DE102013212965A1 - Battery charge equalization device, battery management system and charge balance method - Google Patents
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Abstract
Eine zentrale Batterieladungsausgleichsvorrichtung für den Ladungsausgleich einer Batterie mit mehreren Speicherzellen (4a, ..., 4f; 22a, ..., 22n; 32a, ..., 32n; 42a, ..., 42n) hat: – wenigstens einen zentralen Energiespeicher (6, 23, 33, 43, 51) zum Speichern und Abgeben elektrischer Energie; – mehrere Zellkontroller (2a, ..., 2n; 21a; ..., 21n; 31a, ..., 31n; 41a, ..., 41n), die jeweils mit dem zentralen Energiespeicher (6, 23, 33, 43, 51) elektrisch gekoppelt sind, wobei jeder Zellkontroller (2a, ..., 2n; 22a; ..., 22n; 32a, ..., 32n; 42a, ..., 42n) wenigstens einen Schalter (5a, ..., 5g) zum Ansteuern wenigstens einer Speicherzelle (4a, ..., 4f; 22a, ..., 22n; 32a, ..., 32n; 42a, ..., 42n) der Batterie aufweist, um den Speicherzellen (4a, ..., 4f; 22a, ..., 22n; 32a, ..., 32n; 42a, ..., 42n) elektrische Energie von dem zentralen Energiespeicher (6, 23, 33, 43, 51) zuzuführen und elektrische Energie von den Speicherzellen (4a, ..., 4f; 22a, ..., 22n; 32a, ..., 32n; 42a, ..., 42n) zu dem zentralen Energiespeicher (6, 23, 33, 43, 51) abzuführen.A central battery charge balance device for charge equalization of a battery having a plurality of memory cells (4a, ..., 4f; 22a, ..., 22n; 32a, ..., 32n; 42a, ..., 42n) has: - at least one central one Energy storage (6, 23, 33, 43, 51) for storing and dispensing electrical energy; - a plurality of cell controllers (2a, ..., 2n; 21a; ..., 21n; 31a, ..., 31n; 41a, ..., 41n), each connected to the central energy store (6, 23, 33, 43, 51) are electrically coupled, each cell controller (2a, ..., 2n; 22a; ..., 22n; 32a, ..., 32n; 42a, ..., 42n) comprising at least one switch (5a, ...; ..., 5g) for driving at least one memory cell (4a, ..., 4f; 22a, ..., 22n; 32a, ..., 32n; 42a, ..., 42n) of the battery to the Memory cells (4a, ..., 4f; 22a, ..., 22n; 32a, ..., 32n; 42a, ..., 42n) electrical energy from the central energy store (6, 23, 33, 43, 51 ) and electrical energy from the memory cells (4a, ..., 4f; 22a, ..., 22n; 32a, ..., 32n; 42a, ..., 42n) to the central energy store (6, 23, 33, 43, 51) dissipate.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine zentrale Batterieladungsausgleichsvorrichtung, ein Batteriemanagementsystem mit einer zentralen Batterieladungsausgleichsvorrichtung und ein Verfahren zum zentralen Ladungsausgleich von Speicherzellen einer Batterie. The present invention relates to a central battery charge balance device, a battery management system having a central battery charge balance device, and a method for central charge balance of memory cells of a battery.
Grundsätzlich besteht ein wachsender Bedarf an Speichersystemen für elektrische Energie, auch elektrisch Energiespeichersysteme genannt. Elektrische Energiespeichersysteme finden Verwendung in verschiedenen technischen Gebieten, wie z.B. Windkraftanlagen, Notstromsystemen und dergleichen, aber auch in Kraftfahrzeugen. Als Kraftfahrzeuge sind insbesondere Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge bekannt, die elektrische Energiespeichersysteme verwenden. Basically, there is a growing demand for storage systems for electrical energy, also called electrical energy storage systems. Electrical energy storage systems find use in various technical fields, such as e.g. Wind turbines, emergency power systems and the like, but also in motor vehicles. As motor vehicles in particular electric vehicles and hybrid vehicles are known which use electrical energy storage systems.
Diese oben genannten Einsatzgebiete stellen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit der elektrischen Energiespeichersysteme. Ein vollständiger Ausfall eines elektrischen Energiespeichersystems kann zum Beispiel die Funktionsfähigkeit eines Kraftfahrzeugs, wie z.B. die Fahrtüchtigkeit eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, beeinträchtigen. These applications mentioned above place high demands on the reliability and reliability of electrical energy storage systems. For example, a complete failure of an electrical energy storage system may compromise the performance of a motor vehicle, such as a car. the ability to drive an electric or hybrid vehicle.
Elektrische Energiespeichersysteme haben typischerweise eine Batterie, die aus mehreren in Reihe geschalteten Speicherzellen aufgebaut ist. Zur weiteren Vergrößerung der Kapazität können auch in Reihe geschaltete Speicherzellen zusätzlich parallel zueinander geschaltet sein. Durch die Reihenschaltung der Speicherzellen beeinflusst eine Fehlfunktion einer einzelnen Speicherzelle typischerweise auch die anderen in der Reihenschaltung befindlichen Speicherzellen, da der Ausgangsstrom der Batterie durch alle in der Reihenschaltung angeordneten Speicherzellen fließen muss, auch durch die fehlerhafte Speicherzelle. Hat z.B. die fehlerhafte Speicherzelle einen gegen unendlich gehenden Widerstand, so fällt der Ausgangsstrom der Reihenschaltung von Speicherzellen mit der fehlerhaften Speicherzelle stark ab oder geht im Extremfall sogar gegen Null. Electric energy storage systems typically have a battery that is composed of a plurality of memory cells connected in series. To further increase the capacity, memory cells connected in series can also be connected in parallel with one another. Due to the series connection of the memory cells, a malfunction of a single memory cell typically also affects the other memory cells in series, since the output current of the battery must flow through all of the memory cells arranged in the series circuit, also through the faulty memory cell. Has e.g. the faulty memory cell an against infinite resistance, so the output current of the series connection of memory cells with the faulty memory cell drops sharply or in extreme cases even approaches zero.
