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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten von mehreren Batteriezellen einer als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten Batterie. Auch betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten Batterie mit mehreren Batteriezelleinheiten, die jeweils eine Batteriezelle und ein der Batteriezelle zugeordnetes Batteriezellüberwachungsmodul umfassen.
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Stand der Technik
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In der 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem 10 dargestellt, das eine Batterie 11 mit mehreren Batteriezelleinheiten (Smart Cell Unit SCU) 20 umfasst, die jeweils eine Batteriezelle 21 und ein der Batteriezelle 21 zugeordnetes Batteriezellüberwachungsmodul (Batteriezellelektronikmodul beziehungsweise Batteriezellelektronik) 22 aufweisen. Zur Vereinfachung der Darstellung aus der 1 wurden nur zwei Batteriezelleinheiten skizziert und jeweils mit dem Bezugszeichen 20 versehen. Die Batteriezellüberwachungsmodule 22 ermöglichen eine individuelle Steuerung der einzelnen Batteriezellen 21. Zur Erzeugung einer Ausgangsspannung (Gesamtausgangsspannung) U der Batterie 11, die auch als die Ausgangsspannung U des Batteriesystems 10 dient, sind die Batteriezellüberwachungsmodule 22 in einer Reihenschaltung über eine Verbindungsstrecke miteinander verbunden. Das Batteriesystem 10 umfasst ferner eine zentrale Steuereinheit (Central Control Unit CCU) 30 zur Steuerung des Batteriesystems 10.
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Zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung (Gesamtausgangsspannung) U der Batterie 11 werden einzelne Batteriezellen 21 jeweils mittels des zugeordneten Batteriezellüberwachungsmoduls 22 eingeschaltet, das heißt, dass die Batteriezellen 21 jeweils in positiver oder negativer Polarität relativ zum Abgriff der Ausgangsspannung U in die Reihenschaltung eingebracht werden. Zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung (Gesamtausgangsspannung) U der Batterie 11 werden ferner einzelne Batteriezellen 21 jeweils mittels des zugeordneten Batteriezellüberwachungsmoduls 22 ausgeschalten, das heißt, dass die auszuschaltenden Batteriezellen 21 von der Reihenschaltung getrennt werden, indem die Anschlussklemmen jeder auszuschaltenden Batteriezelle 21 mittels des zugeordneten Batteriezellüberwachungsmoduls 22 elektrisch verbunden werden, wodurch die entsprechenden Batteriezellen 21 überbrückt werden. Die zu der Reihenschaltung zugeschalteten Batteriezellen 21 können sich folglich jeweils in einem als „positiv zugeschaltet“ bezeichneten Schaltzustand oder in einem weiteren als „negativ zugeschaltet" bezeichneten Schaltzustand befinden. Ferner befinden sich die von der Reihenschaltung getrennten Batteriezellen 21 in einem als „überbrückt" bezeichneten Schaltzustand.
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In solchen Batteriesystemen 10 (SmartCell-Batteriesystemen) erfolgt die Entscheidung über die Änderung des Schaltzustandes der Batteriezellen 21 dezentral in den jeweiligen Batteriezellüberwachungsmodulen 22. Die eigentliche Regelungsfunktion wird durch die zentrale Steuereinheit 30, die als ein aufwandsarm realisierter zentraler Regler ausgebildet ist, umgesetzt.
