DE102014201365A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades von Batteriemodulen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades von Batteriemodulen (10) einer wiederaufladbaren Batterie mittels einer an die Batteriemodule (10) angeschlossenen Schaltungsanordnung (18). Es ist vorgesehen, dass diese Schaltungsanordnung (18) mehrere Strompfade (24, 26, 28) aufweist, die ihrerseits je eine Serienschaltung von Schaltmodulen (12) sowie mindestens ein im Linearbetrieb betreibbares Leistungshalbleiterelement (40, 42) zur Stromregelung des durch den jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) fließenden Stroms aufweist und wobei an jedes der Schaltmodule (12) je eines der Batteriemodule (10) angeschlossen ist und jedes der Schaltmodule (12) als Schaltmodul (12) zum wahlweisen Verschalten des angeschlossenen Batteriemoduls (10) in dem jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) oder zum alternativen Heraustrennen des angeschlossenen Batteriemoduls (10) aus diesem jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) ausgebildet ist, wobei in jeden der Strompfade (24, 26, 28) – mittels der Schaltmodule (12) mindestens eines der Batteriemodule (10) ausgewählt und im jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) verschaltet wird während alle anderen Batteriemodule (10) dieses Strompfades (24, 26, 28) mittels der Schaltmodule (12) aus diesem Strompfad (24, 26, 28) herausgetrennt werden, – das ausgewählte Batteriemodul (10) über den jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) mindestens einem Entladevorgang und mindestens einem Ladevorgang unterzogen wird, wobei der entsprechende Strom beim Laden und beim Entladen dieses Batteriemoduls (10) in diesem Strompfad (24, 26, 28) mittels des im Linearbetrieb betriebenen Leistungshalbleiterelements (40, 42) genau eingestellt wird und die entsprechenden Ladungsmengen beim Laden und beim Entladen durch Integration des Stroms über die Zeit ermittelt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Schaltungsanordnung (18).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades von Batteriemodulen einer wiederaufladbaren Batterie.
  • Stand der Technik
  • Fahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb benötigen zum Betrieb ihrer elektrischen Antriebsmaschine wiederaufladbare Batterien (Traktionsbatterien), die in der Regel modular aufgebaut sind. Bei vielen Anwendungen werden derartige wiederaufladbare Batterien abweichend auch als Akkumulatoren (kurz Akku) bezeichnet. Um nun die elektrische Antriebsmaschine des Elektro- oder Hybridantriebs mit elektrischer Energie der Batterien zu versorgen, ist eine Schaltungsanordnung zwischen die Batteriemodule und die Antriebsmaschine zwischengeschaltet.
  • Die bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendeten wiederaufladbaren Batterien, meist auf Lithium-Basis, haben aufgrund von parasitären chemischen Prozessen in ihrem Inneren nur eine begrenzte Lebensdauer. Ihre Kapazität verringert sich mit jedem Lade-/Entladezyklus so lange bis die einzelnen Batteriezellen oder die aus solchen Zellen bestehenden Batteriemodule aufgrund mangelnder Leistungsfähigkeit und Kapazität ausgetauscht werden müssen. Deswegen ist es wichtig den Alterungsprozess der Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule genau zu beobachten. Aus dem Stand der Technik sind diverse Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung des Alterungszustands bekannt.
  • In dem wissenschaftlichen Artikel »Smith, A. J. et al., J. Electrochem. Soc. 157, A196 (2010)« wird ein Verfahren beschrieben, mit dem aus dem sogenannten Coulomb-Wirkungsgrad (Coulombschen Wirkungsgrad) auf Änderungen im Alterungszustand (Änderung des SOH: State of Health) von Lithium-Ionen-Batteriezellen geschlossen werden kann. Zur Durchführung eines solchen Verfahrens wird jedoch eine entsprechende zusätzliche leistungselektronische Meßund Regeleinrichtung benötigt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass keine zusätzliche Leistungselektronik benötigt wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades CE von Batteriemodulen einer wiederaufladbaren Batterie ist vorgesehen, dass diese Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades mittels einer an die Batteriemodule angeschlossenen Schaltungsanordnung erfolgt. Diese Schaltungsanordnung weist mehrere Strompfade auf, die ihrerseits je eine Serienschaltung von Schaltmodulen sowie mindestens ein im Linearbetrieb betreibbares Leistungshalbleiterelement zur Stromregelung des durch den jeweiligen Strompfad fließenden Stroms aufweisen. An jedes der Schaltmodule ist je ein Batteriemodul angeschlossen und jedes der Schaltmodule ist als Schaltmodul zum wahlweisen Verschalten des angeschlossenen Batteriemoduls in dem jeweiligen Strompfad (Lade- oder Entlademodus) oder zum alternativen Heraustrennen des angeschlossenen Batteriemoduls aus diesem jeweiligen Strompfad (Bypassmodus) ausgebildet. Dabei