DE102014213161A1

DE102014213161A1 - Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung eines Batteriesystems sowie zur Ausführung des Verfahrens ausgebildetes Batteriesystem

Info

Publication number: DE102014213161A1
Application number: DE102014213161.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2016-01-07
Also published as: US20170163052A1; US10622817B2; KR20170030512A; CN106663952A; CN106663952B; WO2016005108A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung eines Batteriesystems (1) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (2), welche derart elektrisch verschaltet sind, dass Batteriezellen (2) des Batteriesystems (1) jeweils dem Batteriesystem (1) zugeschaltet werden können und elektrisch überbrückt werden können, wobei zur Anpassung einer Ist-Ausgangsspannung (3) des Batteriesystems (1) an eine Soll-Ausgangsspannung wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen (1) mit der wenigstens einen generierten Einschaltwahrscheinlichkeit dem Batteriesystem (1) zugeschaltet werden und zusätzlich wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen (1) mit der wenigstens einen generierten Ausschaltwahrscheinlichkeit elektrisch überbrückt werden. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildetes Batteriesystem (1) umfassend eine Mehrzahl von elektrisch verschalteten Batteriezellen (2), eine Mehrzahl von Ansteuerungsschaltungen (10) und eine Regeleinheit, wobei die Batteriezellen (2) jeweils mittels der Ansteuerungsschaltungen (10) dem Batteriesystem (1) zugeschaltet werden können oder elektrisch überbrückt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung eines Batteriesystems mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche derart elektrisch verschaltet sind, dass Batteriezellen des Batteriesystems jeweils dem Batteriesystem zugeschaltet werden können und elektrisch überbrückt werden können, wobei zur Anpassung einer Ist-Ausgangsspannung des Batteriesystems an eine Soll-Ausgangsspannung wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen mit der wenigstens einen generierten Einschaltwahrscheinlichkeit dem Batteriesystem zugeschaltet werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Batteriesystem umfassend eine Mehrzahl von elektrisch verschalteten Batteriezellen, eine Mehrzahl von Ansteuerungsschaltungen und eine Regeleinheit zur Regelung einer durch die Batteriezellen bereitgestellten Ausgangsspannung des Batteriesystems, wobei den Batteriezellen jeweils eine der Ansteuerungsschaltungen zugewiesen ist und die Batteriezellen jeweils mittels der Ansteuerungsschaltungen dem Batteriesystem zugeschaltet werden können oder elektrisch überbrückt werden können.
Stand der Technik
Zur Erfüllung von Anforderungen an Batteriesysteme hinsichtlich deren Kapazität und/oder Leistung ist es bekannt, Batteriezellen elektrisch miteinander zu verschalten. Insbesondere ist es dabei bekannt, eine Mehrzahl von Batteriezellen elektrisch in Reihe zu einem Batteriestrang zu verschalten und diese Batteriestränge wiederum elektrisch parallel miteinander zu verschalten. Um eine geforderte Ausgangsspannung durch das Batteriesystem bereitzustellen, ist es ferner bekannt, solche Batteriestränge und/oder einzelne Batteriezellen eines Batteriesystems dem Batteriesystem zuzuschalten, sodass diese Batteriezellen einen Spannungsbeitrag zur Ausgangsspannung liefern. Ebenso ist es zur Bereitstellung einer geforderten Ausgangsspannung bekannt, Batteriezellen des Batteriesystems elektrisch zu überbrücken, um die Batteriezellen auf diese Weise von dem Batteriesystem zu trennen, sodass diese keinen Spannungsbeitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriesystems liefern.
Problematisch hierbei ist insbesondere, dass die einzelnen Batteriezellen bezüglich deren Kapazität und deren Innenwiderstand Abweichungen aufweisen, insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen, sodass die Batteriezellen üblicherweise voneinander abweichende Ladezustände aufweisen.
Aus den Druckschriften KR 2003-92464 , KR 2007-66293 und US 2005/053092 sind Batteriesysteme bekannt, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassen, wobei zur Anpassung einer Ist-Ausgangsspannung des Batteriesystems an eine vorgegebene Soll-Ausgangsspannung des Batteriesystems die einzelnen Batteriezellen zufällig ein- beziehungsweise ausgeschaltet werden und somit entweder einen Spannungsbeitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriesystems leisten oder nicht.
Des Weiteren ist es im Stand der Technik bekannt, eine Einschaltwahrscheinlichkeit zu generieren, wobei die Batteriezellen mit dieser Einschaltwahrscheinlichkeit dem Batteriesystem zugeschaltet werden. Ist ein Batteriesystem beispielsweise ausgebildet, eine maximale Ausgangsspannung von 400 Volt bereitzustellen, wobei sämtliche Batteriezellen zur Bereitstellung der Ausgangsspannung miteinander verschaltet sind, und wird eine Soll-Ausgangsspannung von 300 Volt gefordert, so wird eine Einschaltwahrscheinlichkeit von 75 % vorgegeben, um die vorgegebene Soll-Ausgangsspannung zu erreichen.
