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Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des mittleren Ladezustandes einer Batterie und/oder anderen, aus dem mittleren Ladezustand der Batterie ableitbaren Kenngrößen der Batterie, wobei die Batterie mindestens einen Batteriestrang mit mehreren zu dem Batteriestrang jeweils zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriezellen umfasst und die Batteriezellen mittels eines derartigen Steuersignals angesteuert werden, dass die Batteriezellen im Mittel so zu dem Batteriestrang zugeschaltet werden, dass die Ausgangsspannung der Batterie auf eine gewünschte Sollausgangspannung eingestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung des mittleren Ladezustandes einer Batterie und/oder anderen, aus dem mittleren Ladezustand der Batterie ableitbaren Kenngrößen der Batterie. Auch betrifft die Erfindung ein Batteriesystem, das eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang aufweist, der mehrere zu dem Batteriestrang jeweils zuschaltbare und überbrückbare Batteriezellen umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem.
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Stand der Technik
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In früheren Patentanmeldungen der Anmelderin wurden Verfahren beschrieben wie durch eine Erfassung der Gesamtspannung (Ausgangsspannung) einer Batterie und einen Vergleich der Gesamtspannung mit einer Sollspannung in einem Regler die Ansteuerung der einzelnen Batteriezellen der Batterie erfolgen kann.
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Hierbei wird den Batteriezellen über eine integrierte Elektronik eine Steuergröße in Form eines analogen oder digitalen Signals zugeführt, so dass die Batteriezellen im Mittel so zuschalten, dass die gewünschte Gesamtspannung beziehungsweise Ausgangsspannung der Batterie eingestellt wird. Die Steuergröße kann gemäß einer Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt werden beziehungsweise ein pulsweitenmoduliertes Signal umfassen. Auch kann die Steuergröße den Batteriezellen als Information über einen Kommunikationsbus zugeführt werden.
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In der 1 ist ein Batteriesystem 10 dargestellt, das eine Batterie 20 mit mehreren Batteriezellen 21 umfasst, die zu dem zugehörigen Batteriestrang 22 zuschaltbar und überbrückbar sind. Der Einfachheit halber wurde in der 1 nur eine einzelne Batteriezelle 21 eingezeichnet, die zu dem Batteriestrang 22 zuschaltbar ist. Der Batteriestrang 22 weist ein positives Batteriestrangterminal 23 und ein negatives Batteriestrangterminal auf 24. Das positive Batteriestrangterminal 23 ist über einer Leitung 25 mit dem positiven Batterieterminal 26 verbunden.
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Eine Halbbrücke 30 aus zwei Transistoren 31, 32 ist über zwei Anschlüsse 33, 34 parallel zu der Batteriezelle 21 geschaltet. Die Halbbrücke 30 ist an ihrem dritten Anschluss 35 (gegebenenfalls über weitere Batteriezellen mit parallel geschalteten Halbbrücken) mit dem positiven Batteriestranganschluss 23 verbunden. Wenn der Transistor 31 in einem leitenden Zustand und der Transistor 32 in einem nicht leitenden Zustand geschaltet werden, wird die Batteriezelle 21 zu dem Batteriestrang zugeschaltet. Wenn der Transistor 31 in einem nicht leitenden Zustand und der Transistor 32 in einem leitenden Zustand geschaltet werden, wird die Batteriezelle 21 überbrückt.
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Die Ansteuerung der Transistoren 31, 32 geschieht über einen in dem Batteriesystem 10 angeordneten Treiber 40, der eingangsseitig mit einem Mikrocontroller 50 und ausgangsseitig mit den Transistoren 31, 32 verbunden ist. Der Mikrokontroller 50 ist ferner über einen isolierten Kommunikationsbus 60 mit einem Regler 70 verbunden.