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Dabei erfolgt in dem Batteriesystem 10 eine Vorgabe einer ersten Steuergröße P1 und einer zweiten Steuergröße P2 über eine als eine unidirektionale Kommunikationsschnittstelle ausgebildete Kommunikationsstrecke 31, über die von der zentralen Steuereinheit 30 nur eine einzige Nachricht, die die aktuellen Steuergrößen P1 und P2 umfasst, an alle Batteriezellüberwachungsmodule 22 gesendet wird. Alle Batteriezellüberwachungsmodule 22 empfangen dieselbe Nachricht und schalten entweder die jeweils zugeordnete Batteriezellen 21 der Reihenschaltung autonom zu oder überbrücken die jeweils zugeordneten Batteriezellen 21 durch die entsprechenden in den Batteriezellüberwachungsmodule 22 jeweils vorhandenen Schalter (nicht dargestellt). Gemäß eines Steuerungsalgorithmus gibt die zentrale Steuereinheit 30 die zwei Steuergröße P1, P2 in Form von zwei zwischen 0 und 1 liegenden Zahlenwerten vor, welche über die Kommunikationsstrecke 31 von der zentrale Steuereinheit (CCU) 30 zu den Batteriezellüberwachungsmodulen (SCU) 22 übertragen und gleichermaßen von allen Batteriezellüberwachungsmodulen 22 empfangen werden. Dabei gilt 0 ≤ P1 ≤ 1 und 0 ≤ P2 ≤ 1.
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In jedem Batteriezellüberwachungsmodul 22 wird ein gleichverteilter Zufallsprozess ausgeführt, welcher P1 als eine als Einschaltwahrscheinlichkeit bezeichnete erste Wahrscheinlichkeit interpretiert, mit der jede ausgeschaltete Batteriezellen 21 einschalten wird, und P2 als eine als Ausschaltwahrscheinlichkeit bezeichnete zweite Wahrscheinlichkeit interpretiert, mit der jede eingeschalteten Batteriezelle 21 ausschaltet wird. Die zentrale Steuereinheit 30 führt die Steuergrößen P1 und P2 so nach, dass eine möglichst kleine Differenz (Regeldifferenz) zwischen einer aktuellen Ausgangsspannung U und einer gewünschten Ausgangsspannung Us des Batteriesystems 10 auftritt.
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Zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung U der Batterie 11 kann zusätzlich eine einfache Erweiterung des durch die zentrale Steuereinheit 30 durchgeführten Steuerungsalgorithmus so stattfinden, dass ein aktiver Batteriezellfunktionszustandsausgleich (Batteriezellbalancing) durch die gleichzeitige Verwendung einer gewichteten Nutzungsdauer für die Batteriezellen 21 erreicht wird.
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Zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung U der Batterie skaliert dazu jedes Batteriezellüberwachungsmodul 22 die relevante Steuergröße P1 oder P2, das heißt, die identisch empfangenen und in Abhängigkeit von dem Schaltzustand der zugeordneten Batteriezelle 21 ausgewählte Steuergröße P1 oder P2, in Abhängigkeit von einem Gütefaktor, der in Abhängigkeit von einem Ladungszustand (SOC) und einem Alterungszustand (SOH) der zugeordneten Batteriezelle 21 berechnet wird. Zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung U der Batterie werden im Ergebnis während eines Entladevorgangs ausgeschaltete Batteriezellen 21 mit einem höheren Gütefaktor mit einer größerer Wahrscheinlichkeit eingeschaltet als Batteriezellen 21 mit einem niedrigeren (geringeren) Gütefaktor, und, umgekehrt, werden Batteriezellen 21 mit einem niedrigeren Gütefaktor mit größerer Wahrscheinlichkeit ausgeschaltet, als Batteriezellen 21 mit einem höheren Gütefaktor. Zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung U der Batterie werden im zeitlichen Mittel Batteriezellen 21 mit einem niedrigeren Gütefaktor weniger häufig entladen, wodurch ein aktiver Batteriezellfunktionszustandsausgleich der Batteriezellen 21 erreicht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Schalten von mehreren Batteriezellen einer als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten Batterie bereitgestellt. Dabei werden die Batteriezellen jeweils mit einer entsprechenden ersten Wahrscheinlichkeit an die Batterie elektrisch gekoppelt und jeweils mit einer entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeit von der Batterie elektrisch entkoppelt. Ferner sind die Batteriezellen in Reihe miteinander schaltbar. Bei dem Verfahren wird für jede Batteriezelle ein Gütefaktor als eine Summe zwischen einer ersten Funktion, die von einem Ladezustand der entsprechenden Batteriezelle insbesondere linear abhängig ist, und einer zweiten Funktion, die von einem Produkt zwischen einem Stromwert eines Stromes, der dann durch die entsprechende Batteriezelle fließt, wenn diese an die Batterie elektrisch gekoppelt ist, und dem Innenwiderstand der entsprechenden Batteriezelle insbesondere linear abhängig ist, berechnet. Ferner werden für jede Batteriezelle die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit und die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit jeweils in Abhängigkeit von dem berechneten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle bestimmt.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Batteriesystem mit einer als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten Batterie mit mehreren Batteriezelleinheiten bereitgestellt, die jeweils eine Batteriezelle und ein der Batteriezelle zugeordnetes Batteriezellüberwachungsmodul umfassen. Dabei ist jedes Batteriezellüberwachungsmodul dazu ausgebildet, die zugeordnete Batteriezelle mit einer entsprechenden ersten Wahrscheinlichkeit an die Batterie elektrisch zu koppeln und mit einer entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeit von der Batterie elektrisch zu entkoppeln. Auch sind die Batteriezellen mittels der zugeordneten Batteriezellüberwachungsmodule in Reihe miteinander schaltbar. Ferner ist jedes Batteriezellüberwachungsmodul dazu ausgebildet, einen Gütefaktor der zugeordneten Batteriezelle als eine Summe zwischen einer ersten Funktion, die von einem Ladezustand der zugeordneten Batteriezelle insbesondere linear abhängig ist, und einer zweiten Funktion, die von einem Produkt zwischen einem Stromwert eines Stromes, der dann durch die zugeordnete Batteriezelle fließt, wenn diese an die Batterie elektrisch gekoppelt ist, und dem Innenwiderstand der zugeordneten Batteriezelle insbesondere linear abhängig ist, zu berechnen. Auch ist jedes Batteriezellüberwachungsmodul dazu ausgebildet, für die zugeordnete Batteriezelle die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit und die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit jeweils in Abhängigkeit von dem berechneten Gütefaktor der zugeordneten Batteriezelle zu bestimmen.
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Bei der Erfindung wird unter dem Stromwert eines Stromes der positiv definierte Betrag des entsprechenden Stromes verstanden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist/sind die erste Wahrscheinlichkeit für jede Batteriezelle beim Entladen der Batterie eine monoton steigende insbesondere lineare und beim Aufladen der Batterie eine monoton fallende insbesondere lineare Funktion von dem Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle und/oder die zweite Wahrscheinlichkeit für jede Batteriezelle beim Entladen der Batterie eine monoton fallende insbesondere lineare und beim Aufladen der Batterie eine monoton steigende insbesondere lineare Funktion von dem Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle. Vorzugsweise ist/sind die in dem Ausdruck des Gütefaktors jeder Batteriezelle vorkommende erste Funktion sowohl beim Entladen der Batterie als auch beim Aufladen der Batterie eine monoton steigende insbesondere lineare Funktion von dem Ladezustand der entsprechenden Batteriezelle und/oder die in dem Ausdruck des Gütefaktors jeder Batteriezelle vorkommende zweite Funktion beim Entladen der Batterie eine monoton fallende insbesondere lineare und beim Aufladen der Batterie eine monoton steigende insbesondere lineare Funktion von dem Produkt zwischen dem Stromwert des Stromes, der dann durch die entsprechende Batteriezelle fließt, wenn diese an die Batterie gekoppelt ist, und dem Innenwiderstand der entsprechenden Batteriezelle.
