DE102012201602B4 - Method and control device for adjusting a current flowing through a battery string - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Einstellen eines durch einen Batteriestrang (20) einer Batterie (10) fließenden Stroms (I), wobei der Batteriestrang (20) mehrere in Reihe angeordnete Batteriemodule umfasst, wobei ein erstes Batteriemodul (31) und zumindest ein zweites Batteriemodul (32) der in Reihe angeordneten Batteriemodule (31, 32) derart ausgebildet sind, dass sie durch Ansteuerung dem Batteriestrang (20) zugeschaltet oder von dem Batteriestrang (20) entkoppelt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler eine Induktivität (50) umfasst, die an einem Anschluss mit einem Ausgang (81) des DC/DC-Wandlers (80) und an einem anderen Anschluss mit einem dem ersten Batteriemodul (31) zugeordneten Schalter (60) und mit einem anderen dem ersten Batteriemodul (31) zugeordneten Schalter (70) verbunden ist, wobei der dem ersten Batteriemodul (31) zugeordnete Schalter (60) an seinem Anschluss, der nicht mit der Induktivität (50) verbunden ist, mit einem Eingang des DC/DC-Wandlers (80) verbunden ist, wobei der dem ersten Batteriemodul (31) zugeordnete Schalter (70) an seinem Anschluss, der nicht mit der Induktivität (50) verbunden ist, mit einem weiteren Eingang des DC/DC-Wandlers (80) verbunden ist, wobei der DC/DC-Wandler (80) mit seinen zwei Eingängen an dem ersten Batteriemodul (31) angeschlossen ist, wobei das erste Batteriemodul (31) mittels des DC/DC-Wandlers (80) mit einer ersten Taktfrequenz (f1) angesteuert wird, die größer ist als eine zweite Frequenz (f2) ist, mit der das zumindest eine zweite Batteriemodul (32) angesteuert wird.Method for setting a current (I) flowing through a battery string (20) of a battery (10), the battery string (20) comprising a plurality of battery modules arranged in series, a first battery module (31) and at least a second battery module (32) of the battery modules (31, 32) arranged in series are designed in such a way that they can be connected to the battery string (20) or decoupled from the battery string (20) by activation, characterized in that the DC/DC converter comprises an inductance (50). , which is connected at one connection to an output (81) of the DC/DC converter (80) and at another connection to a switch (60) assigned to the first battery module (31) and to another switch assigned to the first battery module (31). (70) is connected, wherein the first battery module (31) associated switch (60) at its terminal that is not connected to the inductor (50) connected to an input of the DC / DC converter (80) i st, wherein the switch (70) assigned to the first battery module (31) is connected to a further input of the DC/DC converter (80) at its connection which is not connected to the inductance (50), the DC/ DC converter (80) is connected with its two inputs to the first battery module (31), the first battery module (31) being controlled by the DC/DC converter (80) at a first clock frequency (f1), which is higher as a second frequency (f2) with which the at least one second battery module (32) is controlled.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinrichtung zum Einstellen eines durch einen Batteriestrang fließenden Stromes. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Steuereinrichtung zum Einstellen eines durch einen Batteriestrang fließenden Stromes, wobei der Batteriestrang mehrere in Reihe angeordnete Batteriemodule umfasst, wobei ein erstes Batteriemodul und zumindest ein zweites Batteriemodul der in Reihe angeordneten Batteriemodule derart ausgebildet sind, dass sie durch Ansteuerung dem Batteriestrang zugeschaltet oder von dem Batteriestrang entkoppelt werden können. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, wobei das Batteriesystem ausgebildet ist, den Gesamtstrom der Batterie einzustellen. Auch betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem.The present invention relates to a method and a corresponding control device for setting a current flowing through a battery string. In particular, the invention relates to a method and a control device for setting a current flowing through a battery string, wherein the battery string comprises a plurality of battery modules arranged in series, wherein a first battery module and at least a second battery module of the battery modules arranged in series are designed in such a way that they are activated by activation can be connected to the battery string or decoupled from the battery string. Furthermore, the invention relates to a battery system with a battery, in particular a lithium-ion battery, the battery system being designed to adjust the total current of the battery. The invention also relates to a vehicle with the battery system according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie zum Beispiel bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Verbraucherbereich (Consumer-Bereich), wie zum Beispiel bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Für solche Aufgaben sind insbesondere Batterien mit Lithium-Ionen-Technologie geeignet. Sie zeichnet unter anderem eine hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications, such as wind turbines, in vehicles, such as hybrid and electric vehicles, and in the consumer sector, such as laptops and mobile phones, More and more new battery systems will be used, which will have to meet very high demands in terms of reliability, safety, performance and service life. Batteries with lithium-ion technology are particularly suitable for such tasks. Among other things, it features a high energy density and extremely low self-discharge.

Für Anwendungen mit hohem Energiebedarf, wie zum Beispiel stationäre Energiespeicher, ist die Parallelschaltung mehrerer Batteriestränge notwendig. Bei ungleicher Spannung zwischen den Batteriesträngen entstehen elektrische Ausgleichsströme, die die Spannung zwischen den Batteriesträngen aneinander angleichen.For applications with high energy requirements, such as stationary energy storage, it is necessary to connect several battery strings in parallel. If the voltage between the battery strings is unequal, electrical compensating currents are created, which equalize the voltage between the battery strings.