wird in jeden der Strompfade (i) mittels der Schaltmodule mindestens eines der Batteriemodule ausgewählt und im jeweiligen Strompfad verschaltet während alle anderen Batteriemodule mittels der Schaltmodule aus diesem Strompfad herausgetrennt werden, und (ii) das ausgewählte Batteriemodul über den jeweiligen Strompfad mindestens einem Entladevorgang und mindestens einem Ladevorgang unterzogen, wobei der entsprechende Strom beim Laden und beim Entladen dieses Batteriemoduls in diesem Strompfad mittels des im Linearbetrieb betriebenen Leistungshalbleiterelements genau eingestellt wird und die entsprechenden Ladungsmengen Qab, Qzu beim Laden und beim Entladen beziehungsweise zu diesen Ladungsmengen proportionale Größen durch Integration des Stroms über die Zeit ermittelt werden. Anschließend kann der als
    Figure DE102014201365A1_0002
    definierte Coulomb-Wirkungsgrad CE aus den Ladungsmengen Qab, Qzu oder dazu proportionalen Größen bestimmt werden. Im einfachsten Fall besteht jedes der Batteriemodule aus einer einzelnen Batteriezelle. Alternativ besteht jedes der Batteriemodule aus einer Serienschaltung mehrerer Batteriezellen.
  • Die Schaltungsanordnung ist zwischen die Batteriemodule der wiederaufladbaren Batterie und einen von der Batterie beziehungsweise den Batterien zu versorgenden Verbraucher zwischengeschaltet, wobei jedes Batteriemodul an ein Schaltmodul der Schaltungsanordnung angeschlossen ist. Im normalen Betrieb werden die Schaltmodule genutzt, um einzelne Batteriemodule für diese Spannungsversorgung auszuwählen und miteinander in einem Strompfad zu verschalten. Eine derartige Schaltungsanordnung ist als Batteriedirektkonverter bekannt. Der Batteriedirektkonverter ist direkt, also ohne weitere Zwischenelemente, zwischen die Batteriemodule einerseits und den von den Batteriemodulen zu versorgenden elektrischen Verbraucher zwischenschaltbar bzw. zwischengeschaltet.
  • Kern der Erfindung ist es, ein Leistungshalbleiterelement im jeweiligen Strompfad der Schaltungsanordnung so anzusteuern, dass sich dieses zumindest teilweise im Linearbetrieb befindet und dass der Strom durch die Batteriezellen des entsprechenden Batteriemoduls mit Hilfe dieses linear betriebenen Leistungshalbleiterelements in Abstimmung mit einer Stromregelung im Ladegerät sehr genau geregelt wird. Ein derartig betreibbares Leistungshalbleiterelement ist bei Batteriedirektkonverter in der Regel sowieso vorhanden. Damit kann die für die Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades CE erforderliche sehr genaue Einstellung des Lade- bzw. Entladestroms einfach ohne zusätzliche Leistungselektronik realisiert werden. Lediglich die Ansteuerung besagten Leistungshalbleiterelements müsste zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergänzt werden. Eine solche Ansteuerung kann jedoch ohne leistungselektronische Bauteile auskommen.
  • Der von den Batteriemodulen zu versorgende Verbraucher ist bevorzugt ein mehrphasiger elektrischer Verbraucher, insbesondere eine mehrphasige elektrische Maschine. Der Batteriedirektkonverter ist dabei ein mehrphasiger Direktkonverter, der direkt zwischen die Batteriemodule der Batterien einerseits und den von den Batteriemodulen zu versorgenden mehrphasigen elektrischen Verbraucher zwischenschaltbar ist. Dabei sind die Batteriemodule in einer der Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl von Strompfaden verschaltbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bildet eines der Leistungshalbleiterelemente der Schaltmodule das Leistungshalbleiterelement zur Stromregelung des durch den jeweiligen Strompfad fließenden Stroms. Die Leistungshalbleiterelemente der Schaltmodule werden bei dieser Ausführungsform mittels einer Ansteuereinrichtung angesteuert und im Linearbetrieb betrieben um den elektrischen Strom bei dem Lade- und bei dem Entladevorgang einzustellen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass jedes der Schaltmodule eine Brückenschaltungsanordnung mit zwei Halbbrücken aufweist, wobei in jeder dieser Halbbrücken zwei als Halbleiterstromventile fungierende Leistungshalbleiterelemente und zwei Freilaufdioden verschaltet sind. Insgesamt ergibt sich also eine als Vollbrücke ausgebildete Brückenschaltungsanordnung pro Schaltmodul. Pro Halbbrücke ist je eines der beiden Halbleiterstromventile dabei zu einer der beiden Freilaufdioden (anti-)parallel geschaltet. Die beiden Parallelschaltungen mit dem je einen Halbleiterstromventil und der je einen Freilaufdiode sind in einer Serienschaltung verschaltet, wodurch die jeweilige Halbbrücke entsteht. Diese Serienschaltungen der Brückenschaltungsanordnungen sind an das angeschlossene Batteriemodul angeschlossen. Derartige Schaltmodule sind beispielsweise aus Direktkonvertern bekannt und werden dort für das sogenannte „Cell-Balancing“, den Ausgleich des Ladungszustandes zwischen den einzelnen Batteriezellen oder Batteriemodulen, genutzt. Dazu werden