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Bei der Erfindung kann jede von der Batterie elektrisch entkoppelte Batteriezelle, das heißt, jede ausgeschaltete Batteriezelle, mit einer ersten Wahrscheinlichkeit, die beim Entladen der Batterie eine monoton steigende insbesondere lineare und beim Aufladen der Batterie eine monoton fallende insbesondere lineare Funktion von dem Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle ist, an die Batterie elektrisch gekoppelt, das heißt, eingeschaltet werden. Das bedeutet, dass beim Entladen der Batterie je größer der Gütefaktor einer ausgeschalteten Batteriezelle ist, desto häufiger wird diese Batteriezelle eingeschaltet und, umgekehrt, dass je geringer der Gütefaktor einer ausgeschalteten Batteriezelle ist, desto seltener wird diese Batteriezelle eingeschaltet. Das bedeutet ferner, dass beim Aufladen der Batterie je größer der Gütefaktor einer ausgeschalteten Batteriezelle ist, desto seltener wird diese Batteriezelle eingeschaltet und, umgekehrt, dass je geringer der Gütefaktor einer ausgeschalteten Batteriezelle ist, desto häufiger wird diese Batteriezelle eingeschaltet. Ferner kann jede eingeschaltete Batteriezelle mit einer zweiten Wahrscheinlichkeit, die beim Entladen der Batterie eine monoton fallende insbesondere lineare und beim Aufladen der Batterie eine monoton steigende insbesondere lineare Funktion von dem Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle ist, ausgeschaltet werden. Das bedeutet, dass beim Entladen der Batterie je größer der Gütefaktor einer eingeschalteten Batteriezelle ist, desto seltener wird diese Batteriezelle ausgeschaltet und, umgekehrt, dass je geringer der Gütefaktor einer eingeschalteten Batteriezelle ist, desto häufiger wird diese Batteriezelle ausgeschaltet. Das bedeutet ferner, dass beim Aufladen der Batterie je größer der Gütefaktor einer eingeschalteten Batteriezelle ist, desto häufiger wird diese Batteriezelle ausgeschaltet und, umgekehrt, dass je geringer der Gütefaktor einer eingeschalteten Batteriezelle ist, desto seltener wird diese Batteriezelle ausgeschaltet. Insgesamt wird eine Batteriezelle mit einem größeren Gütefaktor intensiver entladen als eine Batteriezelle mit einem kleineren Gütefaktor.
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Erfindungsgemäß kann ferner für jede Batteriezelle mittels des ihr zugeordneten Batteriezellüberwachungsmoduls ein Gütefaktor als eine Summe zwischen einer ersten, sowohl beim Entladen der Batterie als auch beim Aufladen der Batterie monoton steigenden insbesondere linearen Funktion von einem Ladezustand der entsprechende Batteriezelle und einer zweiten, beim Entladen der Batterie monoton fallenden insbesondere linearen und beim Aufladen der Batterie monoton steigenden insbesondere linearen Funktion von dem Produkt zwischen dem Stromwert des Stromes, der dann durch die entsprechende Batteriezelle fließt, wenn diese eingeschaltet ist, und dem Innenwiderstand der entsprechenden Batteriezelle berechnet werden. Da durch Batteriezellen, die in Reihe miteinander geschaltet sind, derselbe Strom fließt und sich der Innenwiderstand jeder Batteriezelle proportional zu dem Alterungszustand der entsprechenden Batteriezelle verhält, wird folglich jede Batteriezelle, die gegenüber mindesten einer weiteren Batteriezelle den größeren Ladezustand aber den gleichen Innenwiderstand beziehungsweise den gleichen Alterungszustand aufweist, beim Entladen der Batterie häufiger und beim Aufladen der Batterie seltener als die mindestens eine weitere Batteriezelle belastet. Umgekehrt wird auch jede Batteriezelle, die gegenüber mindestens einer weiteren Batteriezelle den kleineren Ladezustand aber den gleichen Innenwiderstand beziehungsweise den gleichen Alterungszustand aufweist, beim Entladen der Batterie seltener und beim Aufladen der Batterie häufiger als die mindestens eine weitere Batteriezelle belastet. Folglich wird auch jede Batteriezelle, die gegenüber mindestens einer weiteren Batteriezelle den gleichen Ladezustand aber den größeren Innenwiderstand aufweist beziehungsweise stärker gealtert ist, sowohl beim Entladen der Batterie als auch beim Aufladen der Batterie seltener als die mindestens eine weitere Batteriezelle belastet. Umgekehrt wird auch jede Batteriezelle, die gegenüber mindestens einer weiteren Batteriezelle den gleichen Ladezustand aber den kleineren Innenwiderstand aufweist beziehungsweise weniger gealtert ist, sowohl beim Entladen der Batterie als auch beim Aufladen der Batterie häufiger als die mindestens eine weitere Batteriezelle belastet. Da hohe Ströme die Alterung jeder Batteriezelle beschleunigen und stärker gealterte Batteriezellen erhöhte Innenwiderstände aufweisen, wird durch die Erfindung eine gleichmäßige Alterung von erfindungsgemäß geschalteten Batteriezellen erreicht.