Zur Überwachung von Speicherzellen einer Batterie hat sich insbesondere auch im Kraftfahrzeugbereich der Einsatz eines sogenannten Batteriemanagementsystems bewährt. Dieses bestimmt aus Parametern wie der Speicherzellenspannung, dem Speicherzellenstrom und der Speicherzellentemperatur einen Ladungszustand (engl. State of Charge, SOC), einen Gesundheitszustand (State of Health, SOH), die Leistungsfähigkeit (State of Function, SOF) oder dergleichen für jede einzelne Speicherzelle. For monitoring of memory cells of a battery, the use of a so-called battery management system has proven particularly useful in the automotive sector. This determines a state of charge (SOOC), state of health (SOH), state of function (SOF), or the like for each individual memory cell from parameters such as memory cell voltage, memory cell current, and memory cell temperature ,
Insbesondere aufgrund von Produktionsunterschieden zwischen einzelnen Speicherzellen und unterschiedlichen Belastungszuständen einzelner Speicherzellen haben Speicherzellen typischerweise nach einer gewissen Lebensdauer unterschiedliche Ladungszustände, die durch Unterschiede bei der Kapazität und bei dem Innenwiderstand bedingt sind. Durch die Alterung der einzelnen Speicherzellen können sich Unterschiede bei den Ladungszuständen vergrößern. In particular, due to production differences between individual memory cells and different load states of individual memory cells, memory cells typically have different charge states after a certain lifetime, which are caused by differences in the capacitance and in the internal resistance. The aging of the individual memory cells can increase differences in the charge states.
Um Unterschiede bei den Ladungszuständen der Speicherzellen auszugleichen, sind sogenannte Zellen-Ladungszustands-Ausgleicher, auch „Balancer“ oder „Cell-Balancer“ genannt bekannt, die als Ausgleichsschaltungen realisiert sind. Würde man diese Ladungszustände nicht ausgleichen, so könnten aufgrund der unterschiedlichen Kapazitäten und Innenwiderstände der Speicherzellen einzelne Speicherzellen z.B. überladen werden, was wiederum zu einer kürzeren Lebensdauer und auch zu Leistungs- oder Verfügbarkeitseinbußen der Batterie führen kann. To compensate for differences in the charge states of the memory cells, so-called cell charge state balancers, also called "balancers" or "cell balancers" are known, which are implemented as balancing circuits. If these charge states were not compensated, individual memory cells could be used, for example, due to the different capacitances and internal resistances of the memory cells. can be overcharged, which in turn can lead to a shorter life and also to performance or availability losses of the battery.
Wie auch die deutsche Offenlegungsschrift
Im Folgenden sind Beispiele aus dem Stand der Technik für die verschiedenen Arten von Balancierung und Batteriemanagementsystemen gezeigt. In the following, examples of the prior art for the different types of balancing and battery management systems are shown.
Aus der internationalen Patentanmeldung
Die internationale Patentanmeldung
Aus dem europäischen Patent
Die Offenlegungsschrift
Der oben beschriebene Stand der Technik hat insgesamt den Nachteil, dass die Widerstände bzw. die Zwischenspeicher für jede einzelne Speicherzelle vorgesehen sind. Daher sind diese Balancer aufwändig und teuer. The above-described prior art has the disadvantage that the resistors or the buffer memories are provided for each individual memory cell. Therefore, these balancers are complex and expensive.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserte Batterieladungsausgleichsvorrichtung, ein verbessertes Batteriemanagementsystem und ein verbessertes Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen Speicherzellen einer Batterie bereitzustellen. It is an object of the present invention to provide an improved battery charge balance device, an improved battery management system, and an improved method of charge balance between memory cells of a battery.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäßen zentrale Batterieladungsausgleichsvorrichtung für eine Batterie nach Anspruch 1, ein Batteriemanagementsystem mit einer solchen zentralen Batterieladungsausgleichsvorrichtung und nach Anspruch 8 und ein Verfahren zum zentralen Ladungsausgleich von Speicherzellen einer Batterie nach Anspruch 11 gelöst. This object is achieved by the battery central battery compensation device according to the present invention for a battery according to
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the subclaims and the following description of preferred embodiments of the present invention.
Eine erfindungsgemäße zentrale Batterieladungsausgleichsvorrichtung für den Ladungsausgleich einer Batterie mit mehreren Speicherzellen umfasst wenigstens einen zentralen Energiespeicher zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie. Der zentrale Energiespeicher kann ein oder mehrere Energiespeicherelemente umfassen, wie z.B. eine Spule, einen Kondensator, einen Transformator oder andere elektrische Energiespeicherelemente oder Mischungen davon. A central battery charge compensation device according to the invention for the charge balance of a battery having a plurality of memory cells comprises at least one central energy store for storing and discharging electrical energy. The central energy store may comprise one or more energy storage elements, such as e.g. a coil, a capacitor, a transformer or other electrical energy storage elements or mixtures thereof.
