DE102014215773A1 - Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (2) mit mehreren Batteriezellen (8) und einem Batteriemanagementsystem zur Überwachung und Steuerung der Batteriezellen (8), wobei das Batteriemanagementsystem ein Hauptsteuergerät (4) und mehrere Zellsteuereinheiten (10) aufweist, wobei jede Zellsteuereinheit (10) einer Batteriezelle (8) zugeordnet ist und ausgebildet und eingerichtet ist, um Messdaten der zugeordneten Batteriezelle (8) zu erfassen und um die zugeordnete Batteriezelle (8) zu einer elektronischen Schaltung der Batteriezellen (8) zu- und wegzuschalten. Dabei ist vorgesehen, dass jede Zellsteuereinheit (10) erkennt, ob das Batteriesystem (2) aktuell geladen oder entladen wird und in Abhängigkeit dessen die zugeordnete Batteriezelle (8) zu der elektronischen Schaltung der Batteriezellen (8) zu- oder wegschaltet.
Darüber hinaus werden ein derartiges Batteriesystem (2) und ein Kraftfahrzeug angegeben.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems mit mehreren Batteriezellen und einem Batteriemanagementsystem zur Überwachung und Steuerung der Batteriezellen.
  • Weiterhin wird ein Batteriesystem angegeben, welches insbesondere zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.
  • US 2013/241471 offenbart eine Ladesteuerschaltung zur Überwachung des Ladens eines Batteriestromkreises einschließlich einer Vielzahl von in Serie geschalteten Batteriezellen, wobei die Ladesteuerschaltung eine Vielzahl von Schaltelementen umfasst, welche jeweils parallel mit der Vielzahl von Batterien verbunden sind, und ein Ladekontrollgerät, um den Ladestrom an die jeweiligen Batterien zu reduzieren.
  • US 2001/019256 offenbart ein Verfahren zum Ladungsausgleich einer Vielzahl von in Serie geschalteten Batteriezellen unter Verwendung einer dissipativen Stromschleife, welche mit den Terminalen jeder Batteriezelle verbunden ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems mit mehreren Batteriezellen und einem Batteriemanagementsystem zur Überwachung und Steuerung der Batteriezellen, wobei das Batteriemanagementsystem ein Hauptsteuergerät und mehrere Zellsteuereinheiten aufweist, wobei jede Zellsteuereinheit einer Batteriezelle zugeordnet ist und ausgebildet und eingerichtet ist, um Messdaten der zugeordneten Batteriezelle zu erfassen und um die zugeordnete Batteriezelle zu einer elektronischen Schaltung der Batteriezellen zu- und wegzuschalten, ist vorgesehen, dass jede Zellsteuereinheit erkennt, ob das Batteriesystem aktuell geladen oder entladen wird und in Abhängigkeit dessen die zugeordnete Batteriezelle zu der elektronischen Schaltung der Batteriezellen zu- oder wegschaltet.
  • Vorteilhaft erfolgt in dem erfindungsgemäßen Batteriesystem die Entscheidung über den Schaltzustand der Batteriezelle dezentral in der jeweiligen Zellsteuereinheit. Die eigentliche Regelungsfunktion wird durch einen aufwandsarm realisierbaren zentralen Regler des Hauptsteuergeräts umgesetzt. Zur Regelung des Batteriesystems führt das Hauptsteuergerät die Steuergrößen so nach, dass eine möglichst kleine Regeldifferenz zwischen einer aktuellen und einer gewünschten Ausgangsspannung des Batteriesystems auftritt. Das Steuersignal ist also so gewählt, dass die summierte Spannung der zugeschalteten Batteriezellen einer vorgegebenen Ausgangsspannung des Batteriesystems nachgeführt wird.
  • Die Vorgabe der Steuergröße des Batteriesystems kann vorteilhaft über eine unidirektionale Schnittstelle erfolgen, wobei die Vorgabe der Steuergröße vom Hauptsteuergerät als nur eine einzige Nachricht an alle Zellsteuereinheiten gesendet werden kann. Alle Zellsteuereinheiten empfangen diese Nachricht und schalten autonom, d. h. insbesondere auch unabhängig voneinander, entweder die zugeordnete Zelle der Reihenschaltung zu oder überbrücken die Zelle mit Hilfe von elektrisch ansteuerbaren Schaltern der Zellsteuereinheit.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird eine Stromrichtung als positiv bezeichnet, wenn das Batteriesystem geladen wird, und als negativ bezeichnet, wenn das Batteriesystem entladen wird.