Diese Eingangsspannung wird vorteilhafterweise über einen zentralen Kommunikations-Bus des Batteriesystems den Batteriezellen beziehungsweise entsprechenden Ansteuerungsschaltungen der Batteriezellen kommuniziert.
Insbesondere ist es dabei bekannt, dass jede Batteriezelle selber einen der Batteriezelle zugeordneten Gütefaktor bestimmt, welcher beispielsweise von der Batteriezellspannung dieser Batteriezelle, der Batteriezelltemperatur und/oder dem Ladezustand der Batteriezelle (SOC, SOC: State of Charge) abhängen kann.
Unter Berücksichtigung des Gütefaktors der Batteriezelle und der vorgegebenen Einschaltwahrscheinlichkeit werden dann Batteriezellen dem Batteriesystem zugeschaltet. Dabei wird im Mittel die Soll-Ausgangsspannung eingestellt. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der Fall eintreten kann, dass die Batteriezellen so geschaltet werden, dass eine große Abweichung der Ist-Ausgangsspannung von der Soll-Ausgangsspannung auftritt. Dies würde dann durch die Regelung dadurch korrigiert werden, dass die Einschaltwahrscheinlichkeit entsprechend angepasst wird. Dabei kann es jedoch zu unerwünschten Ausreißern der Ist-Ausgangsspannung kommen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Regelung der Ausgangsspannung eines Batteriesystems zu verbessern. Insbesondere soll eine verbesserte Anpassung einer Ist-Ausgangsspannung eines Batteriesystems an eine Soll-Ausgangsspannung erzielt werden. Dabei sollen vorteilhafterweise starke Abweichungen der Ist-Ausgangsspannung von der Soll-Ausgangsspannung vermieden werden.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung eines Batteriesystems mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche derart elektrisch verschaltet sind, dass Batteriezellen des Batteriesystems jeweils dem Batteriesystem zugeschaltet werden können und elektrisch überbrückt werden können, vorgeschlagen, wobei zur Anpassung einer Ist-Ausgangsspannung des Batteriesystems an eine Soll-Ausgangsspannung wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen mit der wenigstens einen generierten Einschaltwahrscheinlichkeit dem Batteriesystem zugeschaltet werden, und wobei zur Anpassung der Ist-Ausgangsspannung des Batteriesystems an die Soll-Ausgangsspannung zusätzlich wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen mit der wenigstens einen generierten Ausschaltwahrscheinlichkeit elektrisch überbrückt werden. Das heißt, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorteilhafterweise für das Zuschalten von Batteriezellen zu dem Batteriesystem und dem elektrischen Überbrücken von Batteriezellen innerhalb des Batteriesystems, also quasi für das Einschalten und das Ausschalten von Batteriezellen des Batteriesystems, zwei unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten übermittelt. Die Einschaltwahrscheinlichkeit ist dabei diejenige Wahrscheinlichkeit, dass eine elektrisch überbrückte Batteriezelle dem Batteriesystem zugeschaltet werden soll. Die Ausschaltwahrscheinlichkeit ist dagegen diejenige Wahrscheinlichkeit, dass eine dem Batteriesystem zugeschaltete Batteriezelle elektrisch überbrückt werden soll. Eine Batteriezelle des Batteriesystems ist vorteilhafterweise immer entweder dem Batteriesystem zugeschaltet oder elektrisch überbrückt, wobei die Batteriezelle durch eine Veränderung der Verschaltung, insbesondere durch Ansteuerung von Schaltelementen, von einem Verschaltungszustand in den anderen Verschaltungszustand wechseln kann, also beispielsweise von dem Verschaltungszustand „elektrisch überbrückt“ zu dem Verschaltungszustand „dem Batteriesystem zugeschaltet“ wechseln kann.
Ist eine Batteriezelle des Batteriesystems dem Batteriesystem zugeschaltet, so liefert diese Batteriezelle vorteilhafterweise einen Spannungsbeitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriesystems. Beim Laden des Batteriesystems werden dem Batteriesystem zugeschaltete Batteriezellen zudem vorteilhafterweise nachgeladen.
Ist eine Batteriezelle des Batteriesystems elektrisch überbrückt, so liefert diese Batteriezelle vorteilhafterweise keinen Spannungsbeitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriesystems. Beim Laden des Batteriesystems werden elektrisch überbrückte Batteriezellen zudem vorteilhafterweise nicht nachgeladen.