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Der Regler 70 ist mittels einer Senseleitung 71 mit der mit dem positiven Batterieterminal 26 verbundenen Leitung 25 verbunden und erfasst über die Senseleitung 71 die Ausgangsspannung UB der Batterie 20. Der Regler 70 vergleicht ferner die erfasste Ausgangsspannung UB der Batterie 20 mit einem Sollwert U1 und erzeugt unter Berücksichtigung der Anzahl der Batteriezellen n ein geeignetes Sollsteuersignal S1, der insbesondere als ein pulsweitenmoduliertes Sollsignal PWM1 über den Kommunikationsbus 60 und dem Mikrokontroller 50 dem Treiber 40 bereitgestellt wird. Der Treiber 40 steuert dann die Transistoren 31, 32 mittels des Sollsteuersignals S1 derartig an, dass die Batteriezellen 21 geeignet für die Erzeugung des Sollwertes U1 für die Ausgangsspannung UB der Batterie 20 zu dem Batteriestrang zugeschaltet und überbrückt werden.
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Da die Ausgangsspannung UB der Batterie 20 im Falle einer solchen Realisierung, wie sie in der 1 dargestellt ist, einen gewünschten Spannungs-Sollwert U1 annimmt, lässt der Verlauf der eingestellten Ausgangsspannung UB = U1 der Batterie 2 keinen Rückschluss mehr auf den mittleren Ladezustand der Batterie 20 oder auf andere, aus dem mittleren Ladezustand ableitbare Kenngrößen der Batterie 20 zu.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ermittlung des mittleren Ladezustandes einer Batterie und/oder anderen, aus dem mittleren Ladezustand der Batterie ableitbaren Kenngrößen der Batterie bereitgestellt, wobei die Batterie mindestens einen Batteriestrang mit mehreren zu dem Batteriestrang jeweils zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriezellen umfasst. Ferner werden die Batteriezellen mittels eines Steuersignals derart angesteuert, dass die Batteriezellen im Mittel so zu dem Batteriestrang zugeschaltet werden, dass die Ausgangsspannung der Batterie auf eine gewünschte Sollspannung eingestellt wird. Dabei wird bei der Ermittlung des mittleren Ladezustandes und/oder der anderen, aus dem mittleren Ladezustand der Batterie ableitbaren Kenngrößen das Steuersignal unter der Berücksichtigung der eingestellten Sollspannung und der Batteriezellenanzahl ausgewertet.
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Ferner wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Ermittlung des mittleren Ladezustandes einer Batterie und/oder anderer, aus dem mittleren Ladezustand der Batterie ableitbaren Kenngrößen der Batterie bereitgestellt, wobei die Batterie mindestens einen Batteriestrang mit mehreren zu dem Batteriestrang jeweils zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriezellen umfasst. Die Vorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Batteriezellen mittels eines derartigen Steuersignals anzusteuern, dass die Batteriezellen im Mittel so zu dem Batteriestrang zuschaltbar sind, dass die Ausgangsspannung der Batterie auf eine gewünschte Sollspannung eingestellt werden kann. Dabei weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit auf, die dazu ausgebildet ist, bei der Ermittlung des mittleren Ladezustandes und/oder der anderen, aus dem mittleren Ladezustand der Batterie ableitbaren Kenngrößen das Steuersignal unter der Berücksichtigung der eingestellten Sollspannung und der Batteriezellenanzahl auszuwerten.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei der Erfindung werden die Batteriezellen mittels eines derartigen Steuersignals zu dem Batteriestrang im Mittel zugeschaltet, dass eine Ausgangsspannung der Batterie auf eine gewünschte Sollspannung eingestellt wird. Die Ausgangsspannung der Batterie wird bei der vorliegenden Erfindung mittels des Steuersignals unabhängig von den Batteriezellenspannungen beziehungsweise von dem Ladezustand der Batteriezellen auf die gewünschte Sollspannung eingestellt. Das bedeutet, dass die Batteriezellen mittels eines derartigen Steuersignals angesteuert werden, dass sich die Einschaltwahrscheinlichkeit der Batteriezellen zu dem Batteriestrang umgekehrt proportional zu den Batteriezellenspannungen beziehungsweise zu dem Ladezustand der Batteriezellen verhält. Anders ausgedrückt, ist das Steuersignal, mittels dem die Ausgangsspannung der Batterie auf eine gewünschte Sollspannung eingestellt wird, abhängig von den Batteriezellenspannungen beziehungsweise von dem Ladezustand der Batteriezellen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung ist es möglich, den mittleren Ladezustand einer Batterie, deren Ausgangsspannung mittels eines Reglers auf einer gewünschten Sollspannung eingestellt wird, in sehr einfacher Weise zu ermitteln. Durch eine Auswertung des Steuersignals wird zur Ermittlung des mittleren Ladezustandes der Batterie die Abhängigkeit des Steuersignals von den Batteriezellenspannungen ausgenutzt. Dadurch wird es möglich, den mittleren Ladezustand ohne die explizite Kenntnis der Batteriezellenspannungen und deren zeitlichen Verlauf zu berechnen, wodurch der Rechenaufwand bei der Ermittlung des mittleren Ladezustandes der Batterie erheblich reduziert wird. Aus dem so ermittelten mittleren Ladezustand der Batterie können dann auch weitere aus dem mittleren Ladezustand ableitbare Kenngrößen der Batterie auf eine sehr einfache Weise ermittelt werden.