  • Zur Erzeugung einer geringeren Gesamtausgangsspannung des Batteriesystems werden die einzelnen Batteriezellen mithilfe der Zellsteuereinheiten in positiver oder negativer Polarität in die Reihenschaltung zugeschaltet oder ausgeschaltet. Die positive und negative Polarität in der Reihenschaltung wird relativ zum Abgriff der Gesamtausgangsspannung betrachtet. Die Polarität wird durch das Hauptsteuergerät vorgegeben. Für den Fall, dass die Batteriezellen ausgeschaltet werden, werden sie von der Reihenschaltung getrennt und die Anschlussklemmen der zugehörigen Zellelektronik elektrisch verbunden, so dass sich ein Zustand „überbrückt“ einstellt.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform erkennt die Zellsteuereinheit, ob das Batteriesystem geladen oder entladen wird, indem eine Zellenspannung einer zugeschalteten Batteriezelle mit einer Zellenspannung einer weggeschalteten Batteriezelle verglichen wird.
  • Im Rahmen der Erfindung kann die Zellenspannung auch als Klemmenspannung bezeichnet sein. Im Rahmen der Erfindung ist außerdem die Zellenspannung der weggeschalteten Batteriezelle gleich der Klemmenspannung, wenn die Zelle überbrückt ist.
  • Dieser Maßnahme liegt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der Zelle zugrunde, welche eine Spannungsquelle und einen Innenwiderstand der Zelle umfasst, und in welchem ein Zusammenhang UZelle,on = UZelle,off – IZelle·RZelle (1) gilt, wobei UZelle,on die Zellenspannung der zugeschalteten Batteriezelle bezeichnet, UZelle,off die Zellenspannung der weggeschalteten Batteriezelle bezeichnet, IZelle den Strom durch die Zelle bezeichnet und RZelle den Innenwiderstand der Zelle bezeichnet.
  • Die Stromrichtung kann dabei durch folgende Vorschrift bestimmt werden:
    Wenn UZelle,on größer ist als UZelle,off, dann ist die Stromrichtung positiv. Wenn UZelle,on kleiner ist als UZelle,off, dann ist die Stromrichtung negativ. Die Vorzeichen in der Formel (1) sind bewusst gewählt.
  • Bevorzugt werden die Größen UZelle,on und UZelle,off in regelmäßigen Abständen durch die Zellsteuereinheit auf jeder Zelle erfasst. In dem beschriebenen Batteriesystem werden die Batteriezellen typischerweise häufig zugeschaltet und wieder überbrückt, um eine vorgegebene Ausgangsspannung durch das Batteriesystem zu erzeugen. Das Hauptsteuergerät regelt die Zu- und Wegschaltung der Batteriezellen bevorzugt mittels Steuersignalen an alle Zellsteuereinheiten. Typische Regelfrequenzen sind dabei 1 bis 20 kHz.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform regelt das Hauptsteuergerät die Zu- und Wegschaltung der Batteriezellen mittels Steuersignalen an alle Zellsteuereinheiten, wobei die Zellsteuereinheiten die Steuersignale als Wahrscheinlichkeitswerte interpretieren.
