehicle, in particular an electric or hybrid vehicle, comprising a battery having at least one battery module comprising at least one battery cell, a transistor associated with the battery module, a resistor associated with the battery module, and a device for compensating the charge of the battery module or a battery according to the invention includes.
Die das mindestens eine Batteriemodul umfassende Batterie kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Lithium-Ionen-Batterie sein.The battery comprising the at least one battery module can, according to a preferred embodiment, be a lithium-ion battery.
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:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der
Zur Entladung der Batteriezelle
Die Vorrichtung
Dabei ist der Balancingtransistor
Die Steuervorrichtung
Zwischen einem zweiten und einem dritten Anschluss (nicht gekennzeichnet) der Steuervorrichtung
In der
In der
Die Verwendung des pulsweitenmodulierten Signals S zum Ein- und Ausschalten des Balancingtransistors
Der Anstieg der Temperatur T des Balancingwiderstandes
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: GULDE HENGELHAUPT ZIEBIG & SCHNEIDER, DE Representative=s name: GULDE & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWALTSKANZL, DE |
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