mittels der Schaltmodule bevorzugt die Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule im Strompfad verschaltet, deren Ladezustand verhältnismäßig hoch ist. Die Hauptaufgabe der Schaltmodule in Direktkonvertern ist freilich die Einstellung der Spannung am Verbraucher, also beispielsweise die Bereitstellung eines dreiphasigen Drehspannungssystems. Genau genommen wird dabei in aller Regel der Strom in der Maschine geregelt und mit den Schaltmodulen die Spannung so eingestellt, dass sich der gewünschte Stromsollwert ergibt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schaltungsanordnung als Schaltungsanordnung zur elektrischen Versorgung des mehrphasigen elektrischen Verbrauchers, insbesondere der mehrphasigen elektrischen Maschine, ausgebildet. Dabei entspricht die Anzahl der Strompfade der Anzahl der Phasen. Die elektrische Versorgung erfolgt dabei für jede der Phasen über je einen fest zugeordneten Strompfad. Die Anzahl der Phasen beziehungsweise der Strompfade ist bevorzugt drei oder sechs.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Entladen des ausgewählten Batteriemoduls über ein an die Schaltungsanordnung angeschlossenes externes elektrisches Bauelement. Dieses Bauelement ist insbesondere der elektrische Verbraucher.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Entladen des ausgewählten Batteriemoduls über einen zuschaltbaren (Last-)Widerstand der Schaltungsanordnung selbst. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der zuschaltbare Widerstand mittels eines ansteuerbaren Schützes wahlweise zugeschaltet oder getrennt wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Laden des ausgewählten Batteriemoduls über ein an den jeweiligen Strompfad angeschlossenes Ladegerät.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades von Batteriemodulen einer wiederaufladbaren Batterie mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen. Diese Schaltungsanordnung weist mehrere Strompfade auf, die ihrerseits je eine Serienschaltung von Schaltmodulen sowie mindestens ein im Linearbetrieb betreibbares Leistungshalbleiterelement zur Stromregelung des durch den jeweiligen Strompfad fließenden Stroms aufweisen. An jedes der Schaltmodule ist je ein Batteriemodul angeschlossen und jedes der Schaltmodule ist als Schaltmodul zum wahlweisen Verschalten des angeschlossenen Batteriemoduls in dem jeweiligen Strompfad (Lade- oder Entlademodus) oder zum alternativen Heraustrennen des angeschlossenen Batteriemoduls aus diesem jeweiligen Strompfad (Bypassmodus) ausgebildet. Die Schaltungsanordnung ist eingerichtet, das ausgewählte Batteriemodul über den jeweiligen Strompfad mindestens einem Entladevorgang und mindestens einem Ladevorgang zu unterziehen, wobei der ensprechende Strom in diesem Strompfad beim Laden und beim Entladen dieses Batteriemoduls mittels des im Linearbetrieb betriebenen Leistungshalbleiterelements genau einstellbar ist und wobei die Schaltungsanordnung Mittel zur Ermittlung der entsprechenden Ladungsmengen durch Integration des Stroms über der Zeit beim Ladevorgang und beim Entladevorgang aufweist. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Ansteuereinrichtung zur Ansteuerung des jeweiligen Leistungshalbleiterelements im Linearbetrieb um den elektrischen Strom beim Lade- und bei dem Entladevorgang einzustellen. Dabei ist entweder eine zentrale Ansteuereinrichtung oder alternativ für jedes einzelne Leistungshalbleiterelement eine separate Ansteuereinrichtung vorgesehen. Das Entladen des ausgewählten Batteriemoduls erfolgt über ein externes elektrisches Bauelement oder über einen zuschaltbaren Lastwiderstand der Schaltungsanordnung selbst. Das Laden des ausgewählten Batteriemoduls erfolgt über ein an den jeweiligen Strompfad angeschlossenes externes Ladegerät. Für die externen Geräte sind entsprechende Anschlüsse vorgesehen. Die Schaltungseinrichtung ist insbesondere eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des eingangs erwähnten Verfahrens.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine Einheit aus einem Batteriemodul einer wiederaufladbaren Batterie und einem Schaltmodul einer Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades der Batteriemodule gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei weiterhin ein Ladestrom zum Laden des Batteriemoduls einer ersten Stromrichtung eingezeichnet ist,
  • 2 die in 1 gezeigte Einheit, wobei ein Entladestrom zum Entladen des Batteriemoduls einer zweiten Stromrichtung eingezeichnet ist,
  • 3 die in 1 gezeigte Einheit, wobei das Schaltmodul im Bypassmodus ist und ein in der zweiten Stromrichtung fließender Strom eingezeichnet ist,
  • 4 die in 1 gezeigte Einheit, wobei das Schaltmodul im Bypassmodus ist und ein in der zweiten Stromrichtung fließender Strom eingezeichnet ist und
  • 5 die komplette Schaltungsanordnung mit ihren mehreren Strompfaden und einer an die Schaltungsanordnung angeschlossenen elektrischen Maschine als Verbraucher.