Aus dem Dokument DE 10 2009 028 977 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, das mindestens zwei DC/DC-Wandler und mindestens zwei Batteriemodule umfasst, wobei an jeweils einem ersten Eingang eines DC/DC-Wandlers ein Batteriemodul angeschlossen ist und wobei die mindestens zwei Batteriemodule über mindestens eine elektrische Verbindung miteinander verbunden sind zwecks Ladungsausgleichs zwischen den mindestens zwei Batteriemodulen. Ein Batteriemodul umfasst eine einzelne Batteriezelle oder eine Schaltung aus mehreren Batteriezellen.From the document DE 10 2009 028 977 A1 a battery system is known which comprises at least two DC/DC converters and at least two battery modules, a battery module being connected to a respective first input of a DC/DC converter and the at least two battery modules being connected to one another via at least one electrical connection for the purpose of Charge balancing between the at least two battery modules. A battery module includes a single battery cell or a circuit of multiple battery cells.

Das Dokument DE 10 2009 027 835 A1 offenbart ein hybrides Batteriesystem.The document DE 10 2009 027 835 A1 discloses a hybrid battery system.

Das Dokument US 5 773 962 A offenbart Schaltkreise zur Überwachung der Energie von Batterien.The document U.S. 5,773,962 A discloses circuits for monitoring battery energy.

Das Dokument EP 0 609 101 A1 offenbart eine Vorrichtung zur elektrischen Stromversorgung, die mit einer Vielzahl von Sekundärbatterien ausgestattet ist, die in Serie und/oder parallel geschaltet sind.The document EP 0 609 101 A1 discloses an electric power supply apparatus equipped with a plurality of secondary batteries connected in series and/or in parallel.

Das Dokument US 6 140 799 A offenbart ein System zum Erhalten eines variablen Spannungsausgangs von einer Anordnung von Batteriebänken und Schaltern, wobei die Batteriebänke aus mehreren einzelnen Zellen bestehen, die in Reihe geschaltet sind, so dass die erste Bank aus einer Zelle besteht und jede nachfolgende Bank die doppelte Anzahl von Zellen wie die vorherige Bank hat.The document U.S. 6,140,799 A discloses a system for obtaining a variable voltage output from an array of battery banks and switches, the battery banks consisting of a plurality of individual cells connected in series such that the first bank consists of one cell and each subsequent bank has twice the number of cells as the previous bank has.

Die DC/DC-Wandler ermöglichen dabei, eingangsseitig eine Vielzahl von Batteriemodulen parallel und/oder in Reihe zu schalten. Ausgangsseitig werden die DC/DC-Wandler parallel oder in Reihe geschaltet und ermöglichen die Einstellung einer gewünschten Ausgangsspannung.The DC/DC converters make it possible to connect a large number of battery modules in parallel and/or in series on the input side. On the output side, the DC/DC converters are connected in parallel or in series and enable the desired output voltage to be set.

Bei ungleicher Spannung 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 eines Ladungsaugleiches bestehen bleiben.If the voltage between the battery modules is not the same, compensating currents flow through the electrical connection, which equalize the voltage between the battery modules. On the other hand, if the voltage of all battery modules is the same, i.e. in a balanced state of charge, no equalizing currents flow. The electrical connection can therefore remain intact in the event of a charge equalization.

Die elektrische Verbindung zwischen den Batteriemodulen kann einen Widerstand umfassen oder als Kurzschluss ausgebildet sein.The electrical connection between the battery modules can include a resistor or be designed as a short circuit.

Da über die Lebensdauer eines Batteriesystems oder einer Batterie sich die Batteriezellen des Batteriesystems bzw. der Batterie unterschiedlich verhalten, kommt es bei solchen wie oben beschriebenen, insbesondere älteren, Batterien oder Batteriesystemen zu Ausgleichsströmen zwischen den einzelnen Batteriesträngen oder Batteriemodulen, die zusätzliche Verluste erzeugen und darüber hinaus die Batteriezellalterung noch zusätzlich beschleunigen.Since the battery cells of the battery system or battery behave differently over the service life of a battery system or battery, there are equalizing currents between the individual battery strings or battery modules in batteries or battery systems as described above, especially older ones, which generate additional losses and more also accelerate battery cell aging.

Aus dem Stand der Technik sind ferner Batterien bekannt, deren Batteriestränge jeweils in einzelne Batteriemodule unterteilt sind. Dabei kann jedes Batteriemodul dem zugeordneten Batteriestrang zugeschaltet oder beispielsweise im Falle eines Defektes überbrückt werden.Batteries are also known from the prior art, the battery strings of which are each subdivided into individual battery modules. Each battery module can be connected to the assigned battery string or, for example, bypassed in the event of a defect.

Eine solche aus dem Stand der Technik bekannte Batterie 10 ist in der 1 dargestellt. Die Batterie 10 umfasst mehrere parallel geschaltete Batteriestränge 20. Dabei umfasst jeder Batteriestrang 20 mehrere in Reihe schaltbare Batteriemodule 30, die jeweils dem zugeordneten Batteriestrang 20 zuschaltbar oder beispielsweise im Falle eines Defektes überbrückbar sind. Jedes Batteriemodul 30 umfasst dabei n Batteriezellen 40.Such a known from the prior art battery 10 is in 1 shown. The battery 10 comprises a plurality of battery strings 20 connected in parallel. Each battery string 20 comprises a plurality of battery modules 30 which can be connected in series and which can each be connected to the associated battery string 20 or, for example, can be bypassed in the event of a defect. Each battery module 30 comprises n battery cells 40.