Ob eine Batteriezelle des Batteriesystems dem Batteriesystem zugeschaltet wird beziehungsweise elektrisch überbrückt wird, wenn eine Einschaltwahrscheinlichkeit beziehungsweise eine Ausschaltwahrscheinlichkeit an die Batteriezellen übertragen wird, wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit von einem der Batteriezelle zugeordneten Gütefaktor entschieden, welcher insbesondere von dem Ladezustand der Batteriezelle und/oder der Batteriezelltemperatur und/oder der Batteriezellspannung abhängen kann.
Vorteilhafterweise wird die wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit jeweils aus einer Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion generiert. Die wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit wird vorteilhafterweise jeweils aus einer Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion generiert. Die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion und die Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion sind dabei vorteilhafterweise jeweils von der Differenz aus der Soll-Ausgangsspannung und der Ist-Ausgangsspannung des Batteriesystems abhängige Funktionen. Das heißt, dass die Einschaltwahrscheinlichkeit, die die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion liefert, beziehungsweise die Ausschaltwahrscheinlichkeit, die die Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion liefert, davon abhängt, wie stark die Ist-Ausgangsspannung des Batteriesystems von der Soll-Ausgangsspannung abweicht.
Die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion und/oder die Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion sind gemäß einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung nichtlineare Funktionen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion und die Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion lineare Funktionen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion und die Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse sind, welche vorzugsweise durch den Punkt verläuft, bei dem die Soll-Ausgangsspannung gleich der Ist-Ausgangsspannung ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion und die Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion dabei lineare Funktionen sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit gleich Null ist, wenn die Ist-Ausgangsspannung größer als die Soll-Ausgangsspannung ist und/oder dass die wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit gleich Null ist, wenn die Ist-Ausgangsspannung kleiner als die Soll-Ausgangsspannung ist. Gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung ist somit vorgesehen, dass für den Fall, dass die Soll-Ausgangsspannung größer als die Ist-Ausgangsspannung ist, nur elektrisch überbrückte Batteriezellen dem Batteriesystem zugeschaltet werden dürfen, aber keine zugeschalteten Batteriezellen überbrückt werden dürfen. Für den Fall, dass die Soll-Ausgangsspannung kleiner der Ist-Ausgangsspannung ist, dürfen dagegen nur dem Batteriesystem zugeschaltete Batteriezellen elektrisch überbrückt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Anpassung einer Ist-Ausgangsspannung des Batteriesystems an eine Soll-Ausgangsspannung jeweils eine Einschaltwahrscheinlichkeit und jeweils eine Ausschaltwahrscheinlichkeit generiert, wobei die Einschaltwahrscheinlichkeit größer ist als die Ausschaltwahrscheinlichkeit, wenn die Ist-Ausgangsspannung kleiner ist als die Soll-Ausgangsspannung, und wobei die Ausschaltwahrscheinlichkeit größer ist als die Einschaltwahrscheinlichkeit, wenn die Ist-Ausgangsspannung größer ist als die Soll-Ausgangsspannung. Bei dieser Ausgestaltungsvariante ist insbesondere vorgesehen, dass die Batteriezellen jeweils über eine Halbbrücken-Konfiguration an einen Batteriestrang angeschlossen sind, wobei durch Ansteuerung wenigstens eines Schaltelementes die Batteriezelle dem Batteriesystem zugeschaltet wird oder die Batteriezelle elektrisch überbrückt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Zuschalten der Batteriezellen zu dem Batteriesystem für jede Batteriezelle entweder mit positiver Polarität oder mit negativer Polarität erfolgen kann, wobei zur Anpassung der Ist-Ausgangsspannung an die Soll-Ausgangsspannung eine positive Einschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen mit der generierten positiven Einschaltwahrscheinlichkeit dem Batteriesystem mit positiver Polarität zugeschaltet werden und/oder eine negative Einschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen mit der generierten negativen Einschaltwahrscheinlichkeit dem Batteriesystem mit negativer Polarität zugeschaltet werden und/oder eine positive Ausschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen mit positiver Polarität mit der generierten positiven Ausschaltwahrscheinlichkeit elektrisch überbrückt werden und/oder eine negative Ausschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen mit negativer Polarität mit der generierten negativen Ausschaltwahrscheinlichkeit elektrisch überbrückt werden. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Batteriezellen in einer Vollbrücken-Konfiguration an einen Batteriestrang des Batteriesystems angeschlossen sind.
Vorteilhafterweise werden bei dieser Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens für das Zuschalten von Batteriezellen zu dem Batteriesystem und das Überbrücken von Batteriezellen des Batteriesystems unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten zum Schalten der Batteriezellen übermittelt.