  • Die 1 zeigt das Schaltbild einer aus einem Batteriemodul 10 einer modular aufgebauten wiederaufladbaren Batterie (einem Akkumulator) und einem Schaltmodul 12 bestehende Einheit 14. Dabei ist das aus mehreren Batteriezellen 16 bestehende Batteriemodul 10 in dem Schaltungsmodul 12 verschaltet. Das Schaltmodul 12 ist eines von mehreren Modulen 12 einer in 5 in Gänze gezeigten modular aufgebauten Schaltungsanordnung 18 zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades CE der in dieser Schaltungsanordnung 18 verschalteten Batteriemodule 10. Diese Schaltungsanordnung 18 wird im Wesentlichen von einem Batteriedirektkonverter gebildet. Das Schaltmodul 12 selbst weist zwei äußere Anschlüsse 20, 22 auf, über die es in einem von mehreren in 5 gezeigten Strompfaden 24, 26, 28 verschaltet ist. Insgesamt sind pro Strompfad 24, 26, 28 mehrere in Serie geschaltete Schaltmodule 12 vorgesehen, sodass sich insgesamt also eine Vielzahl solcher immer gleich aufgebauten Einheiten 14 ergeben. Jedes der Schaltmodule 12 dient zum wahlweisen Verschalten des darin verschalteten Batteriemoduls 10 in dem zugehörigen Strompfad 24, 26, 28 der Schaltungsanordnung 18 (Lade- oder Entlademodus) oder zum alternativen Heraustrennen jedes einzelnen der Batteriemodule 10 aus diesem Strompfad 24, 26, 28 (Bypassmodus). Jeder der Strompfade 24, 26, 28 ist dabei also ein Leistungsstrompfad der Schaltungsanordnung 18 über den die Batterieströme fließen. Mit anderen Worten wird die wiederaufladbare Batterie über die Strompfade 24, 26, 28 mit einem (in 5 gezeigten) elektrischen Verbraucher 30 oder einem (nicht gezeigten) Ladegerät verbunden.
  • Das Schaltmodul 12 weist eine Brückenschaltungsanordnung mit zwei Halbbrücken 32, 34 auf, wobei in jeder der Halbbrücken 32, 34 zwei als Halbleiterstromventile fungierende Leistungshalbleiterelemente 40, 42 auf Transistorbasis in Serie geschaltet sind und mit jeweils einer antiparallel geschalteten Freilaufdiode 36, 38 verschaltet sind. Ein gemeinsamer Mittelabgriffpunkt 44 der der ersten Brückenschaltungsanordnung 32 ist elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss 20 des Schaltmoduls 12 und ein gemeinsamer Mittelabgriffpunkt 46 der zweiten Brückenschaltung 34 ist elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss 22 des Schaltmoduls 12 verbunden. Ansteuerleitungen wie auch Messleitungen sind im Schaltbild nicht gezeigt.
  • Die 1 bis 4 zeigen den Stromverlauf bei den unterschiedlichen Betriebsmodi der Schaltmodule 12. Dieser Stromverlauf ist dabei durch Pfeile markiert.