Eine solche Betriebsstrategie hat allerdings den Nachteil, dass dadurch das Problem der Ausgleichsströme beim Umschalten aufgrund des dann entstehenden Spannungssprungs innerhalb eines Batteriestranges 20 noch zusätzlich verschärft wird.However, such an operating strategy has the disadvantage that the problem of compensating currents when switching over due to the voltage jump that then occurs within a battery string 20 is further exacerbated.

Daher wird gemäß einer anderen Anmeldung des Erfinders eine Entkopplung der einzelnen von einer Batterie umfassten Batteriestränge voneinander über Induktivitäten vorgeschlagen. Eine solche Batterie 10 mit voneinander über Induktivitäten (L) 50 entkoppelten Batteriesträngen 20 ist in der 2 dargestellt. Dabei umfasst jeder Batteriestrang 20 mehrere in Reihe schaltbare Batteriemodule 30, die jeweils dem zugeordneten Batteriestrang 20 zuschaltbar oder beispielsweise im Falle eines Defektes überbrückbar sind. Jedes Batteriemodul 30 umfasst dabei n Batteriezellen 40. Bei der in der 2 dargestellten Batterie 10 wird mindestens ein Batteriemodul 30 in jedem Batteriestrang 20 so getaktet, dass im Mittel die gewünschte Ausgangsspannung für jeden Batteriestrang 20 eingestellt wird.Therefore, according to another application by the inventor, decoupling of the individual battery strings comprised by a battery from one another via inductances is proposed. Such a battery 10 with battery strings 20 decoupled from one another via inductances (L) 50 is in FIG 2 shown. In this case, each battery string 20 comprises a plurality of battery modules 30 which can be connected in series and which can each be connected to the associated battery string 20 or, for example, can be bypassed in the event of a defect. Each battery module 30 includes n battery cells 40. In the case of FIG 2 Battery 10 shown, at least one battery module 30 in each battery string 20 is clocked so that the desired output voltage for each battery string 20 is set on average.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Einstellen eines durch einen Batteriestrang einer Batterie fließenden Stroms bereitgestellt. Dabei umfasst der Batteriestrang mehrere in Reihe angeordnete Batteriemodule, wobei ein erstes Batteriemodul und zumindest ein zweites Batteriemodul der in Reihe angeordneten Batteriemodule derart ausgebildet sind, dass sie durch Ansteuerung wahlweise dem Batteriestrang zugeschaltet oder von dem Batteriestrang entkoppelt werden können. Ferner wird das erste Batteriemodul mittels eines DC/DC-Wandlers mit einer Taktfrequenz angesteuert, die größer ist als eine Frequenz, mit der das zumindest eine zweite Batteriemodul angesteuert wird.According to the invention, a method for adjusting a current flowing through a battery string of a battery is provided. The battery string comprises a plurality of battery modules arranged in series, with a first battery module and at least one second battery module of the battery modules arranged in series being designed in such a way that they can be selectively connected to the battery string or decoupled from the battery string by activation. Furthermore, the first battery module is controlled by a DC/DC converter with a clock frequency that is higher than a frequency with which the at least one second battery module is controlled.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Steuereinrichtung zum Einstellen eines durch einen Batteriestrang eines Batteriesystems fließenden Stromes bereitgestellt. Dabei weist das Batteriesystem mindestens einen DC/DC-Wandler und mindestens einen schaltbaren Batteriestrang, der mehrere in Reihe angeordnete Batteriemodule umfasst, auf. Ein erstes Batteriemodul und zumindest ein zweites Batteriemodul der in Reihe angeordneten Batteriemodule sind derart ausgebildet, dass sie durch Ansteuerung dem Batteriestrang zugeschaltet oder von dem Batteriestrang entkoppelt werden können. Ferner sind das Batteriesystem und/oder die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, das erste Batteriemodul mittels eines DC/DC-Wandlers mit einer Taktfrequenz anzusteuern, die größer ist als eine Frequenz, mit der das zumindest eine zweite Batteriemodul angesteuert wird.According to the invention, a control device for setting a current flowing through a battery string of a battery system is also provided. The battery system has at least one DC/DC converter and at least one switchable battery string, which includes a number of battery modules arranged in series. A first battery module and at least one second battery module of the battery modules arranged in series are designed in such a way that they can be connected to the battery string or decoupled from the battery string by activation. Furthermore, the battery system and/or the control device are designed to control the first battery module using a DC/DC converter with a clock frequency that is higher than a frequency with which the at least one second battery module is controlled.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Gesamtstrom einer Batterie, die mindestens zwei Batteriestränge aufweist, eingestellt werden.According to a development of the invention, the total current of a battery that has at least two battery strings can be adjusted.

So kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Gesamtstrom einer Batterie mit mindestens zwei Batteriesträngen, die jeweils mindestens zwei Batteriemodule umfassen, eingestellt werden. Dabei sind die mindestens zwei Batteriemodule in dem zugeordneten Batteriestrang in Reihe mit den anderen Batteriemodulen zuschaltbar und zum Entkoppeln aus dem zugeordneten Batteriestrang überbrückbar ausgebildet. Ein erstes Batteriemodul eines jeden Batteriestranges ist an einem Eingang eines dem entsprechenden Batteriestrang zugeordneten DC/DC-Wandlers angeschlossen, wobei die DC/DC-Wandler ausgangsseitig parallel geschaltet sind. Zum Einstellen des Gesamtstromes der Batterie werden die durch die Batteriestränge fließenden Ströme jeweils mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einstellen des durch einen Batteriestrang fließenden Stromes eingestellt.In the method according to the invention, the total current of a battery can be set with at least two battery strings, each of which includes at least two battery modules. The at least two battery modules in the assigned battery string can be connected in series with the other battery modules and can be bridged for decoupling from the assigned battery string. A first battery module of each battery string is connected to an input of a DC/DC converter assigned to the corresponding battery string, the DC/DC converters being connected in parallel on the output side. To set the total current of the battery, the currents flowing through the battery strings are set in each case by means of the method according to the invention for setting the current flowing through a battery string.

Ferner kann die erfindungsgemäße Steuereinrichtung zum Einstellen des Gesamtstromes einer Batterie mit mindestens zwei Batteriesträngen ausgebildet sein.Furthermore, the control device according to the invention can be designed to adjust the total current of a battery with at least two battery strings.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einstellen des durch einen Batteriestrang fließenden Stromes wird die Taktung des durch den Batteriestrang fließenden Stromes von nur einem einzigen Batteriemodul übernommen, welches über einen DC/DC-Wandler verfügt.In the method according to the invention for setting the current flowing through a battery string, the timing of the current flowing through the battery string is taken over by only a single battery module, which has a DC/DC converter.

Vorteilhafterweise ist es erfindungsgemäß nicht mehr notwendig, dass jedes der Batteriemodule auf eine relativ hohe Schaltfrequenz ausgelegt sein muss. Daher können Maßnahmen zur Schaltungsauslegung (Snubber) entfallen, bei denen eine ansonsten erforderliche Entwärmung durchgeführt wird. Dadurch können Kosten gespart werden.According to the invention, it is advantageously no longer necessary for each of the battery modules to be designed for a relatively high switching frequency. Therefore, measures for the circuit design (snubber) can be omitted, in which an otherwise necessary heat dissipation is carried out. This can save costs.

Insbesondere für die anderen Batteriemodule des Batteriestranges hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass sie nur noch in zeitlich großen Abständen voneinander geschaltet werden müssen, wodurch sich die Schaltverluste in diesen Batteriemodulen erheblich reduzieren. Es kann somit ein wesentlicher Teil des Schaltungsaufwandes und des Aufwandes für die erforderliche Entwärmung eingespart werden.The method according to the invention has the advantage, in particular for the other battery modules of the battery string, that they only have to be switched from one another at long intervals, as a result of which the switching losses in these battery modules are significantly reduced. It can thus be saved a significant part of the circuitry and the cost of the required heat dissipation.

Bevorzugterweise ist der erfindungsgemäße DC/DC-Wandler zumindest teilweise in dem erfindungsgemäßen ersten Batteriemodul implementiert oder ganz in dem ersten Batteriemodul angeordnet.The DC/DC converter according to the invention is preferably implemented at least partially in the first battery module according to the invention or is arranged entirely in the first battery module.

Der DC/DC-Wandler umfasst eine Induktivität, die an einem Anschluss mit einem Ausgang des DC/DC-Wandlers und an einem anderen Anschluss mit einem dem ersten Batteriemodul zugeordneten Schalter und mit einem anderen dem ersten Batteriemodul zugeordneten Schalter verbunden ist, wobei der dem ersten Batteriemodul zugeordnete Schalter an seinem Anschluss, der nicht mit der Induktivität verbunden ist, mit einem Eingang des DC/DC-Wandlers verbunden ist, wobei der dem ersten Batteriemodul zugeordnete Schalter an seinem Anschluss, der nicht mit der Induktivität verbunden ist, mit einem weiteren Eingang des DC/DC-Wandlers verbunden ist, wobei der DC/DC-Wandler mit seinen zwei Eingängen an dem ersten Batteriemodul angeschlossen ist,The DC/DC converter includes an inductance which is connected at one terminal to an output of the DC/DC converter and at another terminal to a switch associated with the first battery module and to another switch associated with the first battery module, the dem the switch assigned to the first battery module is connected to an input of the DC/DC converter at its connection which is not connected to the inductance, the switch assigned to the first battery module being connected to a further connection at its connection which is not connected to the inductance input of the DC/DC converter is connected, the DC/DC converter being connected with its two inputs to the first battery module,

Ein wichtiger Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mindestens zwei Batteriesträngen, die jeweils mindestens zwei Batteriemodule umfassen, die zu dem zugeordneten Batteriestrang in Reihe mit den anderen Batteriemodulen zuschaltbar und zum Entkoppeln aus dem zugeordneten Batteriestrang überbrückbar ausgebildet sind. Bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem ist ein erstes Batteriemodul eines jeden Batteriestranges an einem dem entsprechenden Batteriestrang zugeordneten DC/DC-Wandler eingangsseitig angeschlossen. Dabei sind die Batteriestränge mittels der zugeordneten miteinander ausgangsseitig gekoppelten DC/DC-Wandler parallel zueinander geschaltet. Ferner umfasst das Batteriesystem eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Steuereinrichtung zum Einstellen des Gesamtstromes der Batterie.An important aspect of the invention relates to a battery system with a battery having at least two battery strings, each of which includes at least two battery modules that can be connected to the associated battery string in series with the other battery modules and can be bypassed for decoupling from the associated battery string. In the battery system according to the invention, a first battery module of each battery string is connected on the input side to a DC/DC converter assigned to the corresponding battery string. In this case, the battery strings are connected in parallel to one another by means of the assigned DC/DC converters which are coupled to one another on the output side. The battery system also includes a device or control device according to the invention for setting the total current of the battery.