  • Bei einer möglichen Realisierung gibt das Hauptsteuergerät zwei Zahlenwerte vor, welche über die Kommunikationsstrecke vom Hauptsteuergerät zu den Zellsteuereinheiten übertragen und gleichermaßen von allen Zellsteuereinheiten empfangen werden. Bevorzugt weist das Steuersignal dabei genau einen ersten Zahlenwert Pan = [0,1] und genau einen zweiten Zahlenwert Paus = [0,1] auf, wobei die Zellsteuereinheiten den ersten Zahlenwert als eine Zuschaltwahrscheinlichkeit und den zweiten Zahlenwert als eine Wegschaltwahrscheinlichkeit interpretieren. Dabei bezeichnet die Zuschaltwahrscheinlichkeit die Wahrscheinlichkeit, mit der eine ausgeschaltete Zelle zugeschaltet wird, und die Wegschaltwahrscheinlichkeit die Wahrscheinlichkeit, mit der eine eingeschaltete Zelle weggeschaltet wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird in jeder Zellsteuereinheit ein insbesondere bevorzugt gleich verteilter Zufallsprozess durchgeführt, wobei in Abhängigkeit des Zufallsprozesses und der Wahrscheinlichkeitswerte die zugeordnete Batteriezelle zu der elektronischen Schaltung der Batteriezellen zu- oder weggeschaltet wird. Das Steuersignal ist so gewählt, dass die summierten Spannungen der zugeschalteten Batteriezellen einer vorgegebenen Ausgangsspannung des Batteriesystems nachgeführt wird.
  • Zur Regelung des Batteriesystems führt das Hauptsteuergerät die Steuergrößen Pan und Paus so nach, dass eine möglichst kleine Regeldifferenz zwischen einer aktuellen und einer gewünschten Ausgangsspannung des Batteriesystems auftritt. Wenn der Sollwert größer als die aktuelle Ausgangsspannung ist, wird eine erhöhte Einschaltwahrscheinlichkeit Pan an die Zellen übermittelt. Ist der Sollwert kleiner als die aktuelle Ausgangsspannung, dann wird eine erhöhte Ausschaltwahrscheinlichkeit Paus übermittelt.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform schaltet im Fall, dass das Batteriesystem entladen wird, die Zellsteuereinheit die zugeordnete Batteriezelle in Abhängigkeit der Größe eines Gütefaktors zu und weg, welchen die Zellsteuereinheit anhand eines Ladezustands und/oder eines Alterungszustands der zugeordneten Batteriezelle ermittelt. Hierdurch wird ein Ladezustandsausgleich (balancing) erreicht, so dass der Steuerungsalgorithmus vorteilhaft erweitert wird. Die Batteriezelle skaliert dabei den in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Zellelektronik jeweils relevanten empfangenen Wert Pan oder Paus mit dem Gütefaktor. Dabei schalten sich ausgeschaltete Zellen mit einem hohen Gütefaktor mit größerer Wahrscheinlichkeit zu als ausgeschaltete Zellen mit einem geringeren Gütefaktor. Dabei werden außerdem Zellen mit einem niedrigen Gütefaktor mit größerer Wahrscheinlichkeit ausgeschaltet. Hierdurch werden im zeitlichen Mittel die Zellen mit einem geringeren Gütefaktor weniger häufig belastet, so dass ein aktiver Ladezustandsausgleich erfolgt.
  • Nach einer Ausführungsform des Verfahrens schaltet im Fall, dass das Batteriesystem geladen wird, die Zellsteuereinheit die zugeordnete Batteriezelle weg, wenn eine vorgegebene maximale Zellspannung erreicht wird. Dabei wird sowohl bei zugeschalteter als auch abgeschalteter Zelle gemessen. Im Fall von Lithium-Ionen-Batterien ist die vorgegebene maximale Zellspannung der zugeschalteten Batteriezelle z. B. 4,2 V. Da dies jedoch technologieabhängig ist, kann der Wert in Zukunft durchaus ein anderer sein.
  • Nach einer Ausführungsform des Verfahrens schaltet im Fall, dass das Batteriesystem entladen wird, die Zellsteuereinheit die zugeordnete Batteriezelle weg, wenn eine vorgegebene minimale Zellspannung erreicht wird. Im Fall von Lithium-Ionen-Batterien ist die vorgegebene minimale Zellspannung der zugeschalteten Batteriezelle beispielsweise 2,5 V, 2,8 V oder 3 V.