  • Durch dementsprechende Schaltungen der als Halbleiterstromventilen fungierenden Leistungshalbleiterelementen 40, 42 wird der Strom in der Einheit 14 gesteuert. Sind alle Leistungshalbleiterelemente 40, 42 gesperrt so kann der Strom nur in der in 1 gezeigten Richtung fließen (Reversemodus), die Batteriezellen 16 des angeschlossenen Batteriemoduls 10 werden geladen. Die Pfeile geben die Richtung des Stromflusses an. Der Strom fließt über den Anschluss 20 in das Schaltmodul 12 am Mittelabgriffpunkt 44 der ersten Halbbrücke 32, weiter über die Freilaufdiode 36 der ersten Halbbrücke 32 zum Batteriemodul 10, durch deren Zellen 16 zur Freilaufdiode 38 der zweiten Halbbrücke 34, weiter zum Mittelabgriffpunkt 46 der zweiten Halbbrücke 34 und dann über den Anschluss 22 aus dem Modul 12 wieder hinaus. Tatsächlich wird das Batteriemodul 10 über das Schaltmodul 12 auch geladen, wenn Strom über den Anschluss 22 in den Mittelabgriffpunkt 46 der zweiten Halbbrücke 34 eingespeist und bei dem Mittelabgriffpunkt 44 der ersten Halbbrücke 32 und dem Anschluss 20 entnommen wird (nicht gezeigt).
  • Der Stromfluss im Entlademodus (Normalbetrieb) ist in 2 gezeigt. Der Strom fließt über den Anschluss 22 am Mittelabgriffpunkt 46 der zweiten Halbbrücke 34 in das Schaltmodul 12, dann durch das Leistungshalbleiterelement 42 der zweiten Halbbrücke 34 zum angeschlossenen Batteriemodul 10, weiter durch die Zellen 16 des Batteriemoduls 10 zum Leistungshalbleiterelement 40 der ersten Halbbrücke 32 und dann über den Mittelabgriffpunkt 44 der ersten Halbbrücke 32 und den Anschluss 20 wieder aus dem Modul 12 hinaus.
  • Da zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades eines Batteriemoduls 10 immer nur dieses eine Batteriemodul 10 geladen/entladen werden soll, müssen die anderen Batteriemodule 10 aus dem entsprechenden Strompfad 24, 26, 28 herausgetrennt werden. Soll ein Batteriemodul 10 des entsprechenden Strompfades 24, 26, 28 also nicht entladen werden, so wird der Strom wie in 3 gezeigt an den Zellen 16 des entsprechenden Batteriemoduls 10 vorbei geleitet (Bypassmodus 1). Dazu wird das Leistungshalbleiterelement 42 der zweiten Halbbrücke 34 auf Durchlass geschaltet. Es ergibt sich der Stromverlauf vom Anschluss 22 über den Mittelabgriffpunkt 46 und besagtes Leistungshalbleiterelement 42 der zweiten Halbbrücke 34 zur Freilaufdiode 38 der ersten Halbbrücke 32, anschließend zu dem Mittelabgriffpunkt 44 dieser Halbbrücke 32 und dem Anschluss 20. Von dort hinaus aus dem Modul 12 zum nächsten Modul 12 des Strompfades 24, 26, 28 oder zu dessen Endpunkt.
  • In ähnlicher Weise kann das Modul 12 auch beim Laden (bei umgekehrter Stromrichtung) übergangen werden. Hier ist das Leistungshalbleiterelement 42 der ersten Halbbrücke 32 auf Durchlass geschaltet. Es ergibt sich der in 4 gezeigte Stromverlauf vom Anschluss 20 über den Mittelabgriffpunkt 44 und besagtes Leistungshalbleiterelement 42 der ersten Halbbrücke 32 zur Freilaufdiode 38 der zweiten Halbbrücke 34 und zu dem Mittelabgriffpunkt 46 dieser Halbbrücke 34 sowie dem Anschluss 22. Von dort hinaus aus dem Modul 12 zum nächsten Modul 12 des Strompfades 24, 26, 28 oder zu dessen anderem Endpunkt.
  • 5 zeigt die komplette Schaltungsanordnung 18 mit ihren mehreren (im gezeigten Beispiel drei) Strompfaden 24, 26, 28 und einer an die Schaltungsanordnung 18 angeschlossenen dreiphasigen elektrischen Maschine M als Verbraucher 30. Dabei ist jeder der Strompfade 24, 26, 28 über einen jeweiligen Hauptschütz 48, 50, 52 mit einem jeweiligen Phasenanschluss 54, 56, 58 einer der drei Phasen der elektrischen Maschine M elektrisch verbindbar. Somit sind die in einem der Strompfade 24, 26, 28 über die Schaltmodule 12 verschalteten Batteriemodule 10 für die elektrische Versorgung des Verbrauchers bezüglich der entsprechenden Phase zuständig. Die den Schaltern 48, 50, 52 gegenüberliegenden Enden der Strompfade 24, 26, 28 sind miteinander zu einem Sternpunkt elektrisch leitend verbunden und über einen Schalter 60 mit einem Anschluss 62 verbunden werden. Die Serienschaltung 64, 66, 68 der Schaltmodule 12 in jedem der Strompfade 24, 26, 28 kann über einen mittels ansteuerbarer Schütze 70, 72, 74 zuschaltbaren Bypasspfad 76 mit einem darin verschalteten Widerstand 78 entladen werden. Weiterhin kann jeder der Strompfade über ein zugeordnetes weiteres Schütz 80, 82, 84 mit einem jeweiligen weiteren Anschluss 86, 88, 90 verbunden werden. In jedem der Strompfade 24, 26, 28 ist je ein Stromsensor 92, 94, 96 verschaltet.