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Zusammengefasst wird erfindungsgemäß für jede Batteriezelle einer Batterie eines erfindungsgemäßen Batteriesystems ein Gütefaktor verwendet, der in Abhängigkeit von dem Ladezustand und dem Alterungszustand der entsprechenden Batteriezelle jeweils derartig berechnet wird, dass mittels jedes Gütefaktors der Funktionszustand der entsprechenden Batteriezelle angegeben wird. Dabei kann basierend auf den erfindungsgemäß berechneten Gütefaktoren der Batteriezellen einer Batterie eines erfindungsgemäßen Batteriesystems ein aktiver Batteriezellfunktionszustandsausgleich durchgeführt werden, durch den ein Ausgleich zwischen Batteriezellen mit unterschiedlichen Selbstentladungen und unterschiedlichen chemischen Kapazitäten und eine gleichmäßige Alterung der Batteriezelle gleichzeitig erreicht werden. Das bedeutet, dass Batteriezellen mit geringeren Selbstentladungen und größeren chemischen Kapazitäten öfter entladen und öfter geladen werden als Batteriezellen mit höheren Selbstentladungen und kleineren chemischen Kapazitäten und, umgekehrt, dass Batteriezellen mit höheren Selbstentladungen und kleineren chemischen Kapazitäten seltener entladen und seltener geladen werden als Batteriezellen mit geringeren Selbstentladungen und größeren chemischen Kapazitäten. Gleichzeitig werden bessere Batteriezellen so belastet, dass diese stärker als schlechtere Batteriezellen altern, und, umgekehrt, schlechtere Batteriezellen so belastet, dass diese weniger als bessere Batteriezellen altern.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden zur Berechnung des Gütefaktors jeder Batteriezelle der Ladezustand der entsprechenden Batteriezelle, eine erste Spannung, die dann an der entsprechenden Batteriezelle anliegt, wenn diese an die Batterie gekoppelt ist, und eine zweite Spannung, die dann an der entsprechenden Batteriezelle anliegt, wenn diese von der Batterie entkoppelt ist, gemessen. Ferner wird einen Betrag einer Differenz zwischen der entsprechenden ersten Spannung und der entsprechenden zweiten Spannung, der mit dem Produkt zwischen dem Stromwert des Stromes, der dann durch die entsprechende Batteriezelle fließt, wenn diese an die Batterie gekoppelt ist, und dem Innenwiderstand der entsprechenden Batteriezelle identisch ist, bestimmt.