Die Batterie kann bspw. eine Lithium-Ionen-Batterie oder ein anderer Typ von Batterie sein. Die Batterie kann für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein, aber auch für andere Fahrzeuge, wie Wasser- oder Luftfahrzeug. The battery may be, for example, a lithium-ion battery or another type of battery. The battery may be provided for a motor vehicle, but also for other vehicles, such as watercraft or aircraft.
Die zentrale Batterieladungsausgleichsvorrichtung umfasst mehrere Zellkontroller, die jeweils mit dem zentralen Energiespeicher elektrisch gekoppelt sind, wobei jeder Zellkontroller wenigstens einen Schalter zum Ansteuern wenigstens einer Speicherzelle der Batterie aufweist, um der Speicherzelle elektrische Energie von dem zentralen Energiespeicher zuzuführen und elektrische Energie von der Speicherzelle zu dem zentralen Energiespeicher abzuführen. The central battery charge balancing device comprises a plurality of cell controllers each electrically coupled to the central energy store, each cell controller having at least one switch for driving at least one memory cell of the battery to supply electrical energy to the memory cell from the central energy store and to transfer electrical energy from the memory cell to the memory cell remove central energy storage.
Gegenüber dem eingangs diskutierten Stand der Technik benötigt die erfindungsgemäße zentrale Batterieladungsausgleichsvorrichtung nur einen einzelnen zentralen Energiespeicher, über den die Energie zwischen allen Speicherzellen ausgetauscht werden kann und es ist nicht notwendig, in den einzelnen Zellkontrollern Energiespeicherelemente vorzusehen. Der zentrale Energiespeicher kann auch grundsätzlich an einer beliebigen Stelle und entfernt von der Batterie bzw. entfernt von den Zellkontrollern angeordnet sein. Compared with the prior art discussed at the beginning, the central battery charge compensation device according to the invention requires only a single central energy store, via which the energy can be exchanged between all the memory cells, and it is not necessary to provide energy storage elements in the individual cell controllers. The central energy storage device can also be arranged at any point and away from the battery or away from the cell controllers.
Jeder Zellkontroller weist wenigstens einen Schalter zum Ansteuern wenigstens einer Speicherzelle der Batterie auf. Je nach Schaltereinstellung wird der angesteuerten Speicherzelle elektrische Energie/Ladung von dem zentralen Energiespeicher zugeführt oder elektrische Energie wird/Ladung von der Speicherzelle zu dem zentralen Energiespeicher abgeführt. Als Schalter werden mechanische Schalter und/oder elektrische bzw. auf Halbleitermaterial basierende Schalter vorgesehen. Die übertragene elektrische Energiemenge/Ladung für den Ladungsausgleich ist dabei bei manchen Ausführungsbeispielen beliebig und nicht auf bestimmte Werte beschränkt. Each cell controller has at least one switch for driving at least one memory cell of the battery. Depending on the switch setting, the controlled memory cell is supplied with electrical energy / charge from the central energy store or electrical energy is / discharged from the memory cell to the central energy store. As a switch, mechanical switches and / or electrical or based on semiconductor material switches are provided. The transferred amount of electrical energy / charge for the charge balance is arbitrary in some embodiments and not limited to specific values.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Batterie, die insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie sein kann, aus einer Vielzahl von Speicherzellen aufgebaut. Eine vorgegebene Anzahl von Speicherzellen kann dabei zu einem Sub-Paket, im Folgenden auch Speicherzellenverband oder Sub-Pack genannt, zusammengefasst sein, wobei das Paket aus Sub-Paketen die gesamte Batterie bildet. Zum Beispiel können vier, acht, zwölf oder eine beliebige andere Anzahl von Speicherzellen zu einem solchen Sub-Paket zusammengefasst sein, wobei jeweils einem solchen Sub-Paket jeweils ein Zellkontroller zugewiesen ist. Der Zellkontroller kann dann entsprechend der Anzahl von Speicherzellen in dem Sub-Paket eine Anzahl von Schaltern aufweisen, um selektiv den zentralen Energiespeicher mit einer einzelnen Speicherzelle des ihm zugeordneten Sub-Pakets zu verbinden. In some embodiments, the battery, which may be a lithium-ion battery in particular, is composed of a plurality of memory cells. A predefined number of memory cells can in this case become a sub-packet, hereinafter also a memory cell group or sub-pack be summarized, wherein the package of sub-packages forms the entire battery. For example, four, eight, twelve, or any other number of memory cells may be grouped into such a sub-packet, with one such sub-packet each assigned a cell controller. The cell controller may then include a number of switches corresponding to the number of memory cells in the sub-packet to selectively connect the central energy storage to a single memory cell of its associated sub-packet.
Bei manchen Ausführungsbeispielen hat jede Speicherzelle einen elektrisch positiven und einen elektrisch negativen Anschluss. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind entsprechend für jeweils eine einzelne Speicherzelle zwei Schalter vorgesehen, wobei ein jeweils erster Schalter der zwei Schalter den elektrisch positiven Anschluss der Speicherzelle mit dem zentralen Energiespeicher elektrisch koppeln kann und ein zweiter Schalter den elektrisch negativen Anschluss der Speicherzelle mit dem zentralen Energiespeicher elektrisch koppeln kann. In some embodiments, each memory cell has an electrically positive and an electrically negative terminal. In some embodiments, two switches are provided correspondingly for each individual memory cell, wherein a respective first switch of the two switches can electrically couple the electrically positive terminal of the memory cell to the central energy store and a second switch electrically connects the electrically negative terminal of the memory cell to the central energy store can couple.