  • Die drei Strompfade 24, 26, 28 bilden ein dreiphasiges System. Die Verbraucher 30 beziehungsweise ein HV Fahrzeugnetz wird über die Hauptschütze 48, 50, 52 angeschlossen.
  • Der Pluspol eines Ladegeräts mit drei Ausgängen wird an einem der Anschlüsse 86, 88, 90 über die korrespondierenden Ladeschütze 80, 82, 84 angeschlossen; der Minuspol wird an den Anschluss 62 über das optionale Ladeschütz 60 angeschlossen. Der fließende Strom wird mittels der Stromsensoren 92, 94, 96 gemessen (wobei jedes Schaltmodul 12 zusätzlich noch einen Stromsensor enthalten kann), die Spannungen in den einzelnen in den Schaltmodulen 12 verschalteten Batteriemodulen 10 durch nicht gezeigte Messchips.
  • Für das Verfahren zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades CE von Batteriemodulen 10 wird ein einzelnes Schaltmodul 12 ausgewählt, bei dem der Wirkungsgrad für die Batterie- bzw. Akkumulatorzellen des darin verschalteten Batteriemoduls 10 bestimmt werden soll. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit soll dies für die folgende Betrachtung das Schaltmodul 12 ganz unten im Strompfad 24 der 5 sein. Das Verfahren wird dann gestartet, wenn sich die wiederaufladbare Batterie im Ruhezustand befindet, und möglichweise an ein Ladegerät angeschlossen ist (z.B. nächtliches Aufladen eines Elektrofahrzeugs). Es gibt zwei Möglichkeiten der Entladung: über den (Last-)Widerstand 78 oder über den angeschlossenen Verbraucher 30.
  • Die Entladung eines Moduls 12 über den separaten Widerstand 78 wird durch das jeweilige Schaltschütz 70, 72, 74 bewerkstelligt. Die Module 12 in der Schaltungsanordnung 18 werden nun so betrieben, dass sich beim Entladen der Batteriemodule 10 des an das gewählte Schaltmodul 12 im Entlademodus befindet, alle anderen Schaltmodule 12 im Bypassmodus. Das Schütz 70 ist geschlossen, so dass die Zellen 16 des Batteriemoduls 10 über den Widerstand 78 entladen werden können. Die Schütze 72, 74, 86, 88, 90 sind geöffnet. Im gewählten Modul 12 wird mit Hilfe des nun im Linearbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiterelements 40 der ersten Halbbrücke 32 oder des im Linearbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiterelements 42 der zweiten Halbbrücke 34 der Strom in den Zellen 16 des angeschlossenen Batteriemoduls 10 sehr genau geregelt. Dies ist möglich, da der zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades erforderliche Entladestrom sehr klein im Vergleich zum im Normalbetrieb fließenden Strom ist. Somit bleiben auch die Verluste im entsprechenden Leistungshalbleiterelement 40, 42 klein. Alternativ kann bei Nichtvorhandensein oder Nichtnutzung des Widerstands 78 die Entladung über den Verbraucher 30, also etwa die elektrische Maschine M stattfinden. Hierzu wird das an das zu entladende Batteriemodul 10 angeschlossene Schaltmodul 12 in den Entlademodus versetzt, die restlichen Module 12 im selben Strompfad 24 in den Bypassmodus. Dann werden die Schütze 54 und 56 (alternativ auch zusätzlich 58) geschlossen, und die Module 12 in den anderen stromdurchflossenen Strompfaden 26, 28 in den Bypassmodus versetzt. Somit wird der Verbraucher 30 als Last benutzt, und der Rückstrom fließt durch den oder die anderen Strompfade 26, 28. Wie zuvor können alle im Stromkreis befindlichen Leistungshalbleiterelemente 40, 42, also auch wiederum das Leistungshalbleiterelement 40 der ersten Halbbrücke 32 und das Leistungshalbleiterelement 42 der zweiten Halbbrücke 34 im Linearbetrieb arbeiten und den Laststrom regeln. Ein Festbremsen der elektrischen Maschine M ist üblicherweise nicht notwendig, da die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Ströme sehr klein im Vergleich zum Bemessungsstrom der elektrischen Maschine sind.
  • Nachdem die Zellen 16 des an das gewählte Modul 12 angeschlossenen Batteriemoduls soweit wie gewünscht entladen wurden, werden die Batteriezellen 16 wieder geladen. Hierfür gibt es zwei Ausführungsformen, je nachdem ob a) ein externes Ladegerät angeschlossen ist oder b) nicht.