  • Erfindungsgemäß wird außerdem ein Batteriesystem mit mehreren Batteriezellen und einem Batteriemanagementsystem zur Überwachung und Steuerung der Batteriezellen bereitgestellt, wobei das Batteriemanagementsystem ein Hauptsteuergerät und mehrere Zellsteuereinheiten aufweist, welche über einen Steuerkanal miteinander in Verbindung stehen, wobei jede Zellsteuereinheit einer Batteriezelle zugeordnet ist und ausgebildet und eingerichtet ist, um Messdaten der zugeordneten Batteriezelle zu erfassen und um die zugeordnete Batteriezelle zu einer elektronischen Schaltung der Batteriezellen zu- und wegzuschalten. Dabei ist vorgesehen, dass jede Zellsteuereinheit ausgebildet und eingerichtet ist, um zu erkennen, ob das Batteriesystem aktuell geladen oder entladen wird, und um in Abhängigkeit dessen die zugeordnete Batteriezelle zu der elektronischen Schaltung der Batteriezellen zu- oder wegzuschalten.
  • Die Einheiten des Batteriemanagementsystems sind als funktionale Einheiten zu verstehen, die nicht notwendigerweise physikalisch voneinander getrennt sind. So können mehrere Einheiten des Batteriemanagementsystems in einer einzigen physikalischen Einheit realisiert sein, etwa wenn mehrere Funktionen in Software auf einem Steuergerät implementiert sind. Die Einheiten des Batteriemanagementsystems können auch in Hardware-Bausteinen implementiert sein, beispielsweise durch Sensoreinheiten, Speichereinheiten, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC, Application Specific Circuit) oder Microcontroller.
  • Bevorzugt weist jede Zellsteuereinheit einen Komparator auf, welcher eine Zellenspannung der zugeschalteten Batteriezelle mit einer Zellenspannung der weggeschalteten Batteriezelle vergleichen kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Zellsteuereinheiten Zufallszahlengeneratoren und einen weiteren Komparator, um generierte Zufallszahlen mit den Steuersignalen des Hauptsteuergeräts zu vergleichen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Zellsteuereinheiten Speichereinheiten auf, um Gütefaktoren oder Ladezustände der zugeordneten Batterieeinheit abzuspeichern, wobei anhand von gemessenen Spannungen und gespeicherter Ladezustände die Gütefaktoren beispielsweise mithilfe von Tabellen bestimmbar sind.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Hauptsteuergerät mit den Zellsteuergeräten über einen unidirektionalen Steuerkanal miteinander verbunden.
  • Die Batterie kann insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie sein, und mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs verbindbar sein. Die Begriffe "Batterie" und "Batterieeinheit" werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. Akkumulatoreinheit verwendet. Die Batterie umfasst eine oder mehrere Batterieeinheiten, womit eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, einen Modulstrang oder ein Batteriepack bezeichnet sein kann. In der Batterie sind die Batteriezellen vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet. Mehrere Module können sogenannte Batteriedirektkonverter (BDC, Battery Direct Converter) bilden und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, Battery Direct Inverter).
  • Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Batteriesystem zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie des Batteriesystems mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Das Kraftfahrzeug kann als reines Elektrofahrzeug ausgestaltet sein und ausschließlich ein elektrisches Antriebssystem umfassen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgestaltet sein, das ein elektrisches Antriebssystem und einen Verbrennungsmotor umfasst. In einigen Varianten kann vorgesehen sein, dass die Batterie des Hybridfahrzeugs intern über einen Generator mit überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden kann. Extern aufladbare Hybridfahrzeuge (PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle) sehen zusätzlich die Möglichkeit vor, die Batterie über das externe Stromnetz aufzuladen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren definiert, bei welchem kostengünstig implementiert wird, dass jede Zellsteuereinheit ermitteln kann, ob die angeschlossene Batteriezelle im aktuellen Zustand geladen oder entladen wird. Dabei wird die vorhandene Zellelektronik zur Erfassung der Zellspannung eingesetzt.
  • In Abhängigkeit der ermittelten Stromrichtung, d. h. in Abhängigkeit davon, ob die angeschlossene Zelle gerade entladen oder geladen wird, kann die Zellsteuereinheit die Steuersignale des Hauptsteuergeräts mit einem Gütefaktor skalieren und in Kombination mit einem Zufallsprozess das Steuersignal in ein Schaltsignal umsetzen. Hierdurch kann ein effektiver und kostengünstiger Ladezustandsausgleich der Zellen erreicht werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems,
  • 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterieuntereinheit und
  • 3 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1 zeigt ein Batteriesystem 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Batteriesystem 2 weist ein Hauptsteuergerät 4 auf, welches auch als CCU (central control unit) bezeichnet wird. Das Hauptsteuergerät 4 ist zur Steuerung einer Batterieeinheit 6 ausgebildet und eingerichtet, wobei die Batterieeinheit 6 im dargestellten Fall eine Reihenschaltung von mehreren Batteriezellen 8 umfasst, welche beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen mit einem Spannungsbereich von 2,8–4,2 V sind.