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Vorzugsweise wird der Gütefaktor Gi jeder Batteriezelle beim Entladen der Batterie gemäß dem in der nachfolgenden Relation (1) angegebenen Ausdruck und beim Aufladen der Batterie gemäß dem in der nachfolgenden Relation (2) angegebenen weiteren Ausdruck berechnet, wobei i eine natürliche Zahl ist, die zwischen 1 und der mit n bezeichneten Anzahl der in einer Batterie eines erfindungsgemäßen Batteriesystems vorhandenen Batteriezellen liegt, LZi der Ladezustand der entsprechenden i-ten Batteriezelle ist, U1i die erste Spannung ist, die dann an der entsprechenden i-te Batteriezelle anliegt, wenn diese von der Batterie entkoppelt ist, U2i die zweite Spannung ist, die dann an der entsprechenden i-ten Batteriezelle anliegt, wenn diese an die Batterie gekoppelt ist, und wobei U0 eine positive Normierungsgröße von beispielsweise 0,25 V ist, die insbesondere derartig ausgewählt wird, dass die Ungleichung │(U1i – U2i)│/│U0│ ≤ 1 gültig ist. Dabei sind k1 und k2 zwei für die Berechnung des Gütefaktors Gi der entsprechenden i-ten Batteriezelle geeignet ausgewählte positive Konstanten: Gi = k1·LZi + k2·(1 – (│(U1i – U2i)│/│U0│)); k1 + k2 = 1 (1) Gi = k1·LZi + k2·((│(U1i – U2i)│/│U0│)); k1 + k2 = 1 (2)
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Vorzugsweise wird in den Relationen 1 und 2 der Ausdruck (│(U1i – U2i)│/│U0│ mit einer Konstante mit einem Wert von 1 ersetzt, wenn, bei ausgewählter Normierungskonstante U0, die weitere Ungleichung │(U1i – U2i)│/│U0│ > 1 gültig ist.
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Folglich kann der Gütefaktor jeder Batteriezelle mittels des jeweils zugeordneten Batteriezellüberwachungsmoduls in einer sehr einfachen Weise berechnet werden.
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Bevorzugt werden für jede Batteriezelle eine mit einem ersten Faktor skalierte erste Steuergröße als die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit und eine mit einem zweiten Skalierungsfaktor skalierte zweite Steuergröße als die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit verwendet. Dabei sind die erste Steuergröße und die zweite Steuergröße jeweils unabhängig von dem Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle. Auch sind der erste Faktor und der zweite Faktor jeweils in Abhängigkeit von dem Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle vordefiniert.
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Vorzugsweise werden für alle Batteriezellen dieselbe erste Steuergröße und dieselbe zweite Steuergröße verwendet.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung der Batterie die erste Steuergröße und die zweite Steuergröße vorgegeben. Vorzugsweise wird eine aktuelle Ausgangsspannung der Batterie gemessen und mit der gewünschten Ausgangsspannung der Batterie verglichen. Ferner werden beim Vorliegen einer Differenz zwischen der aktuellen Ausgangsspannung und der gewünschten Ausgangsspannung die erste Steuergröße und die zweite Steuergröße derartig verändert, dass der Betrag der Differenz zwischen der aktuellen Ausgangsspannung und der gewünschten Ausgangsspannung minimiert wird. Dabei sind die gemessene aktuelle Ausgangsspannung und die gewünschte Ausgangsspannung bevorzugt keine momentanen Werte der entsprechenden Spannungen, sondern Durchschnittswerte der entsprechenden Spannungen über mehrere Regelungszyklen oder statistische Mittelwerte der entsprechenden Spannungen.
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Vorzugsweise sind die Batteriezellen einer Batterie eines erfindungsgemäßen Batteriesystems Lithium-Ionen-Batteriezellen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnungen im Detail beschrieben. Für gleiche Komponenten werden auch die gleichen Bezugszeichen verwendet. In den Zeichnungen ist:
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1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem,
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2 ein Batteriesystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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3 ein Ersatzschaltbild einer in einer Batterie des gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Batteriesystems einsetzbaren Batteriezelleinheit, deren Batteriezelle eingeschaltet ist und entladen wird, und,
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4 ein Ersatzschaltbild einer weiteren in der Batterie des gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Batteriesystems einsetzbaren Batteriezelleinheit, deren Batteriezelle eingeschaltet ist und aufgeladen wird.