    • a) Das Ladegerät wird mit dem Pluspol an den Anschluss 86 angeschlossen, mit dem Minuspol an den Anschluss 62. Dann werden die Schütze 60 und 80 geschlossen, und die Schütze 70, 72, 74, 82, 84 geöffnet. Die Module 12 der Schaltungsanordnung 18 werden so betrieben, dass das gewünschte Batteriemodul 10 geladen wird. Der Ladestrom wird mit der notwendigen Präzision vom Ladegerät bereitgestellt, oder alternativ durch Linearbetrieb eines der in anderen Modulen 12 stromführenden Leistungshalbleiterelemente 40, 42 geregelt. Der Strom wird wiederum mit den im Modul 12 eingebauten Stromsensoren oder dem externen Sensor 92 mit der nötigen Präzision gemessen. Vorzugsweise werden der Ladestrom und der Entladestrom gleich groß gewählt.
    • b) Auch wenn die Batterie nicht geladen wird (also beispielsweise das entsprechende Fahrzeug nicht an einer Ladestation abgestellt ist) kann das entsprechende Batteriemodul 10 geladen werden, und zwar durch die anderen Batteriemodule 10 im gleichen oder in einem anderen Strompfad 24, 26, 28. Hierzu wird das zu ladende Batteriemodul 10 in den Lademodus geschaltet (1) eine gewisse Anzahl der anderen Batteriemodule 10 (zumindest mehr als eines) in den Entlademodus (3) und die nicht genutzten Batteriemodule 10 in den jeweils an die Stromrichtung angepassten Bypassmodus. Der Stromkreis wird entweder über den Widerstand 78 (Nachteil, zusätzliche Verluste) oder den angeschlossenen Verbraucher 30 geschlossen (nur zwei der drei Hauptschütze 48, 50, 52 schalten durch). Ein Festbremsen der elektrischen Maschine M als Verbraucher 30 ist üblicherweise nicht notwendig, da die für die Durchführung des Verfahrens notwendigen Ströme sehr klein im Vergleich zum Bemessungsstrom der elektrischen Maschine M sind. Ebenso ist es möglich alle drei Hauptschütze 48, 50, 52 einzuschalten. Dann ist es erforderlich in den beiden Strompfaden 26, 28, die Energie zum Laden liefern sollen, jeweils einen der stromdurchflossenen Leistungshalbleiterelemente 40, 42 im Linearbetrieb zu betreiben und die Stromregelung so auszuführen, dass die Summe der Ströme aus den beiden Strompfaden, die Energie liefern sollen, dem gewünschten Ladestrom entspricht. Alternativ können die Schütze 70, 72, 74 genutzt werden. Werden zwei davon geschlossen, sind wiederum zwei Phasen parallel geschaltet und beliebiges Laden oder Entladen von Batteriemodulen 10 ist möglich. Die Stromregelung findet wiederum durch im Linearbetrieb befindliche Leistungshalbleiterelemente 40, 42 statt, beispielsweise bei Ladung des gewählten Modul 10 (in der Einheit links unten) durch einen Leistungshalbleiterelement 40, 42 der anderen Schaltmodule 12 aus diesem Strompfad 24. Analog zum oben beschrieben Vorgehen bei Nutzung der elektrischen Maschine M, können auch in diesem Fall alle drei Schutze 70, 72, 74 geschlossen werden.
  • Der beschriebene Mechanismus kann auch zum Ladungsausgleich (Balancing) zwischen verschieden geladenen Batteriemodulen 10 genutzt werden, indem Batteriemodule 10 mit höherer Spannung als Quelle benutzt werden, und Batteriemodule 10 mit geringerer Spannung zu laden.