Bei manchen Ausführungsbeispielen sind im normalen Betrieb alle Schalter offen, sodass keine Speicherzelle mit dem zentralen Energiespeicher elektrisch verbunden ist. Um eine bestimmte Speicherzelle elektrisch mit dem zentralen Energiespeicher elektrisch zu verbinden, werden im Ladungsausgleichsbetrieb die entsprechend der Speicherzelle zugeordneten Schalter geschlossen, sodass die bestimmte Speicherzelle, der Ladungszustand ausgeglichen werden soll, elektrisch mit dem zentralen Energiespeicher verbunden ist. Je nach Ladungszustand der Speicherzelle gibt die Speicherzelle elektrische Energie an den zentralen Energiespeicher ab oder sie nimmt elektrische Energie von dem zentralen Energiespeicher auf, bis der gewünschte Ladungszustand der Speicherzelle erreicht ist. In some embodiments, all switches are open in normal operation, so that no memory cell is electrically connected to the central energy storage. In order to electrically connect a specific memory cell electrically to the central energy store, the switches corresponding to the memory cell are closed in the charge balance mode, so that the specific memory cell to be compensated for the charge state, is electrically connected to the central energy storage. Depending on the state of charge of the memory cell, the memory cell emits electrical energy to the central energy store or it absorbs electrical energy from the central energy store until the desired state of charge of the memory cell is reached.
Durch entsprechende Steuerung der einzelnen Schalter kann folglich elektrische Energie selektiv von einer Speicherzelle auf den zentralen Energiespeicher und von dort zu einer anderen Speicherzelle übertragen werden und umgekehrt. By appropriate control of the individual switches, electrical energy can consequently be transmitted selectively from one memory cell to the central energy store and from there to another memory cell, and vice versa.
Es ist also bei manchen Ausführungsbeispielen ein Austausch von elektrischer Energie von allen Speicherzellen untereinander über den zentralen Energiespeicher möglich, wodurch die Ladungszustände der einzelnen Speicherzellen ausgeglichen werden können. It is therefore possible in some embodiments, an exchange of electrical energy from all memory cells with each other via the central energy storage, whereby the charge states of the individual memory cells can be compensated.
Die einzelnen Zellkontroller sind nicht nur mit den ihn zugeordneten Speicherzellen elektrisch gekoppelt, sondern auch mit dem zentralen Energiespeicher. Dabei sind unterschiedliche Topologien in den Ausführungsbeispielen verwirklicht. So können die einzelnen Zellkontroller seriell mit dem zentralen Energiespeicher elektrisch gekoppelt sein, d.h. die Zellkontroller sind hintereinander in einer Reihenschaltung elektrisch mit dem zentralen Energiespeicher verbunden. Die einzelnen Zellkontroller können auch parallel zueinander mit dem zentralen Energiespeicher elektrisch gekoppelt sein. Bei der seriellen Verbindung der Zellkontroller ist typischerweise weniger Verdrahtungsaufwand nötig als bei der parallelen Verbindung. Bei der parallelen Verbindung führt eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung zu einem Zellkontroller typischerweise nicht zu einer Unterbrechung der elektrischen Verbindung der anderen Zellkontroller. Bei der seriellen Verbindung hingegen kann es passieren, dass die Zellkontroller, die von dem zentralen Energiespeicher aus gesehen nach der Unterbrechung liegen, nicht mehr mit dem zentralen Energiespeicher elektrisch verbunden sind. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind auch Mischformen aus serieller und paralleler Verbindung der Zellkontroller verwirklicht. Dadurch ist insgesamt eine flexible elektrische Verdrahtung der einzelnen Zellkontroller mit dem zentralen elektrischen Energiespeicher je nach konkreter Anforderung möglich. The individual cell controllers are not only electrically coupled to the memory cells assigned to them, but also to the central energy store. Different topologies are realized in the exemplary embodiments. Thus, the individual cell controllers may be serially coupled electrically to the central energy storage, i. The cell controllers are connected one behind the other in a series connection electrically to the central energy store. The individual cell controllers can also be electrically coupled in parallel to the central energy store. The serial connection of the cell controllers typically requires less wiring than the parallel connection. In the parallel connection, interruption of the electrical connection to a cell controller typically does not interrupt the electrical connection of the other cell controllers. In contrast, in the case of the serial connection, it may happen that the cell controllers, which are located after the interruption as seen from the central energy store, are no longer electrically connected to the central energy store. In some embodiments, mixed forms of serial and parallel connection of the cell controllers are realized. As a result, a flexible electrical wiring of the individual cell controller with the central electrical energy storage is possible depending on the specific requirement.
Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die mehreren Zellkontroller jeweils dazu eingerichtet, jeweils die Spannung der ihnen zugeordneten Speicherzellen zu messen. Dazu können die Zellkontroller jeweils einen Spannungsmesser aufweisen, der mit den einzelnen Speicherzellen gekoppelt ist und die jeweilige Spannung der Speicherzelle misst. In some embodiments, the plurality of cell controllers are each configured to respectively measure the voltage of their associated memory cells. For this purpose, the cell controllers may each have a voltmeter which is coupled to the individual memory cells and measures the respective voltage of the memory cell.