  • Jeder Batteriezelle 8 ist eine Zellsteuereinheit 10 zugeordnet, welche auch als SCU (smart cell unit) bezeichnet wird. Die Zellsteuereinheit 10 und die Batteriezelle 8 bilden eine Batterieuntereinheit 12, welche mit Bezug zu 2 näher beschrieben und dargestellt ist.
  • Dabei ist die Erfindung nicht auf die in 1 dargestellte Ausführungsform beschränkt. So können die Batterieuntereinheiten 12 in alternativen Ausführungsformen auch mehrere miteinander verschaltete Batteriezellen 8 umfassen, wobei diese sowohl parallel als auch seriell miteinander verschaltet sein können, um die geforderten Leistungs- und Energiedaten bereitzustellen.
  • Die Batteriezellen 8 sind mittels einer elektrischen Leitung 14 in Reihe miteinander verschaltet und stellen an Anschlüssen 16 eine Ausgangsspannung bereit. Über die Anschlüsse 16 können weitere Batteriesysteme (nicht dargestellt) mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 2 zu komplexeren Schaltungen verschaltet sein. In der Nähe der Anschlüsse 16 ist eine Strom- und Spannungsmessschaltung 17 angeordnet zur Erfassung der Ausgangsspannung und des Stroms durch die Batterieeinheit 6.
  • Das Hauptsteuergerät 4 weist einen Eingang 18 auf, mittels welchem das Hauptsteuergerät 4 die Signale der Strom- und Spannungsmessschaltung 17 erfassen kann.
  • Das Hauptsteuergerät 4 ist mit den Zellsteuereinheiten 10 über einen Steuerkanal 20 verbunden, wobei dieser beispielsweise nach Art einer Daisy Chain aufgebaut sein kann, bevorzugt aber als paralleler Bus, der es ermöglicht, dass alle Batteriezellen 8 eine Nachricht des Hauptsteuergeräts 4 nahezu gleichzeitig erhalten. Das Hauptsteuergerät 4 und die Zellsteuereinheiten 10 weisen hierzu geeignete Schnittstellen 22, 24 auf. Bevorzugt ist der Steuerkanal 20 unidirektional ausgebildet, so dass das Hauptsteuergerät 4 über einen so genannten Broadcast-Betrieb mittels einheitlichen Steuersignalen an alle Zellsteuereinheiten 10 eine Zu- und Wegschaltung der Batteriezellen 8 regeln kann. Zwischen den Zellsteuereinheiten 10 und dem Hauptsteuergerät 4 können weitere Kommunikationskanäle (nicht dargestellt) vorgesehen sein, über welche beispielsweise Messwerte von den Zellsteuereinheiten 10 an das Hauptsteuergerät 4 übertragen werden können.
  • In 2 ist die Batterieuntereinheit 12 mit der Zellsteuereinheit 10 und der zugeordneten Batteriezelle 8 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
  • Die Zellsteuereinheit 10 weist eine Messeinheit 26 auf, welche eingerichtet ist, um Messdaten der zugeordneten Batteriezelle 8 zu erfassen, insbesondere die Zellenspannung bzw. Klemmenspannung der Batteriezelle 8 im zugeschalteten Fall, was auch als Zellenspannung der zugeschalteten Batteriezelle 8 bezeichnet wird, und die Zellenspannung bzw. Klemmenspannung der Batteriezelle 8 im weggeschalteten, d. h. überbrückten Fall, was auch als Zellenspannung der weggeschalteten Batteriezelle 8 bezeichnet wird.
  • Des Weiteren kann die Messeinheit 26 mit entsprechender Verschaltung dazu eingerichtet sein, den Strom durch die Batteriezelle 8 zu messen, sowie Temperaturen, Drücke, usw.