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Mit anderen Worten, es wird erfindungsgemäß zur Ermittlung des mittleren Ladezustandes einer Batterie und der daraus ableitbaren Kenngrößen der Batterie vorgeschlagen, eine Auswertung einer in Form eines analogen oder digitalen Steuersignals vorliegenden Steuergröße, mittels welcher Steuergröße die Batteriezellen zum geeigneten Zuschalten zu dem Batteriestrang angesteuert werden, vorzunehmen. Dabei verhält sich die Steuergröße umgekehrt proportional zu den Batteriezellspannungen.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird als Steuersignal ein pulsweitenmoduliertes Signal verwendet. Auch kann das Steuersignal den Batteriezellen über einen Kommunikationsbus als Information zugeführt werden.
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Dabei kann in dem Fall, in dem die Batteriezellen mittels eines pulsweitenmodulierten Steuersignals (PWM) angesteuert werden, als Steuergröße beim Vorliegen eines niedrigen Ladezustandes der Batteriezellen ein hohes Tastverhältnis (Duty Cycle) durch den Regler eingestellt werden. Ferner wird als Steuergröße beim Vorliegen eines hohen Ladezustandes der Batteriezellen ein niedriges Tastverhältnis durch den Regler eingestellt. Damit kann unter der Kenntnis der eingestellten Ausgangsspannung der Batterie, der Auswertung der Steuergröße (des Tastverhältnisses des pulsweitenmodulierten Steuersignals, der Einschaltwahrscheinlichkeit der Batteriezellen, und der Form des analogen Steuersignals) sowie insbesondere unter der Kenntnis der Anzahl der in der Batterie verbauten Batteriezellen der mittlere Ladezustand der Batterie bestimmt werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die mittleren Batteriezellspannungen jeweils als Quotienten zwischen der eingestellten Sollspannung und dem Produkt aus der Anzahl der Batteriezellen und der durch das Steuersignal vorgegebenen Einschaltwahrscheinlichkeit der Batteriezellen und/oder des Tastverhältnisses eines als Steuersignal verwendeten pulsweitenmodulierten Signals berechnet und der mittlere Ladezustand der Batterie aus den mittleren Batteriezellspannungen ermittelt.
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Anders ausgedrückt, der mittlere Beitrag jeder Batteriezelle zur Ausgangsspannung der Batterie beziehungsweise zur Gesamtspannung des Batteriestranges ist dabei gleich der Gesamtspannung des Batteriestranges dividiert durch die Anzahl der Batteriezellen. Ferner ist die mittlere Batteriezellspannung jeweils gleich dem mittleren Beitrag jeder Batteriezelle dividiert durch die Einschaltwahrscheinlichkeit oder das Tastverhältnis. Damit kann unter der Kenntnis der mittleren Batteriezellspannung der in dem Batteriestrang befindlichen Batteriezellen der mittlere Ladezustand der Batterie ermittelt werden.
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Ein anderer wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mindestens einem Batteriestrang, der mehrere zu dem Batteriestrang jeweils zuschaltbare und überbrückbare Batteriezellen umfasst, wobei das Batteriesystem die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung des mittleren Ladezustandes einer Batterie und/oder anderen, aus dem mittleren Ladezustand der Batterie ableitbaren Kenngrößen der Batterie aufweist.
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Vorzugsweise ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie.