Die positive Einschaltwahrscheinlichkeit ist dabei vorteilhafterweise die Wahrscheinlichkeit, dass eine überbrückte Batteriezelle mit positiver Polarität dem Batteriesystem zugeschaltet werden soll.
Die negative Einschaltwahrscheinlichkeit ist dabei vorteilhafterweise die Wahrscheinlichkeit, dass eine überbrückte Zelle mit negativer Polarität dem Batteriesystem zugeschaltet werden soll.
Die positive Ausschaltwahrscheinlichkeit ist dabei vorteilhafterweise die Wahrscheinlichkeit, dass eine dem Batteriesystem zugeschaltete Batteriezelle mit positiver Polarität überbrückt werden soll.
Die negative Ausschaltwahrscheinlichkeit ist dabei vorteilhafterweise die Wahrscheinlichkeit, dass eine dem Batteriesystem zugeschaltete Batteriezelle mit negativer Polarität überbrückt werden soll.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Einschaltwahrscheinlichkeiten und die Ausschaltwahrscheinlichkeiten vorzeichenbehaftet sind. Die positive Einschaltwahrscheinlichkeit weist dabei vorzugsweise ein positives Vorzeichen auf, die negative Einschaltwahrscheinlichkeit ein negatives Vorzeichen. Die positive Ausschaltschaltwahrscheinlichkeit weist vorteilhafterweise ein positives Vorzeichen auf, die negative Ausschaltwahrscheinlichkeit ein negatives Vorzeichen.
Falls beispielsweise die Ist-Ausgangsspannung kleiner als die Soll-Ausgangsspannung ist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine überbrückte Batteriezelle dem Batteriesystem zugeschaltet wird hoch und die Wahrscheinlichkeit, dass eine dem Batteriesystem zugeschaltete Batteriezelle überbrückt wird niedrig. Die gewählten Funktionen zur Generierung der jeweiligen Ein- und Ausschaltwahrscheinlichkeiten sind vorzugsweise symmetrisch ausgebildet, besonders bevorzugt als lineare Funktionen.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein Batteriesystem umfassend eine Mehrzahl von elektrisch verschalteten Batteriezellen, eine Mehrzahl von Ansteuerungsschaltungen und eine Regeleinheit zur Regelung einer durch die Batteriezellen bereitgestellten Ausgangsspannung des Batteriesystems vorgeschlagen, wobei den Batteriezellen jeweils eine der Ansteuerungsschaltungen zugewiesen ist und die Batteriezellen jeweils mittels der Ansteuerungsschaltungen dem Batteriesystem zugeschaltet werden können oder elektrisch überbrückt werden können, wobei das Batteriesystem vorteilhafterweise ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Batteriesystem ein zur Bereitstellung der für den Betrieb eines Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeugs erforderlichen elektrischen Energie ausgebildetes Batteriesystem ist. Die Batteriezellen sind dabei vorteilhafterweise sekundäre Batteriezellen, das heißt nachladbare Akkumulatorzellen, vorzugsweise Lithium-Ionen-Zellen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Batteriesystem wenigstens einen Batteriestrang aufweist, wobei ein Batteriestrang jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst. Vorzugsweise weist das Batteriesystem mehrere Batteriestränge auf, wobei die Batteriestränge vorteilhafterweise elektrisch parallel geschaltet sind.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass das Batteriesystem wenigstens einen Batteriestrang umfasst, wobei die Batteriezellen jeweils in einer Halbbrücken-Konfiguration an einen Batteriestrang des Batteriesystems angeschlossen sind.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems sieht vor, dass das Batteriesystem wenigstens einen Batteriestrang umfasst, wobei die Batteriezellen jeweils in einer Vollbrücken-Konfiguration an einen Batteriestrang des Batteriesystems angeschlossen sind. Durch die Vollbrücken-Konfiguration ist eine Batteriezelle des Batteriesystems vorteilhafterweise jeweils derart elektrisch verschaltet, dass durch eine Veränderung der Schalterstellung diese Batteriezelle dem Batteriesystem mit positiver Polarität dem Batteriesystem zugeschaltet werden kann, mit negativer Polarität dem Batteriesystem zugeschaltet werden kann, mit positiver Polarität überbrückt werden kann und mit negativer Polarität überbrückt werden kann, wobei die Batteriezellen vorteilhafterweise – bis auf den Schaltmoment als solchen – sich in einem dieser Schaltzustände befindet.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die einer Batteriezelle zugewiesene Ansteuerungsschaltung wenigstens ein Schaltelement, wenigstens einen Treiber, wenigstens eine Mikrocontrollerschaltung und wenigstens eine Schnittstelle umfasst. Die Mikrocontrollerschaltung ist dabei vorteilhafterweise ausgebildet, über die wenigstens eine Schnittstelle die wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit und/oder die wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit zu empfangen. Vorteilhafterweise ist die Mikrocontrollerschaltung darüber hinaus ausgebildet, basierend auf der wenigstens einen Einschaltwahrscheinlichkeit und/oder der wenigstens einen Ausschaltwahrscheinlichkeit ein Ansteuersignal zu erzeugen. Dieses Ansteuersignal wird vorteilhafterweise an den wenigstens einen Treiber übertragen. Der Treiber ist dabei vorteilhafterweise ausgebildet, in Abhängigkeit von dem erzeugten Ansteuersignal das wenigstens eine Schaltelement zu schalten. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Schaltelement ein Transistor ist, vorzugsweise ein MOSFET (MOSFET: metal oxide semiconductor field-effect transistor). Insbesondere ist ferner vorgesehen, dass das Batteriesystem ein Bus-System umfasst, vorzugsweise einen CAN-Bus (CAN: Controller Arial Network), über welchen jeweils die wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit und/oder die wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit an die Batteriezellen übertragen wird, vorzugsweise zentral übertragen wird.