Erfindungsgemäß kann die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie sein.According to the invention, the battery can be a lithium-ion battery.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Batteriesystem mindestens einen Batteriestrang, der ein erstes Batteriemodul mit einer ersten Batteriezellenzahl und zumindest ein zweites Batteriemodul mit einer gegenüber der ersten Batteriezellenzahl kleineren zweiten Batteriezellenzahl aufweist.In a particularly preferred embodiment of the invention, the battery system comprises at least one battery string, which has a first battery module with a first number of battery cells and at least one second battery module with a second number of battery cells that is smaller than the first number of battery cells.

Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen, dass das Batteriemodul mit dem angeschlossenen DC/DC-Wandler über eine Batteriezellenzahl verfügt, die größer als die Batteriezellenzahl in den übrigen geschalteten Batteriemodulen eines Batteriestranges ist.In other words, it is particularly proposed according to the invention that the battery module with the connected DC/DC converter has a number of battery cells that is greater than the number of battery cells in the other connected battery modules of a battery string.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens einer der den Batteriesträngen zugeordneten DC/DC-Wandler als synchroner Abwärtswandler (Tiefsetzsteller) ausgebildet.In a further preferred embodiment of the invention, at least one of the DC/DC converters assigned to the battery strings is designed as a synchronous step-down converter (buck converter).

Anders ausgedrückt, es wird erfindungsgemäß des Weiteren vorgeschlagen, dass mindestens ein einem Batteriestrang zugeordneter DC/DC-Wandler als Tiefsetzsteller, der in umgekehrter Richtung (Laden) als Hochsetzsteller arbeitet, ausgebildet ist.In other words, it is further proposed according to the invention that at least one DC/DC converter assigned to a battery string is designed as a step-down converter which operates in the reverse direction (charging) as a step-up converter.

Damit werden die Batteriezellen, die zu dem Batteriemodul mit dem DC/DC-Wandler gehören, entsprechend weniger belastet als die Batteriezellen, die zu den Batteriemodulen ohne angeschlossenen DC/DC-Wandler gehören. Diese Tatsache führt zu einer langsameren Alterung der Batteriezellen in dem Batteriemodul mit dem angeschlossenen DC/DC-Wandler.Thus, the battery cells that belong to the battery module with the DC/DC converter are correspondingly less loaded than the battery cells that belong to the battery modules without a connected DC/DC converter. This fact leads to slower aging of the battery cells in the battery module with the connected DC/DC converter.

Erfindungsgemäß wird ferner auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder ein Hybridfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt.According to the invention, a vehicle, in particular an electric vehicle or a hybrid vehicle, with a battery system according to the invention is also provided.

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

Figurenlistecharacter list

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine aus dem Stand der Technik bekannten Batterie mit parallel geschalteten Batteriesträngen,
  • 2 eine Batterie mit mehreren parallel geschalteten Batteriesträngen, die jeweils mittels einer Serieninduktivität entkoppelt sind, und
  • 3 ein Prinzipschaltbild eines Batteriestranges einer Batterie nach einer Ausführungsform der Erfindung.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description. Show it:
  • 1 a battery known from the prior art with battery strings connected in parallel,
  • 2 a battery with a plurality of battery strings connected in parallel, each of which is decoupled by means of a series inductance, and
  • 3 a schematic diagram of a battery string of a battery according to an embodiment of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 3 ist das Prinzipschaltbild eines Batteriestranges 20 einer Batterie 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.In the 3 the basic circuit diagram of a battery string 20 of a battery 10 is shown according to a first embodiment of the invention.

Der Batteriestrang 20 umfasst mindestens zwei Batteriemodule 30, 130 mit jeweils mehreren Batteriezellen 40. Die Batteriemodule 30, 130 sind jeweils zu dem Batteriestrang 20 mittels eines Schalters 60 zuschaltbar, mittels eines Schalters 70 überbrückbar und dadurch auch aus dem Batteriestrang 20 entkoppelbar ausgebildet.The battery string 20 comprises at least two battery modules 30, 130, each with a plurality of battery cells 40. The battery modules 30, 130 are each connected to the battery string 20 by means of a scarf ters 60 can be switched on, can be bridged by means of a switch 70 and can therefore also be decoupled from the battery string 20 .

Erfindungsgemäß wird zum Einstellen des durch den Batteriestrang 20 fließenden Stroms I ein Batteriemodul 31 mittels eines zugeordneten mit einer ersten Taktung mit einer ersten Taktfrequenz f1 getakteten DC/DC-Wandlers 80, an dem das erste Batteriemodul 31 eingangsseitig angeschlossen ist, abwechselnd zu dem Batteriestrang 20 zugeschaltet und aus dem Batteriestrang 20 entkoppelt.According to the invention, in order to adjust the current I flowing through the battery string 20, a battery module 31 is alternately connected to the battery string 20 by means of an associated DC/DC converter 80 which is clocked at a first clock frequency f1 and to which the first battery module 31 is connected on the input side switched on and decoupled from the battery string 20.