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Erfindungsgemäß wird auch ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem, wobei das Batteriesystem eine Batterie mit Batteriezellen, die mittels eines Steuersignals zu dem zugehörigen Batteriestrang zuschaltbar und überbrückbar sind, umfasst, und
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2 ein Batteriesystem nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Batteriesystem eine Batterie mit Batteriezellen, die zu dem zugehörigen Batteriestrang mittels eines geeigneten Steuersignals zuschaltbar und überbrückbar sind, und eine Auswerteeinheit zum Auswerten des Steuersignals umfasst.
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Ausführungsform der Erfindung
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In der 2 ist ein Batteriesystem 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung stark schematisiert dargestellt. Das Batteriesystem 10 umfasst eine Batterie 20 mit einem Batteriestrang 22 mit einer vorbestimmten Anzahl n an Batteriezellen 21, die zu dem Batteriestrang 22 zuschaltbar und überbrückbar sind. Dabei ist der Batteriestrang 22 zwischen dem negativen Batterieterminal 24 und dem positiven Batterieterminal 26 angeschlossen.
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Ferner umfasst das erfindungsgemäße Batteriesystem 10 eine Vorrichtung 11 zur Ermittlung des mittleren Ladezustandes LZ der Batterie 20. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 11 umfasst eine Steuereinrichtung 80 und eine Auswerteeinheit 90. Die Funktionen der Steuereinrichtung 80 und der Auswerteeinheit 90 werden im Folgenden näher beschrieben.
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Die Batteriezellen 21 sind an ihren Anschlüssen über eine nicht separat dargestellte integrierte Elektronik jeweils mit der Steuereinrichtung 80 verbunden. Die Steuereinrichtung 80 ist mit den Batterieterminals 24, 26 verbunden und dazu ausgebildet, die Ausgangsspannung UB der Batterie 20 zu erfassen und diese erfassten Ausgangsspannung UB der Batterie 20 mit einer gewünschten Sollspannung U1 zu vergleichen.
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Ferner steuert die Steuereinrichtung 80 die Batteriezellen 21 mittels eines derartigen Steuersignals S1 an, dass die Batteriezellen 21 im Mittel so zu dem Batteriestrang 22 zugeschaltet werden, dass die Ausgangsspannung UB der Batterie 20 auf die gewünschte Sollspannung U1 eingestellt wird. Die Steuereinrichtung 80 kann dabei als Steuersignal S1 ein pulsweitemoduliertes Signal PWM1 erzeugen.
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Die Batterie 20 mit Batteriestrang 22 sowie die Steuereinrichtung 80 entsprechen zusammen dem in 1 dargestellten Batteriesystem 10, weswegen hier für die Bezeichnung gleicher Bauteile auch die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
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Ferner ist die Steuereinrichtung 80 erfindungsgemäß mit einer Auswerteeinheit 90 verbunden, die dazu ausgebildet ist, das von der Steuereinrichtung 80 erzeugte Steuersignal S1 unter der Berücksichtigung der eingestellten Sollausgangspannung U1 der Batterie 20 und der Batteriezellenanzahl n zur Ermittlung des mittleren Ladezustands (SOC) LZ der Batterie 20 auszuwerten. Die Auswerteeinheit 90 ist ferner ausgebildet, auch andere, aus dem mittleren Ladezustand LZ der Batterie 20 ableitbare Kenngrößen der Batterie 20 zu ermitteln.
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Die drei links neben der Auswerteeinheit 90 dargestellten Pfeile symbolisieren die von der Steuereinheit 80 der Auswerteeinheit 90 bereitgestellte Information, also das als pulsweitenmoduliertes Signal PWM1 erzeugte Steuersignal S1, die Sollspannung U1 für die Ausgangsspannung der Batterie UB, und die Batteriezellenanzahl n, die zur Ermittlung des mittleren Ladezustandes LZ der Batterie 20 von der Auswerteeinheit 90 auswertet werden. Der rechts neben der Auswerteeinheit 90 dargestellte Pfeil symbolisiert den von der Auswerteeinheit 90 ermittelten mittleren Ladezustand LZ der Batterie 20.
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Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 1 bis 2 Bezug genommen.