Die mehreren Zellkontroller können auch jeweils dazu eingerichtet sein, die Temperatur der ihnen zugeordneten Speicherzellen zu messen. Dazu kann ein Temperaturmesselement an jeder einzelnen Speicherzelle oder bspw. in dem Sub-Paket von Speicherzellen angeordnet sein. The plurality of cell controllers may also each be configured to measure the temperature of their associated memory cells. For this purpose, a temperature measuring element can be arranged on each individual memory cell or, for example, in the sub-package of memory cells.
Die mehreren Zellkontroller können auch jeweils dazu eingerichtet sein, den durch die zugeordneten Speicherzellen fließenden Balancierungsstrom zu messen. Dies geschieht über einen Stromsensor, der den Balancierungsstrom der Speicherzellen misst. The plurality of cell controllers may also each be configured to measure the balance current flowing through the associated memory cells. This is done via a current sensor that measures the balancing current of the memory cells.
Manche Ausführungsbeispiele betreffen ein Batteriemanagementsystem für eine Batterie, z.B. eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, Luftfahrzeug, Wasserfahrzeug oder dergleichen, wie oben auch schon ausgeführt. Die Batterie hat typischerweise, wie oben ausgeführt, mehrere Speicherzellen, die bspw. in Sub-Pakete zusammengefasst sein können. Außerdem umfasst das Batteriemanagementsystem eine zentrale Batterieladungsausgleichsvorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines erkannten Ladungszustandes der wenigstens einen Speicherzelle den zugehörigen Schalter der Speicherzelle anzusteuern, um der Speicherzelle elektrische Energie von dem zentralen Energiespeicher zuzuführen oder elektrische Energie von der Speicherzelle zu dem zentralen Energiespeicher abzuführen. Die Ansteuerung der Schalter kann dabei grundsätzlich direkt von der Steuerung des Batteriemanagementsystems erfolgen oder die Steuerung sendet einen entsprechenden Steuerbefehl des zugehörigen Zellkontrollers, der dann wiederum z.B. über eine Zellkontrollersteuerung den Schalter entsprechend dem Steuerbefehl steuert. Some embodiments relate to a battery management system for a battery, for example a battery for a motor vehicle, aircraft, watercraft or the like, as already explained above. The battery typically has, as stated above, a plurality of memory cells, which may, for example, be combined into sub-packets. In addition, the battery management system comprises a central battery charge compensation device, as described above, and a controller which is set up, depending on a detected charge state of the at least one memory cell, the associated switch of the To control memory cell to supply the memory cell electrical energy from the central energy storage or dissipate electrical energy from the memory cell to the central energy storage. The control of the switch can basically be done directly by the controller of the battery management system or the controller sends a corresponding control command of the associated cell controller, which in turn controls the switch according to the control command, for example via a cell controller control.
Die Steuerung des Batteriemanagementsystems und/oder die Zellkontrollersteuerung kann bspw. einen Mikrocontroller, Prozessor oder dergleichen aufweisen. Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, ein Verfahren zum Ladungsausgleich auszuführen, wie es oben beschrieben wurde bzw. wie es weiter unten noch beschrieben wird. Außerdem kann die Steuerung einen Speicher, wie einen Festwertspeicher oder einen Schreib-Lese-Speicher aufweisen, in dem Anweisungen zum Ausführen eines solchen Verfahrens gespeichert sind. In einem solchen Speicher können auch Zielladungswerte gespeichert sein, die einen Ladungszustand für die Speicherzellen vorgeben. Die Zielladungswerte können auch einen Wertebereich umfassen, in dem der Zielladungszustand liegen soll. The controller of the battery management system and / or the cell controller controller may, for example, comprise a microcontroller, processor or the like. The controller may be configured to perform a method of charge equalization as described above, or as will be described below. In addition, the controller may include a memory, such as a read-only memory or a random access memory, in which instructions for carrying out such a method are stored. In such a memory, it is also possible to store target charge values that specify a charge state for the memory cells. The target load values may also include a range of values in which the target state of charge should be.
Wie oben ausgeführt, können bspw. die Zellkontroller dazu eingereicht sein, die Spannung, den Strom und/oder die Temperatur oder andere für den Ladungszustand oder den Gesundheitszustand, den Leistungszustand oder einen anderen Zustand der Speicherzelle charakteristischen Parameter bzw. Messwerte zu ermitteln. Diese Messwerte für die Speicherzellen können von den Zellkontrollern an die Steuerung des Batteriemanagementsystems übermittelt werden, wobei die Steuerung einen entsprechenden Ladungszustand aus den übermittelten Messwerten ermittelt. Entsprechend des ermittelten Ladungszustands für eine Speicherzelle kann die Steuerung Steuersignale an die Zellkontroller ausgeben, die wiederum den bzw. die Schalter entsprechend schalten, sodass der Speicherzelle elektrische Energie aus dem zentralen Energiespeicher zugeführt wird oder elektrische Energie von der Speicherzelle abgeführt wird, bis ein vorgegebener Zielladungszustand der Speicherzelle erreicht ist. Dies kann solange wiederholt werden, bis die Ladungszustände aller Speicherzellen der Batterie ausgeglichen sind. As stated above, for example, the cell controllers may be required to determine the voltage, the current and / or the temperature or other parameters or measured values characteristic of the state of charge or the state of health, the power state or another state of the memory cell. These measured values for the memory cells can be transmitted from the cell controllers to the controller of the battery management system, wherein the controller determines a corresponding state of charge from the transmitted measured values. In accordance with the determined charge state for a memory cell, the controller may output control signals to the cell controllers, which in turn switch the switch (s) accordingly, such that electrical energy is supplied to the memory cell from the central energy store or electrical energy is removed from the memory cell until a predetermined target charge state the memory cell is reached. This can be repeated until the charge states of all memory cells of the battery are balanced.