  • Die Messeinheit 26 ist mit einem Mikroprozessor 28 verbunden, welcher die Steuerung und Schaltung der Batteriezelle 8 übernimmt und welcher außerdem zur Kommunikation mit dem Hauptsteuergerät 4 eingerichtet ist.
  • Der Mikroprozessor 28 ist insbesondere dazu eingerichtet, zu erkennen, ob das Batteriesystem 2, insbesondere die zugeordnete Batteriezelle 8, aktuell geladen oder entladen wird. Hierzu kann der Mikroprozessor 28 die Zellenspannung der zugeschalteten Batteriezelle 8 mit der Zellenspannung der weggeschalteten Batteriezelle 8 vergleichen. Das hierzu verwendete Bauteil des Mikroprozessors 28 wird auch als ein Komparator bezeichnet (nicht dargestellt).
  • Weiterhin ist der Mikroprozessor 28 eingerichtet, um anhand von empfangenen Steuersignalen des Hauptsteuergeräts 4 die Batteriezelle 8 zu- oder wegzuschalten. Die Schaltung der zugeordneten Batteriezelle 8 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels eines als Transistor ausgeführten Schaltelements 34 dargestellt. Über das Schaltelement 34 kann ein erster Zustand eingestellt werden, bei welchem die Batteriezelle 8 in der Reihenschaltung mit weiteren Batteriezellen 8 überbrückt wird, und ein weiterer Zustand, bei welchem die Batteriezelle 8 der Reihenschaltung zugeschaltet wird. Gleichzeitig mit Betätigung des Schaltelements 34 wird außerdem ein weiteres Schaltelement 35 betätigt, um einen Kurzschluss über die Anschlüsse der Batteriezelle 8 zu vermeiden. Das weitere Schaltelement 35 ist dabei invers zu dem Schaltelement 34 ausgebildet. Dargestellt ist beispielhaft eine Ausführungsform mit Transistoren, alternativ und bevorzugt können das Schaltelement 34 auch als ein p-Kanal-Mosfet und das weitere Schaltelement 35 als ein n-Kanal-Mosfet realisiert sein.
  • Der Mikroprozessor 28 ist außerdem mit einer Speichereinheit 30 verbunden, in der beispielsweise ein Gütefaktor abgelegt wird, welcher anhand eines aktuellen Ladezustands oder eines aktuellen Alterungszustand der zugeordneten Batteriezelle 8 ermittelt wird. In der Speichereinheit 30 können außerdem Werte für vorgegebene maximale Zellspannungen und minimale Zellspannungen abgelegt sein, welche der Mikroprozessor 28 verwendet, um in Abhängigkeit des Steuersignals die zugeordnete Batteriezelle 8 zu steuern.
  • Der Mikroprozessor 28 umfasst außerdem einen Zufallsgenerator 32, mittels welchem Zufallszahlen ermittelt werden können, insbesondere aus einem Intervall zwischen 0 und 1. Der Mikroprozessor 28 umfasst eine weitere Einheit (nicht dargestellt), um vom Hauptsteuergerät 4 empfange Zahlenwerte, welche als Zu- oder Wegschaltwahrscheinlichkeiten interpretiert werden, mit vom Zufallsgenerator 32 generierten Zufallszahlen zu vergleichen und in Abhängigkeit dessen das Schaltelement 34 zu betätigen.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In einem Schritt 100 sendet das Hauptsteuergerät 4 ein Steuersignal an die Zellsteuereinheiten 10. In einem Schritt 102 empfangen die Zellsteuereinheiten 10 das Steuersignal. In einem Schritt 104 erkennt jede Zellsteuereinheit 10 die Stromrichtung. In einem Schritt 106 ermittelt jede Zellsteuereinheit 10 eine Zufallszahl. In einem Schritt 108 ermittelt jede Zellsteuereinheit 10 einen Gütefaktor. In einem Schritt 110 schaltet die Zellsteuereinheit 10 das Schaltelement 34 in Abhängigkeit des Steuersignals, der Stromrichtung, der Zufallszahl und gegebenenfalls des Gütefaktors.