Das an dem DC/DC-Wandler 80 eingangsseitig angeschlossene erste Batteriemodul 31 des Batteriestranges 20 verfügt über eine Batteriezellenzahl m, die größer als die Batteriezellenzahl n des anderen dargestellten zweiten Batteriemoduls 32 des Batteriestranges 20 ist.The first battery module 31 of the battery string 20 connected to the DC/DC converter 80 on the input side has a battery cell number m that is greater than the battery cell number n of the other second battery module 32 of the battery string 20 shown.

Dabei umfasst der DC/DC-Wandler 80 eine Induktivität (L) 50, die an einem Anschluss (nicht gekennzeichnet) mit einem Ausgang 81 des DC/DC-Wandlers 80 und an einem anderen Anschluss (nicht gekennzeichnet) mit einem dem ersten Batteriemodul 31 zugeordneten Schalter 60 und mit einem anderen dem ersten Batteriemodul 31 zugeordneten Schalter 70 verbunden ist. Der dem ersten Batteriemodul 31 zugeordnete Schalter 60 ist an seinem Anschluss, der nicht mit der Induktivität 50 verbunden ist, mit einem Eingang (nicht gekennzeichnet) des DC/DC-Wandlers 80 verbunden. Der dem ersten Batteriemodul 31 zugeordnete Schalter 70 ist an seinem Anschluss, der nicht mit der Induktivität 50 verbunden ist, mit einem weiteren Eingang (nicht gekennzeichnet) des DC/DC-Wandlers 80 verbunden. Der DC/DC-Wandler 80 ist an seinen zwei Eingängen (eingangsseitig) an dem ersten Batteriemodul 31 angeschlossen.The DC/DC converter 80 comprises an inductor (L) 50 which is connected to an output 81 of the DC/DC converter 80 at one connection (not marked) and to the first battery module 31 at another connection (not marked). associated switch 60 and is connected to another switch 70 associated with the first battery module 31 . The switch 60 assigned to the first battery module 31 is connected to an input (not marked) of the DC/DC converter 80 at its connection which is not connected to the inductance 50 . The switch 70 assigned to the first battery module 31 is connected to a further input (not marked) of the DC/DC converter 80 at its connection which is not connected to the inductance 50 . The DC/DC converter 80 is connected to the first battery module 31 at its two inputs (on the input side).

Erfindungsgemäß wird ferner zum Einstellen des durch den Batteriestrang 20 fließenden Stromes I zumindest auch das andere in der 3 dargestellte und an dem DC/DC-Wandler 80 nicht angeschlossene zweite Batteriemodul 32 des Batteriestranges 20 mittels einer zweiten Frequenz oder Taktung mit einer gegenüber der ersten Taktfrequenz f1 kleineren zweiten Frequenz f2 abwechselnd zu dem Batteriestrang 20 zugeschaltet und aus dem Batteriestrang 20 entkoppelt. Dabei ist bevorzugt f2 viel kleiner als die Taktfrequenz f1.According to the invention is also used to set the current I flowing through the battery string 20 at least the other in the 3 illustrated second battery module 32 of battery string 20, which is not connected to DC/DC converter 80, is alternately connected to battery string 20 and decoupled from battery string 20 by means of a second frequency or clocking at a second frequency f2 that is lower than first clock frequency f1. In this case, f2 is preferably much smaller than the clock frequency f1.

Der zur Entkopplung des Batteriestranges 20 von anderen hier nicht dargestellten Batteriesträngen der Batterie 10 dienende DC/DC-Wandler 80 wird mit der Taktfrequenz f1 hoch getaktet und auf geringe Verluste optimiert.The DC/DC converter 80 used to decouple the battery string 20 from other battery strings of the battery 10 (not shown here) is clocked high with the clock frequency f1 and optimized for low losses.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einstellen des durch einen Batteriestrang fließenden Stromes wird der mit dem ersten Batteriemodul eingangsseitig angeschlossene DC/DC-Wandler mittels einer ersten Taktung mit einer ersten Taktfrequenz, die einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, getaktet.In a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention for adjusting the current flowing through a battery string, the DC/DC converter connected to the first battery module on the input side is clocked using a first clocking with a first clock frequency that exceeds a predetermined threshold value.

Mit anderen Worten, erfindungsgemäß werden die Batteriestränge jeweils durch einen DC/DC-Wandler entkoppelt, der vorzugsweise hochgetaktet wird und auf geringe Verluste optimiert ist. Aufgrund der kostenmäßig sehr sinnvollen Optimierung des DC/DC-Wandlers kann auf höhere den ersten Taktfrequenzen entsprechende Schaltfrequenzen übergegangen werden. Damit kann auch eine von dem DC/DC-Wandler umfasste Induktivität entsprechend klein ausgelegt werden.In other words, according to the invention, the battery strings are each decoupled by a DC/DC converter, which is preferably clocked up and optimized for low losses. Due to the optimization of the DC/DC converter, which is very sensible in terms of costs, it is possible to switch to higher switching frequencies corresponding to the first clock frequencies. An inductance comprised by the DC/DC converter can thus also be designed to be correspondingly small.