Außerdem kann die Steuerung des Batteriemanagementsystems dazu eingereicht sein, aus den Parametern wie der Speicherzellenspannung, dem Speicherzellenstrom und der Speicherzellentemperatur einen Ladungszustand (engl. State of Charge, SOC), einen Gesundheitszustand (State of Health, SOH), die Leistungsfähigkeit (State of Function, SOF) oder dergleichen für jede einzelne Speicherzelle zu ermitteln. In addition, the control of the battery management system may be submitted from the parameters such as the memory cell voltage, the memory cell current and the memory cell temperature, a state of charge (SOC), a state of health (SOH), the performance (state of function , SOF) or the like for each individual memory cell.
Die Steuerung des Batteriemanagementsystems bzw. der zentrale Energiespeicher können grundsätzlich an beliebiger Position angeordnet sein, je nachdem welche konkreten Anforderungen gestellt werden. Bei Ausführungsbeispielen, die ein Kraftfahrzeug betreffen, kann der zentrale Energiespeicher bzw. die Steuerung des Batteriemanagementsystems zum Beispiel im Motorraum angeordnet sein oder an einer anderen geeigneten Stelle. Bei manchen Ausführungsbeispielen können die Steuerung und/oder der zentrale Energiespeicher bspw. in einer Batterieklemme integriert sein. The control of the battery management system or the central energy storage can basically be arranged at any position, depending on which specific requirements are made. In embodiments that relate to a motor vehicle, the central energy store or the controller of the battery management system may be arranged, for example, in the engine compartment or at another suitable location. In some embodiments, the controller and / or the central energy storage, for example, be integrated in a battery terminal.
Außerdem können die Steuerung und der zentrale Energiespeicher auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, den zentralen Energiespeicher und die Steuerung an einem Ort gemeinsam und platzsparend anzuordnen, z.B. in einer Batterieklemme oder an einem anderen Ort, der geeignet ist. Durch die gemeinsame Anordnung von Steuerung und zentralem Energiespeicher an einem Ort, insbesondere auf einer Platine, kann bei manchen Ausführungsbeispielen der Verdrahtungsaufwand reduziert werden, bzw. elektrische Leitungen zwischen den Zellkontrollern und dem zentralen Energiespeicher und Datenleitungen zwischen den Zellkontrollern und der Steuerung können in einem gemeinsamen Strang geführt werden, was den Verlegungsaufwand reduzieren kann. Die Steuerung ist bei manchen Ausführungsbeispielen eine Steuerung für den Hochvoltbereich, sodass der zentrale Energiespeicher mit auf der Platine für diese Steuerung integriert sein kann. In addition, the controller and the central energy storage can be arranged on a common board. This makes it possible to arrange the central energy storage and the controller in one place together and space-saving, e.g. in a battery terminal or other suitable location. The common arrangement of control and central energy storage in one place, especially on a circuit board, in some embodiments, the wiring can be reduced, or electrical lines between the cell controllers and the central energy storage and data lines between the cell controllers and the controller can in a common Strand, which can reduce the installation effort. The control is in some embodiments, a controller for the high-voltage range, so that the central energy storage can be integrated with on the board for this control.
Wie oben ausgeführt können die Zellkontroller dazu eingerichtet sein, die Spannung oder Temperatur oder andere den Zustand einer Speicherzelle charakterisierenden Messwerte zu ermitteln. Zur Übertragung solcher Messwerte an die zentrale Steuerung des Batteriemanagementsystems können Datenübertragungsleitungen zwischen den Zellkontrollern und/oder der Steuerung vorgesehen sein. Es können auch vorhandene Bussysteme verwendet werden, wie z.B. den insbesondere im Kraftfahrzeugbereich üblichen CAN-Bus, den FlexRay-Bus, den LIN-Bus, eine Daisy-Chain oder dergleichen . Bei solchen Ausführungsbeispielen können die Zellkontroller und/oder die Steuerung mit einer entsprechenden Schnittstelle ausgestattet sein, über die die Zellkontroller und die Steuerung über den entsprechenden Bus miteinander verbunden sind und miteinander kommunizieren können. As stated above, the cell controllers may be configured to determine the voltage or temperature or other measured values characterizing the state of a memory cell. To transmit such measurements to the central controller of the battery management system, data transmission lines may be provided between the cell controllers and / or the controller. Existing bus systems may also be used, e.g. the customary in the automotive field CAN bus, the FlexRay bus, the LIN bus, a daisy chain or the like. In such embodiments, the cell controllers and / or the controller may be provided with a corresponding interface via which the cell controllers and the controller are interconnected via the corresponding bus and can communicate with each other.