Vorteilhafterweise umfasst das Batteriesystem ein Batteriemanagementsystem. Das Batteriemanagementsystem umfasst dabei vorzugsweise die Regeleinheit. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Regeleinheit des Batteriemanagementsystems, vorzugsweise die Battery Control Unit (BCU) ausgebildet ist, die wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit und/oder die wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit zu generieren. Der Regeleinheit werden dabei insbesondere die Ist-Ausgangsspannung und die Soll-Ausgangsspannung zugeführt. In Abhängigkeit der Differenz der Sollausgangsspannung und der Ist-Ausgangsspannung wird dabei vorteilhafterweise aus einer Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion die wenigstens eine Eingangswahrscheinlichkeit und/oder aus einer Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion die wenigstens eine Ausgangswahrscheinlichkeit generiert. Die wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit und die wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit sind dabei vorteilhafterweise die Stellgrößen der Regelung der Ausgangsspannung.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 in einer vereinfachten schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem;
2 in einer vereinfachten schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem;
3 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion zur Generierung einer Einschaltwahrscheinlichkeit und eine Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion zur Generierung einer Ausschaltwahrscheinlichkeit für ein erfindungsgemäßes Verfahren;
4 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion zur Generierung einer Einschaltwahrscheinlichkeit und eine Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion zur Generierung einer Ausschaltwahrscheinlichkeit für ein erfindungsgemäßes Verfahren;
5 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion zur Generierung einer Einschaltwahrscheinlichkeit und eine Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion zur Generierung einer Ausschaltwahrscheinlichkeit für ein erfindungsgemäßes Verfahren;
6 in einer vereinfachten Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine positive Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion, eine negative Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion, eine positive Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion und eine negative Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion zur Generierung entsprechender Einschaltwahrscheinlichkeiten und Ausschaltwahrscheinlichkeiten für ein erfindungsgemäßes Verfahren; und
7 in einer vereinfachten Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine positive Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion, eine negative Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion, eine positive Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion und eine negative Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion zur Generierung entsprechender Einschaltwahrscheinlichkeiten und Ausschaltwahrscheinlichkeiten für ein erfindungsgemäßes Verfahren.
Das in 1 dargestellte Batteriesystem 1 umfasst eine Mehrzahl von elektrisch verschalteten Batteriezellen 2, wobei aus Gründen der besseren Übersicht lediglich eine Batteriezelle 2 mit einer der Batteriezelle 2 zugeordneten Ansteuerungsschaltung 10 dargestellt ist. Diese Anordnung von Batteriezelle mit Ansteuerungsschaltung wiederholt sich dabei mehrfach, wie durch die Punktierung in dem Batteriestrang 6 des Batteriesystems symbolisch dargestellt ist.
Die Batteriezellen 2 sind bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Halbbrücken-Konfiguration 7 über den Batteriestrang 6 dem Batteriesystem 1 zuschaltbar beziehungsweise elektrisch überbrückbar. Dies hängt dabei von der Schalterstellung der Schaltelements 14 ab. Das Schaltelement 14 wird dabei durch die der jeweiligen Batteriezelle 2 zugeordneten Ansteuerungsschaltung 10 angesteuert. Das Schaltelement 14 kann dabei insbesondere durch Transistoren realisiert sein. Die einer Batteriezelle 2 jeweils zugeordnete Ansteuerungsschaltung 10 umfasst dabei eine Schnittstelle 11, eine Mikrocontrollerschaltung 12 und einen Treiber 13.