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (2) mit mehreren Batteriezellen (8) und einem Batteriemanagementsystem zur Überwachung und Steuerung der Batteriezellen (8), wobei das Batteriemanagementsystem ein Hauptsteuergerät (4) und mehrere Zellsteuereinheiten (10) aufweist, wobei jede Zellsteuereinheit (10) einer Batteriezelle (8) zugeordnet ist und ausgebildet und eingerichtet ist, um Messdaten der zugeordneten Batteriezelle (8) zu erfassen und um die zugeordnete Batteriezelle (8) zu einer elektronischen Schaltung der Batteriezellen (8) zu- und wegzuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zellsteuereinheit (10) erkennt, ob das Batteriesystem (2) aktuell geladen oder entladen wird und in Abhängigkeit dessen die zugeordnete Batteriezelle (8) zu der elektronischen Schaltung der Batteriezellen (8) zu- oder wegschaltet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellsteuereinheit (10) erkennt, ob das Batteriesystem (2) geladen oder entladen wird, indem eine Zellenspannung der zugeschalteten Batteriezelle (8) mit einer Zellenspannung der weggeschalteten Batteriezelle (8) verglichen wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptsteuergerät (4) die Zu- und Wegschaltung der Batteriezellen (8) mittels Steuersignalen an alle Zellsteuereinheiten (10) regelt, wobei die Zellsteuereinheiten (10) die Steuersignale als Wahrscheinlichkeitswerte interpretieren.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellsteuereinheiten (10) Zufallsprozesse durchführen und in Abhängigkeit der Zufallsprozesse und der Wahrscheinlichkeitswerte die zugeordnete Batteriezelle (8) zu der elektronischen Schaltung der Batteriezellen (8) zu- oder wegschalten und dass das Steuersignal so gewählt ist, dass die summierte Spannung der zugeschalteten Batteriezellen (8) einer vorgegebenen Ausgangsspannung des Batteriesystems (2) nachgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuersignal genau einen ersten Zahlenwert und einen zweiten Zahlenwert umfasst, wobei die Zellsteuereinheiten (10) den ersten Zahlenwert als eine Zuschaltwahrscheinlichkeit und den zweiten Zahlenwert als eine Wegschaltwahrscheinlichkeit interpretieren.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall, dass das Batteriesystem (2) entladen wird, die Zellsteuereinheit (10) die zugeordnete Batteriezelle (8) zusätzlich in Abhängigkeit der Größe eines Gütefaktors zu- und wegschaltet, welchen die Zellsteuereinheit (10) anhand eines Ladezustands und/oder eines Alterungszustands der zugeordneten Batteriezelle (8) ermittelt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall, dass das Batteriesystem (2) geladen wird, die Zellsteuereinheit (10) die zugeordnete Batteriezelle (8) wegschaltet, wenn eine vorgegebene maximale Zellspannung erreicht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall, dass das Batteriesystem (2) entladen wird, die Zellsteuereinheit (10) die zugeordnete Batteriezelle (8) wegschaltet, wenn eine vorgegebene minimale Zellspannung erreicht wird.
  9. Batteriesystem (2) mit mehreren Batteriezellen (8) und einem Batteriemanagementsystem zur Überwachung und Steuerung der Batteriezellen (8), wobei das Batteriemanagementsystem ein Hauptsteuergerät (4) und mehrere Zellsteuereinheiten (10) aufweist, welche über einen Steuerkanal (20) miteinander in Verbindung stehen, wobei jede Zellsteuereinheit (10) einer Batteriezelle (8) zugeordnet ist und ausgebildet und eingerichtet ist, um Messdaten der zugeordnete Batteriezelle (8) zu erfassen und um die zugeordnete Batteriezelle (8) zu einer elektronischen Schaltung der Batteriezellen (8) zu- und wegzuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zellsteuereinheit (10) ausgebildet und eingerichtet ist, um zu erkennen, ob das Batteriesystem (2) aktuell geladen oder entladen wird, und um in Abhängigkeit dessen die zugeordnete Batteriezelle (8) zu der elektronischen Schaltung der Batteriezellen (8) zu- oder wegzuschalten.
  10. Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (2) nach Anspruch 9.
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