Dadurch, dass bei manchen Ausführungsbeispielen die Steuerung des Ladungsausgleiches zentral von der Steuerung des Batteriemanagementsystems aus erfolgt und außerdem der zentrale Energiespeicher vorgesehen ist, könne bei manchen Ausführungsbeispielen die Zellkontroller technisch sehr einfach ausgestaltet sein und kommen auch ohne besondere elektronische Intelligenz aus, da sie im einfachsten Fall lediglich die Spannungswerte der Speicherzellen ermitteln und nur die Schalter für das selektive Verbinden der Speicherzellen mit dem zentralen Energiespeicher aufweisen. Außerdem benötigen die Zellkontroller selbst bei manchen Ausführungsbeispielen keinen Transformator, da die elektrische Energie für den Ladungsausgleich von dem zentralen Energiespeicher kommt und kein Niedervoltbereich im Zellkontroller zum Versorgen von elektrischen Schaltkreisen vorhanden sein muss. The fact that in some embodiments, the control of the charge balance is done centrally from the control of the battery management system and also the central Energy storage is provided, in some embodiments, the cell controller can be technically very simple and come even without special electronic intelligence, since they determine only the voltage values of the memory cells in the simplest case and have only the switches for the selective connection of the memory cells with the central energy storage , In addition, even in some embodiments, the cell controllers do not require a transformer, since the electrical energy for charge balancing comes from the central energy storage and no low-voltage region must be present in the cell controller for powering electrical circuits.
Ein Verfahren zum zentralen Ladungsausgleich von Speicherzellen einer Batterie, wie sie oben erläutert wurde, umfasst die folgenden Schritte. Zunächst werden die einzelnen Ladungszuständen der Speicherzellen erfasst. Dies geschieht zum Beispiel, wie oben ausgeführt, durch eine entsprechende Spannungsmessung der Speicherzellen durch die Spannungsmesser in den zugeordneten Zellkontrollern. Dann werden Speicherzellen ermittelt, deren Ladungszustand unter oder oberhalb eines Schwellwertes ist. Dabei kann ein gemeinsamer Schwellwert vorliegen oder z.B. zwei Schwellwerte, ein oberer Schwellwert und ein unterer Schwellwert, um eine gewisse Schwankungsbreite von Ladungszuständen zuzulassen. Dann werden die so ermittelten Speicherzellen selektiv mit einem zentralen Energiespeicher verbunden, um elektrische Energie von den ermittelten Speicherzellen mit einem Ladungszustand oberhalb des Schwellwertes an den zentralen Energiespeicher abzuführen und um elektrische Energie von dem zentralen Energiespeicher an die ermittelten Speicherzellen mit einem Ladungszustand unterhalb des Schwellwertes zuzuführen. Auf die Art und Weise wird die überschüssige elektrische Energie von den Speicherzellen mit einem zu hohen Ladungszustand zu den Speicherzellen mit einem zu niedrigen Ladungszustand übertragen. A method of central charge balance of memory cells of a battery, as discussed above, comprises the following steps. First, the individual charge states of the memory cells are detected. This is done, for example, as stated above, by a corresponding voltage measurement of the memory cells by the voltmeters in the associated cell controllers. Then, memory cells are determined whose charge state is below or above a threshold value. There may be a common threshold or e.g. two thresholds, an upper threshold and a lower threshold to allow a certain range of charge state variations. Then, the memory cells thus determined are selectively connected to a central energy storage to dissipate electrical energy from the determined memory cells with a state of charge above the threshold to the central energy storage and to supply electrical energy from the central energy storage to the determined memory cells with a state of charge below the threshold , In this way, the excess electric power is transferred from the memory cells having too high a charge state to the memory cells having too low a charge state.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der: Embodiments of the invention will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings, in which:
Wie eingangs beschrieben gibt es im Stand der Technik zwei grundsätzliche Balancierungsmöglichkeiten, nämlich eine passive und eine aktive Balancierung, die im Folgenden anhand der
Ein Batteriemanagementsystem
Der Zellkontroller
Für die selektive Kopplung der Widerstände R1 bis R6 mit den zugehörigen Speicherzellen
Zur Überwachung des Ladungszustandes der einzelnen Speicherzellen
Die BMSS
Diese Art von passiver Balancierung wandelt folglich elektrische Energie in Wärme um, wobei die elektrische Energie auf diese Art und Weise verschwendet wird. Außerdem ist es so nicht möglich, den Ladungszustand einzelner Speicherzellen anzuheben, sondern es kann nur der Ladungszustand der einzelnen Speicherzellen selektiv verringert werden, um die Ladungszustände der Speicherzellen aneinander anzugleichen. This type of passive balance thus converts electrical energy into heat, wasting the electrical energy in this way. In addition, it is not possible to increase the charge state of individual memory cells, but only the charge state of the individual memory cells can be selectively reduced to equalize the charge states of the memory cells to each other.