Das Batteriesystem 1 umfasst ferner eine Regeleinheit 16, wobei vorteilhafterweise die Battery Control Unit des Batteriesystems als Regeleinheit ausgebildet ist. Der Regeleinheit 16 wird dabei die Ist-Ausgangsspannung 3 des Batteriesystems 1 als Eingangsgröße zugeführt. Die Regeleinheit 16 ist dabei ausgebildet in Abhängigkeit der Ist-Ausgangsspannung 3 und der vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung eine Einschaltwahrscheinlichkeit und eine Ausschaltwahrscheinlichkeit zu generieren. Diese Einschaltwahrscheinlichkeit und Ausschaltwahrscheinlichkeit werden über einen Kommunikationsbus 15 des Batteriesystems 1 an die Ansteuerungsschaltung 10 übertragen, was in 1 symbolisch durch den Pfeil zwischen der Regeleinheit 16 und der Schnittstelle 11 dargestellt ist.
Über die Schnittstelle 11 werden dabei die Einschaltwahrscheinlichkeit und die Ausschaltwahrscheinlichkeit an die Mikrocontrollerschaltung 12 übertragen. Vorteilhafterweise ist die Mikrocontrollerschaltung 12 ausgebildet, einen der Batteriezelle 2 zugeordneten Gütefaktor zu bestimmen. In die Bestimmung dieses Gütefaktors fließen insbesondere Batteriezellparameter ein, wie insbesondere die Batteriezellspannung, die Batteriezelltemperatur und der Ladezustand der Batteriezelle. Ein guter Batteriezellzustand führt dabei zu einem hohen Gütefaktor, ein schlechter Batteriezellzustand zu einem niedrigen Gütefaktor.
Die Mikrocontrollerschaltung 12 ist ferner ausgebildet, basierend auf der empfangenen Einschaltwahrscheinlichkeit, der empfangenen Ausschaltwahrscheinlichkeit und dem der Batteriezelle 2 zugeordneten Gütefaktor zu bestimmen, ob die Batteriezelle 2 dem Batteriesystem 1 zugeschaltet werden soll oder elektrisch überbrückt werden soll. Ist der Gütefaktor hoch, so begünstigt dies ein Zuschalten der Batteriezelle 2 zu dem Batteriesystem 1. Ist der Gütefaktor niedrig, so begünstigt dies ein Überbrücken der Batteriezelle 2. Die Mikrocontrollerschaltung 12 sendet dabei zum Überbrücken der Batteriezelle 2 beziehungsweise zum Zuschalten der Batteriezelle 2 zu dem Batteriesystem 1 ein entsprechendes Schaltsignal an den Treiber 13, welcher dann das Schaltelement 14 schaltet.
2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante des in 1 gezeigten und im Zusammenhang mit 1 erläuterten Batteriesystems 1. Die Batteriezellen 2 des Batteriesystems 1 sind dabei im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Vollbrücken-Konfiguration 8 an dem Batteriestrang 6 angeschlossen. Die Vollbrücken-Konfiguration 8 ist in 2 dabei schematisch dargestellt. Durch die Vollbrücken-Konfiguration 8 können die Batteriezellen 2 vorteilhafterweise entweder mit negativer Polarität oder mit positiver Polarität dem Batteriesystem 1 zugeschaltet werden. Hierbei können Batteriezellen mit entgegengesetzter Polarität vorteilhafterweise durch die anderen Batteriezellen geladen werden, wodurch vorteilhafterweise ein autonomes Cell-Balancing durchführbar ist. Zudem können die Batteriezellen 2 mit negativer Polarität überbrückt werden oder mit positiver Polarität überbrückt werden. Die Regeleinheit 16 ist dabei vorteilhafterweise ausgebildet eine positive Einschaltwahrscheinlichkeit, eine negative Einschaltwahrscheinlichkeit, eine positive Ausschaltwahrscheinlichkeit und eine negative Ausschaltwahrscheinlichkeit zu generieren.
Gemäß einer vorteilhaften nicht dargestellten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass eine Anzahl von Batteriezellen eines Batteriesystems in einer Halbbrücken-Konfiguration an einen Batteriestrang des Batteriesystems angeschlossen ist und eine weitere Anzahl von Batteriezellen dieses Batteriesystems in einer Vollbrücken-Konfiguration an einen Batteriestrang dieses Batteriesystems angeschlossen ist.