  • Mit Hilfe der beschriebenen genauen Stromregelung bzw. Strommessung kann die den Batteriemodulen 10 zugeführte bzw. entnommene Ladung durch einfache Integration über der Zeit sehr genau bestimmt werden. Der SOC der Batteriemodulen 10 lässt sich mit Hilfe der nach üblicherweise sowieso vorhandenen genauen Spannungsmessung ebenfalls genau ermitteln. Damit sind die Voraussetzungen zur Ermittlung des Coulomb-Wirkungsgrades erfüllt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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Claims (10)

  1. Verfahren zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades von Batteriemodulen (10) einer wiederaufladbaren Batterie mittels einer an die Batteriemodule (10) angeschlossenen Schaltungsanordnung (18), wobei diese Schaltungsanordnung (18) mehrere Strompfade (24, 26, 28) aufweist, die ihrerseits je eine Serienschaltung (64, 66, 68) von Schaltmodulen (12) sowie mindestens ein im Linearbetrieb betreibbares Leistungshalbleiterelement (40, 42) zur Stromregelung des durch den jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) fließenden Stroms aufweisen und wobei an jedes der Schaltmodule (12) je eines der Batteriemodule (10) angeschlossen ist und jedes der Schaltmodule (12) als Schaltmodul (12) zum wahlweisen Verschalten des angeschlossenen Batteriemoduls (10) in dem jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) oder zum alternativen Heraustrennen des angeschlossenen Batteriemoduls (10) aus diesem jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) ausgebildet ist, wobei in jeden der Strompfade (24, 26, 28) – mittels der Schaltmodule (12) mindestens eines der Batteriemodule (10) ausgewählt und im jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) verschaltet wird während alle anderen Batteriemodule (10) dieses Strompfades (24, 26, 28) mittels der Schaltmodule (12) aus diesem Strompfad (24, 26, 28) herausgetrennt werden und – das ausgewählte Batteriemodul (10) über den jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) mindestens einem Entladevorgang und mindestens einem Ladevorgang unterzogen wird, wobei der entsprechende Strom beim Laden und beim Entladen dieses Batteriemoduls (10) in diesem Strompfad (24, 26, 28) mittels des im Linearbetrieb betriebenen Leistungshalbleiterelements (40, 42) genau eingestellt wird und die entsprechenden Ladungsmengen beim Laden und beim Entladen durch Integration des Stroms über die Zeit ermittelt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungshalbleiterelement (40, 42) der Schaltmodule (18) das im Linearbetrieb betriebene Leistungshalbleiterelement (40, 42) zur Stromregelung des durch den jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) fließenden Stroms bildet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Schaltmodule (12) eine Brückenschaltungsanordnung mit zwei Halbbrücken (32, 34) aufweist, wobei in jeder der Halbbrücken (32, 34) zwei als Halbleiterstromventile fungierende Leistungshalbleiterelemente (40, 42) und zwei Freilaufdioden (36, 38) verschaltet sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der Halbbrücken (32, 34) jedes der beiden als Halbleiterstromventile fungierende Leistungshalbleiterelemente (40, 42) zu je einer der beiden Freilaufdioden (36, 38) parallel geschaltet ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (18) als Schaltungsanordnung (18) zur elektrischen Versorgung eines mehrphasigen elektrischen Verbrauchers (30), insbesondere einer mehrphasigen elektrischen Maschine, ausgebildet ist, wobei die Anzahl der Strompfade (24, 26, 28) der Anzahl der Phasen entspricht.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladen des ausgewählten Batteriemoduls (10) über ein an die Schaltungsanordnung (18) angeschlossenes externes elektrisches Bauelement erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladen des ausgewählten Batteriemoduls (10) über einen zuschaltbaren Lastwiderstand (78) der Schaltungsanordnung (18) erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zuschaltbare Lastwiderstand (78) mittels eines ansteuerbaren Schützes (70, 72, 74) wahlweise zugeschaltet oder getrennt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden des ausgewählten Batteriemoduls (10) über ein an den jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) angeschlossenes Ladegerät erfolgt.
  10. Schaltungsanordnung (18) zur Bestimmung des Coulomb-Wirkungsgrades von Batteriemodulen (10) einer wiederaufladbaren Batterie, mit mehreren Strompfaden (24, 26, 28), die ihrerseits je eine Serienschaltung (64, 66, 68) von Schaltmodulen (12) sowie mindestens ein im Linearbetrieb betreibbares Leistungshalbleiterelement (40, 42) zur Stromregelung des durch den jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) fließenden Stroms aufweisen, wobei an jedes der Schaltmodule (12) je eines der Batteriemodule (10) angeschlossen ist und jedes der Schaltmodule (12) als Schaltmodul (12) zum wahlweisen Verschalten des angeschlossenen Batteriemoduls (10) in dem jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) oder zum alternativen Heraustrennen des angeschlossenen Batteriemoduls (10) aus diesem jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) ausgebildet ist, und wobei die Schaltungsanordnung (18) eingerichtet ist, das ausgewählte Batteriemodul (10) über den jeweiligen Strompfad (24, 26, 28) mindestens einem Entladevorgang und mindestens einem Ladevorgang zu unterziehen, wobei der entsprechende Strom in diesem Strompfad (24, 26, 28) beim Laden und beim Entladen dieses Batteriemoduls (10) mittels des im Linearbetrieb betriebenen Leistungshalbleiterelements (40, 42) genau einstellbar ist und wobei die Schaltungsanordnung (18) Mittel zur Ermittlung der entsprechenden Ladungsmengen durch Integration des Stroms über der Zeit beim Ladevorgang und beim Entladevorgang aufweist.
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