Zumindest ein weiteres Batteriemodul 30 des Batteriestranges 20, das in der 3 als das zweite Batteriemodul 32 des Batteriestranges 20 dargestellt ist, wird erfindungsgemäß mit einer gegenüber der Taktfrequenz f1 viel kleineren Frequenz f2 getaktet. Dadurch werden solche Batteriemodule 32 nur noch in zeitlich großen Abständen voneinander zu dem Batteriestrang 20 zugeschaltet, was zu einer erheblichen Reduzierung der Schaltverluste, des Schaltungsaufwandes und des Aufwandes für die erforderliche Entwärmung in solchen Batteriemodulen 32 führt.At least one other battery module 30 of the battery string 20 in the 3 shown as the second battery module 32 of the battery string 20 is clocked at a frequency f2 that is much lower than the clock frequency f1. As a result, such battery modules 32 are only connected to the battery string 20 at long intervals, which leads to a considerable reduction in the switching losses, the circuit complexity and the cost of the necessary heat dissipation in such battery modules 32 .

Claims (9)

Verfahren zum Einstellen eines durch einen Batteriestrang (20) einer Batterie (10) fließenden Stroms (I), wobei der Batteriestrang (20) mehrere in Reihe angeordnete Batteriemodule umfasst, wobei ein erstes Batteriemodul (31) und zumindest ein zweites Batteriemodul (32) der in Reihe angeordneten Batteriemodule (31, 32) derart ausgebildet sind, dass sie durch Ansteuerung dem Batteriestrang (20) zugeschaltet oder von dem Batteriestrang (20) entkoppelt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler eine Induktivität (50) umfasst, die an einem Anschluss mit einem Ausgang (81) des DC/DC-Wandlers (80) und an einem anderen Anschluss mit einem dem ersten Batteriemodul (31) zugeordneten Schalter (60) und mit einem anderen dem ersten Batteriemodul (31) zugeordneten Schalter (70) verbunden ist, wobei der dem ersten Batteriemodul (31) zugeordnete Schalter (60) an seinem Anschluss, der nicht mit der Induktivität (50) verbunden ist, mit einem Eingang des DC/DC-Wandlers (80) verbunden ist, wobei der dem ersten Batteriemodul (31) zugeordnete Schalter (70) an seinem Anschluss, der nicht mit der Induktivität (50) verbunden ist, mit einem weiteren Eingang des DC/DC-Wandlers (80) verbunden ist, wobei der DC/DC-Wandler (80) mit seinen zwei Eingängen an dem ersten Batteriemodul (31) angeschlossen ist, wobei das erste Batteriemodul (31) mittels des DC/DC-Wandlers (80) mit einer ersten Taktfrequenz (f1) angesteuert wird, die größer ist als eine zweite Frequenz (f2) ist, mit der das zumindest eine zweite Batteriemodul (32) angesteuert wird.Method for setting a current (I) flowing through a battery string (20) of a battery (10), the battery string (20) comprising a plurality of battery modules arranged in series, a first battery module (31) and at least a second battery module (32) of the battery modules (31, 32) arranged in series are designed in such a way that they can be connected to the battery string (20) or decoupled from the battery string (20) by activation, characterized in that the DC/DC converter comprises an inductance (50). , which is connected at one connection to an output (81) of the DC/DC converter (80) and at another connection to a switch (60) assigned to the first battery module (31) and to another switch assigned to the first battery module (31). (70) is connected, the first battery module (31) associated switch (60) being connected to an input of the DC/DC converter (80) at its connection which is not connected to the inductor (50). is, wherein the switch (70) assigned to the first battery module (31) is connected to a further input of the DC/DC converter (80) at its connection which is not connected to the inductor (50), the DC/ DC converter (80) with its two inputs on the first battery module (31) is connected, the first battery module (31) being controlled by the DC/DC converter (80) at a first clock frequency (f1) which is greater than a second frequency (f2) at which the at least one second battery module (32) is controlled. Verfahren zum Einstellen des Gesamtstromes einer Batterie (10) mit mindestens zwei Batteriesträngen (20), die jeweils mindestens zwei Batteriemodule (31, 32) umfassen, die in dem zugeordneten Batteriestrang (20) in Reihe zuschaltbar und zum Entkoppeln aus dem zugeordneten Batteriestrang (20) überbrückbar ausgebildet sind, wobei ein erstes Batteriemodul (31) eines jeden Batteriestranges (20) an einem Eingang eines dem entsprechenden Batteriestrang (20) zugeordneten DC/DC-Wandlers (80) angeschlossen ist und die DC/DC-Wandler (80) ausgangsseitig parallel geschaltet sind, wobei zum Einstellen des Gesamtstromes der Batterie (10) die durch die Batteriestränge (20) fließenden Ströme (I) jeweils gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 eingestellt werden.Method for setting the total current of a battery (10) with at least two battery strings (20), each of which comprises at least two battery modules (31, 32) which can be connected in series in the assigned battery string (20) and for decoupling from the assigned battery string (20 ) are bridgeable, with a first battery module (31) of each battery string (20) being connected to an input of a DC/DC converter (80) assigned to the corresponding battery string (20) and the DC/DC converters (80) being connected on the output side are connected in parallel, wherein the currents (I) flowing through the battery strings (20) are respectively adjusted according to the method according to the setting of the total current of the battery (10). claim 1 to be set. Steuereinrichtung für ein Batteriesystem mit mindestens einem DC/DC-Wandler (80) und mindestens einem schaltbaren Batteriestrang (20), der mehrere in Reihe angeordnete Batteriemodule umfasst, wobei ein erstes Batteriemodul (31) und zumindest ein zweites Batteriemodul (32) der in Reihe angeordneten Batteriemodule (31, 32) derart ausgebildet sind, dass sie durch Ansteuerung wahlweise dem Batteriestrang (20) zugeschaltet oder von dem Batteriestrang (20) entkoppelt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem und/oder die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sind, das Verfahren gemäß Anspruch 1 durchzuführen, indem das erste Batteriemodul (31) mittels eines DC/DC-Wandlers (80) derart mit einer ersten Taktfrequenz (f1) angesteuert wird, die größer ist als eine zweite Frequenz (f2), mit der das zumindest eine zweite Batteriemodul (32) angesteuert wird.Control device for a battery system with at least one DC/DC converter (80) and at least one switchable battery string (20), which comprises a plurality of battery modules arranged in series, with a first battery module (31) and at least a second battery module (32) being connected in series arranged battery modules (31, 32) are designed in such a way that they can be selectively connected to the battery string (20) or decoupled from the battery string (20) by activation, characterized in that the battery system and/or the control device are designed to implement the method according to claim 1 carried out by driving the first battery module (31) by means of a DC/DC converter (80) at a first clock frequency (f1) which is greater than a second frequency (f2) at which the at least one second battery module (32 ) is controlled. Steuereinrichtung für ein Batteriesystem, das eine Mehrzahl von DC/DC-Wandlern (80) und eine Mehrzahl der schaltbaren Batteriestränge (20) gemäß Anspruch 3 aufweist, wobei paarweise jeweils einer der DC/DC-Wandler (80) aus der Mehrzahl von DC/DC-Wandlern einem der schaltbaren Batteriestränge (20) zugeordnet ist und das jeweilige erste Batteriemodul (31) eines jeden schaltbaren Batteriestranges (20) über den jeweils zugeordneten DC/DC-Wandler (80) ansteuerbar ist, wobei die Steuereinrichtung ferner dazu ausgebildet ist, die Batteriemodule (31, 32) des Batteriesystems derart anzusteuern, dass das Verfahren nach Anspruch 2 durchgeführt wird.Control device for a battery system according to a plurality of DC / DC converters (80) and a plurality of switchable battery strings (20). claim 3 wherein one of the DC/DC converters (80) from the plurality of DC/DC converters is assigned in pairs to one of the switchable battery strings (20) and the respective first battery module (31) of each switchable battery string (20) via the each associated DC / DC converter (80) can be controlled, wherein the control device is also designed to control the battery modules (31, 32) of the battery system such that the method claim 2 is carried out. Batteriesystem mit mindestens einem DC/DC-Wandler (80) und mindestens einem schaltbaren Batteriestrang (20), der mehrere in Reihe angeordnete Batteriemodule umfasst, wobei ein erstes Batteriemodul (31) und zumindest ein zweites Batteriemodul (32) der in Reihe angeordneten Batteriemodule (31, 32) derart ausgebildet sind, dass sie durch Ansteuerung dem Batteriestrang (20) zugeschaltet oder von dem Batteriestrang (20) entkoppelt werden können, wobei das erste Batteriemodul (31) mittels des mindestens einen DC/DC-Wandlers (80) ansteuerbar ist und das Batteriesystem ferner die Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4 aufweist.Battery system with at least one DC/DC converter (80) and at least one switchable battery string (20), which comprises a plurality of battery modules arranged in series, with a first battery module (31) and at least a second battery module (32) of the battery modules ( 31, 32) are designed in such a way that they can be connected to the battery string (20) or decoupled from the battery string (20) by activation, with the first battery module (31) being able to be activated by means of the at least one DC/DC converter (80). and the battery system further comprises the control device according to one of claims 3 or 4 having. Batteriesystem nach Anspruch 5, mit einer Mehrzahl von DC/DC-Wandlern (80) und einer Mehrzahl von schaltbaren Batteriesträngen (20), wobei die Batteriestränge (20) durch die DC/DC-Wandler (80) parallel geschaltet sind.battery system claim 5 , With a plurality of DC / DC converters (80) and a plurality of switchable battery strings (20), wherein the battery strings (20) are connected in parallel by the DC / DC converter (80). Batteriesystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein erstes Batteriemodul (31) eines schaltbaren Batteriestranges (20) eine erste Batteriezellenanzahl (m) umfasst, die größer oder gleich der Anzahl (n) der restlichen Batteriezellen des schaltbaren Batteriestranges (20) oder größer oder gleich der Batteriezellenanzahl (n) eines zweiten Batteriemoduls (32) des schaltbaren Batteriestranges (20) ist.battery system claim 5 or 6 , wherein a first battery module (31) of a switchable battery string (20) comprises a first battery cell number (m) that is greater than or equal to the number (n) of the remaining battery cells of the switchable battery string (20) or greater than or equal to the battery cell number (n) of one second battery module (32) of the switchable battery string (20). Batteriesystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei mindestens einer der DC/DC-Wandler (80) als synchroner Abwärtswandler ausgebildet ist.Battery system according to one of the Claims 5 until 7 , wherein at least one of the DC / DC converter (80) is designed as a synchronous step-down converter. Fahrzeug mit einem Batteriesystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8.Vehicle with a battery system according to one of Claims 5 until 8th .
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