In 3 bis 7 sind in vereinfacht dargestellten x-y-Koordinatensystemen vorteilhafte Ausführungsbeispiele für Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktionen und Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktionen dargestellt, aus welchem im Rahmen der Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens Einschaltwahrscheinlichkeiten beziehungsweise Ausschaltwahrscheinlichkeiten generiert werden können. Dabei sind die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktionen und Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktionen Funktionen von ΔU, wobei ΔU die Differenz aus der Soll-Ausgangsspannung und der Ist-Ausgangsspannung eines Batteriesystems ist. Das heißt, dass jedem Wert ΔU eine konkrete Einschaltwahrscheinlichkeit P_EIN beziehungsweise eine konkrete Ausschaltwahrscheinlichkeit P_AUS zugeordnet ist.
Die Einschaltwahrscheinlichkeiten P_EIN beziehungsweise die Ausschaltwahrscheinlichkeiten P_AUS sind auf der y-Achse aufgetragen, die Werte für ΔU auf der x-Achse. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass Werte für ΔU links der y-Achse negativ sind, also die Ist-Ausgangsspannung links der y-Achse größer ist, als die Soll-Ausgangsspannung.
3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für eine Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion 4 und eine Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion 5, aus welcher jeweils eine Einschaltwahrscheinlichkeit beziehungsweise eine Ausschaltwahrscheinlichkeit generiert wird. Die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion 4 und die Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion 5 sind dabei Funktionen von ΔU, wobei ΔU die Differenz aus der Soll-Ausgangsspannung und der Ist-Ausgangsspannung eines Batteriesystems ist.
Die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion 4 und die Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion 5 sind bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel symmetrisch bezüglich der von der y-Achse gebildeten Symmetrieachse 17, welche durch den Punkt geht, bei dem die Soll-Ausgangsspannung gleich der Ist-Ausgangsspannung ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Einschaltwahrscheinlichkeit und die Ausschaltwahrscheinlichkeit jeweils einen Wert zwischen „0“ und „1“ annehmen können.
Wie aus 3 ersichtlich, sind in dem Ausführungsbeispiel die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion und die Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion lineare Funktionen. Ist die Ist-Ausgangsspannung kleiner als die Soll-Ausgangsspannung, also ΔU positiv, so ist die Einschaltwahrscheinlichkeit P_EIN groß und die Ausschaltwahrscheinlichkeit P_AUS klein. Ist dagegen die Ist-Ausgangsspannung größer als die Soll-Ausgangsspannung, also ΔU negativ, so ist die Einschaltwahrscheinlichkeit P_EIN kleiner als die Ausschaltwahrscheinlichkeit P_AUS.
4 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für eine Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion 4 und eine Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion 5, welche nicht spiegelsymmetrisch zur der Achse 17 ausgebildet ist.
5 zeigt weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für eine Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion 4 und eine Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion 5, wobei vorgesehen ist, dass die Einschaltwahrscheinlichkeit P_EIN gleich null ist, wenn die Ist-Ausgangsspannung größer ist als die Soll-Ausgangsspannung. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Ausgangswahrscheinlichkeit P_AUS gleich null ist, wenn die Ist-Ausgangsspannung kleiner ist als die Soll-Ausgangsspannung.
6 und 7 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen für positive Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktionen 18, negative Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktionen 19, positive Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktionen 20 und negative Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktionen 21, welche zur Generierung einer positiven Einschaltwahrscheinlichkeit P_EIN, einer negativen Einschaltwahrscheinlichkeit P_EIN, einer positiven Ausschaltwahrscheinlichkeit P_AUS und einer negativen Ausschaltwahrscheinlichkeit P_AUS genutzt werden können, insbesondere bei einem Batteriesystem, bei welchem Batteriezellen in einer Vollbrücken-Konfiguration verschaltet sind, wie insbesondere im Zusammenhang mit 2 erläutert. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die negative Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion eine Einschaltwahrscheinlichkeit P_EIN mit einem negativen Vorzeichen und die negative Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion eine Ausschaltwahrscheinlichkeit P_AUS mit einem negativen Vorzeichen liefert.
Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Einschaltwahrscheinlichkeiten P_EIN sowie die Ausschaltwahrscheinlichkeiten P_AUS ab einem bestimmten Wert für ΔU auf einen maximalen Wert 22 beziehungsweise einen minimalen Wert 23 begrenzt.
Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 2003-92464 [0005]
KR 2007-66293 [0005]
US 2005/053092 [0005]

Claims

Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung eines Batteriesystems (1) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (2), welche derart elektrisch verschaltet sind, dass Batteriezellen (2) des Batteriesystems (1) jeweils dem Batteriesystem (1) zugeschaltet werden können und elektrisch überbrückt werden können, wobei zur Anpassung einer Ist-Ausgangsspannung (3) des Batteriesystems (1) an eine Soll-Ausgangsspannung wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen (1) mit der wenigstens einen generierten Einschaltwahrscheinlichkeit dem Batteriesystem (1) zugeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung der Ist-Ausgangsspannung (3) des Batteriesystems (1) an die Soll-Ausgangsspannung zusätzlich wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen (1) mit der wenigstens einen generierten Ausschaltwahrscheinlichkeit elektrisch überbrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit jeweils aus einer Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion (4) generiert wird und/oder die wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit jeweils aus einer Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion (5) generiert wird, wobei die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion (4) und die Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion (5) jeweils von der Differenz aus der Soll-Ausgangsspannung und der Ist-Ausgangsspannung abhängige Funktionen sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltwahrscheinlichkeitsfunktion (4) und die Ausschaltwahrscheinlichkeitsfunktion (5) spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse (17) sind, welche durch den Punkt verläuft, bei dem die Soll-Ausgangsspannung gleich der Ist-Ausgangsspannung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit gleich null ist, wenn die Ist-Ausgangsspannung (3) größer als die Soll-Ausgangsspannung ist und/oder dass die wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit gleich null ist, wenn die Ist-Ausgangsspannung (3) kleiner als die Soll-Ausgangsspannung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung einer Ist-Ausgangsspannung des Batteriesystems (1) an eine Soll-Ausgangsspannung jeweils eine Einschaltwahrscheinlichkeit und jeweils eine Ausschaltwahrscheinlichkeit generiert werden, wobei die Einschaltwahrscheinlichkeit größer ist als die Ausschaltwahrscheinlichkeit, wenn die Ist-Ausgangsspannung kleiner ist als die Soll-Ausgangsspannung, und wobei die Ausschaltwahrscheinlichkeit größer ist als die Einschaltwahrscheinlichkeit, wenn die Ist-Ausgangsspannung größer ist als die Soll-Ausgangsspannung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuschalten der Batteriezellen (2) zu dem Batteriesystem (1) für jede Batteriezelle (2) entweder mit positiver Polarität oder mit negativer Polarität erfolgen kann, wobei zur Anpassung der Ist-Ausgangsspannung (3) an die Soll-Ausgangsspannung eine positive Einschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen (2) mit der generierten positiven Einschaltwahrscheinlichkeit dem Batteriesystem (1) mit positiver Polarität zugeschaltet werden und/oder eine negative Einschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen (2) mit der generierten negativen Einschaltwahrscheinlichkeit dem Batteriesystem (1) mit negativer Polarität zugeschaltet werden und/oder eine positive Ausschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen (2) mit positiver Polarität mit der generierten positiven Ausschaltwahrscheinlichkeit elektrisch überbrückt werden und/oder eine negative Ausschaltwahrscheinlichkeit generiert wird und die Batteriezellen (2) mit negativer Polarität mit der generierten negativen Ausschaltwahrscheinlichkeit elektrisch überbrückt werden.
Batteriesystem (1) umfassend eine Mehrzahl von elektrisch verschalteten Batteriezellen (2), eine Mehrzahl von Ansteuerungsschaltungen (10) und eine Regeleinheit zur Regelung einer durch die Batteriezellen (2) bereitgestellten Ausgangsspannung des Batteriesystems (1), wobei den Batteriezellen (2) jeweils eine der Ansteuerungsschaltungen (10) zugewiesen ist und die Batteriezellen (2) jeweils mittels der Ansteuerungsschaltungen (10) dem Batteriesystem (1) zugeschaltet werden können oder elektrisch überbrückt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (1) ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Batteriesystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem wenigstens einen Batteriestrang (6) umfasst, wobei die Batteriezellen (2) jeweils in einer Halbbrücken-Konfiguration (7) an einen Batteriestrang (6) des Batteriesystems (1) angeschlossen sind.
Batteriesystem (1) nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem wenigstens einen Batteriestrang (6) umfasst, wobei die Batteriezellen (2) jeweils in einer Vollbrücken-Konfiguration (8) an einen Batteriestrang (6) des Batteriesystems (1) angeschlossen sind.
Batteriesystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungsschaltungen (10) jeweils wenigstens ein Schaltelement (14), wenigstens einen Treiber (13), wenigstens eine Mikrocontrollerschaltung (12) und wenigstens eine Schnittstelle (11) umfasst, wobei die Mikrocontrollerschaltung (12) ausgebildet ist, über die wenigstens eine Schnittstelle (11) die wenigstens eine Einschaltwahrscheinlichkeit und/oder die wenigstens eine Ausschaltwahrscheinlichkeit zu empfangen und darauf basierend ein Ansteuersignal zu erzeugen, und wobei der Treiber (13) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem erzeugten Ansteuersignal das wenigstens eine Schaltelement (14) zu schalten.