Bei der aktiven Balancierung nach dem Stand der Technik, die nun anhand der
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems
Das Batteriemanagementsystem
Die Zellkontroller
Der zentrale Energiespeicher
Die BMSS
Im vorliegenden Beispiel erhält die BMSS
Aus diesen Werten ermitteln die BMSS
Jeder Zellkontroller
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist immer ein Schalter mehr vorgesehen als Speicherzellen vorhanden sind. Es ist bei jeder Speicherzelle
Die Speicherzelle
Außerdem sind die Speicherzellen
Um nun zum Beispiel die überschüssige elektrische Energie der sechsten Speicherzelle
Als Nächstes wird die in dem Energiespeicher
Auch wenn im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Austausch von elektrischer Energie von Speicherzellen gezeigt ist, die von ein und demselben Zellkontroller verwaltet werden, so ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Durch die Verwendung des zentralen Energiespeichers
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die zentrale Steuerung der Balancierung der Speicherzellen in der BMSS
Wie oben ausgeführt, sind die in dem erörterten Beispiel ermittelten Speicherzellen die letzte Speicherzelle
Dies stellt die BMSS
Das oben beschriebene Vorgehen führt die BMSS
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Steuerungshoheit über die Ladungsbalancierung auch (teilweise) in den Zellkontrollern selbst und/oder in dem zentralen Energiespeicher angesiedelt sein. Zum Beispiel kann die oben ausgeführte Balancierung der Ladungszustände anstelle von der BMSS
Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen ist jede Zellkontrollersteuerung
In dem Ausführungsbeispiel der
Die Zellkontroller können aber auch parallel zum zentralen Energiespeicher geschaltet sein, wie es in
Die Zellkontroller können aber auch zum zentralen Energiespeicher in Reihe geschaltet sein, wie es in
Die Zellkontroller können aber auch zum zentralen Energiespeicher in Reihe und parallel geschaltet sein, wie es in
Der Fachmann wird begrüßen, dass er je nach Anforderung die Zellkontroller in Reihe, parallel oder in Mischformen zwischen serieller und paralleler Schaltung mit dem zentralen Energiespeicher verbinden kann. The person skilled in the art will appreciate that, depending on the requirement, he can connect the cell controllers in series, in parallel or in mixed forms between serial and parallel circuits to the central energy store.
Ein Ausführungsbeispiel eines Batteriemanagementsystems
Der zentrale Energiespeicher
Die BMSS
Das Verfahren beginnt bei
Bei
Bei
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Batteriemanagementsystem Battery Management System
- 2a, 2b, 2n 2a, 2b, 2n
- Zellkontroller cell controller
- 3a, 3b, 3n 3a, 3b, 3n
- Zellkontrollersteuerung Cell controller control
- 4a bis 4f 4a to 4f
- Speicherzellen memory cells
- 5a bis 5g 5a to 5g
- Schalter switch
- 6 6
- Zentraler Energiespeicher Central energy storage
- 7 7
- Batterie-Management-System-Steuerung Battery management system control
- 8a bis 8g 8a to 8g
- Elektrische Zweige Electric branches
- 9a, 9b 9a, 9b
- Elektrische Verbindungsleitung Electrical connection line
- 10 10
- Datenbus bus
- 11 11
- Datenverbindung Data Connection
- 12 12
-
Schalter
5f und5g ein/ausgeschaltet switch5f and5g on / off - 13 13
-
Schalter
5b und5c ein/ausgeschaltet switch5b and5c on / off - 20 20
- Batterieladungsausgleichsvorrichtung (parallele Ausführung) Battery charge equalization device (parallel version)
- 21a, 21b, 21n21a, 21b, 21n
- Zellkontroller cell controller
- 22a, 22b, 22n22a, 22b, 22n
- Speicherzellen memory cells
- 23 23
- Zentraler Energiespeicher Central energy storage
- 24a, 24b, 24c24a, 24b, 24c
- Parallele Verbindungszweige Parallel connection branches
- 30 30
- Batterieladungsausgleichsvorrichtung (Serielle Ausführung) Battery Charge Compensation Device (Serial Type)
- 31a, 31b, 31n31a, 31b, 31n
- Zellkontroller cell controller
- 32a, 32b, 32n32a, 32b, 32n
- Speicherzellen memory cells
- 33 33
- Zentraler Energiespeicher Central energy storage
- 34 34
- Elektrische Verbindung Electrical connection
- 40 40
- Batterieladungsausgleichsvorrichtung (gemischte Ausführung) Battery charge equalization device (mixed version)
- 41a, 41b, 41n41a, 41b, 41n
- Zellkontroller cell controller
- 42a, 42b, 42n42a, 42b, 42n
- Speicherzellen memory cells
- 43 43
- Zentraler Energiespeicher Central energy storage
- 44a, 44b 44a, 44b
- Elektrische Verbindungszweige Electrical connection branches
- 50 50
- Batteriemanagementsystem Battery Management System
- 51 51
- Zentraler Energiespeicher Central energy storage
- 52 52
- Batterie-Management-System-Steuerung Battery management system control
- 53 53
- Gemeinsame Platine Common board
- 54 54
- Elektrischer Anschluss zum zentralen Energiespeicher Electrical connection to the central energy storage
- 55 55
- Datenbusanschluss zur BMSS Data bus connection to the BMSS
- 70–74 70-74
-
Verfahrensschritte des Ablaufschemas
11 Procedural steps of theflowchart 11
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 156811 B1 [0012] EP 156811 B1 [0012]
- DE 102009054818 A1 [0013] DE 102009054818 A1 [0013]
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DE102013212965.3A DE102013212965A1 (en) | 2013-07-03 | 2013-07-03 | Battery charge equalization device, battery management system and charge balance method |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102013212965.3A DE102013212965A1 (en) | 2013-07-03 | 2013-07-03 | Battery charge equalization device, battery management system and charge balance method |
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CN110999023B (en) * | 2017-07-26 | 2024-03-26 | 罗伯特·博世有限公司 | Method and apparatus for balancing states of charge of individual cells of a battery system |
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