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Ausführungsformen der Erfindung
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 100 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Sowie das in der 1 dargestellte und aus dem Stand der Technik bekannte Batteriesystem umfasst das erfindungsgemäße Batteriesystem 100 eine als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildete Batterie 111 mit mehreren Batteriezelleinheiten 120, die jeweils eine Batteriezelle 21 und ein der Batteriezelle 21 zugeordnetes Batteriezellüberwachungsmodul 122 umfassen. Auch bei dem erfindungsgemäße Batteriesystem 100 ist jedes Batteriezellüberwachungsmodul 122 dazu ausgebildet, die zugeordnete Batteriezelle 21 mit einer entsprechenden ersten Wahrscheinlichkeit P1i einzuschalten, das heißt, an die Batterie 111 elektrisch zu koppeln und mit einer entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeit P2i auszuschalten, das heißt, von der Batterie 111 elektrisch zu entkoppeln. Ferner sind auch die Batteriezelleinheiten 122 des erfindungsgemäßen Batteriesystems 100 derartig vorgesehen, dass wenn die entsprechenden Batteriezellen 21 eingeschaltet sind, diese in Reihe miteinander geschaltet sind, das heißt, dass auch hier die eingeschalteten Batteriezellen 21 jeweils in positiver oder negativer Polarität in eine Reihenschaltung eingebracht werden können.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem 100 unterscheidet sich von dem in der 1 dargestellten Batteriesystem durch die Funktionalität der den Batteriezellen 21 zugeordneten Batteriezellüberwachungsmodule 122. Die erfindungsgemäßen Batteriezellüberwachungsmodule 122 sind dazu ausgebildet, die für die Skalierung der von der zentrale Steuereinheit 30 vorgegebenen Steuergrößen P1 und P2 verwendeten Gütefaktoren Gi der zugeordneten Batteriezellen 21 und folglich auch die entsprechenden ersten Wahrscheinlichkeiten P1i und die entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeiten P2i anders als die Batteriezellüberwachungsmodule des in der 1 dargestellten Batteriesystems zu bestimmen. Dadurch wird ein effektiverer Funktionszustandsausgleich der Batteriezellen 21 erreicht. Im Folgenden wird die Funktionalität jedes erfindungsgemäßen Batteriezellüberwachungsmoduls 122 näher beschrieben.
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Dazu ist in der 3 ein Ersatzschaltbild einer in der Batterie 111 des gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Batteriesystems 100 einsetzbaren Batteriezelleinheit 120 dargestellt, dessen Batteriezelle 21 über ihre zwei Batteriezellterminals 26, 27 an die Batteriezelle 111 elektrisch gekoppelt ist und mittels eines Entladestroms I entladen wird. Ferner ist in der 4 ein Ersatzschaltbild einer weiteren in der Batterie 111 des gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Batteriesystems 100 einsetzbaren Batteriezelleinheit 120 dargestellt, dessen Batteriezelle 21 über ihre zwei Batteriezellterminals 26, 27 an die Batterie 111 elektrisch gekoppelt ist und durch einen Ladestrom –I aufgeladen wird. Da auch bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 100 alle eingeschalteten Batteriezellen 21 in Reihe miteinander geschaltet sind, fließt durch alle eingeschalteten Batteriezellen derselbe Strom I, –I. In den 3 und 4 sind auch die der Batteriezellen 21 zugeordneten Batteriezellüberwachungsmodule 122 jeweils dargestellt. Da jede in der Batterie 111 vorkommende Batteriezelleinheit 120 denselben Aufbau hat, wird im Folgenden für die verwendeten Größen, durch die der Funktionszustand der Batteriezellen 21 der in den 3 und 4 dargestellten Batteriezelleinheiten 120 angegeben wird, derselbe Index i verwendet, der eine natürliche Zahl ist, die zwischen 1 und der mit n bezeichnete Anzahl der in der Batterie 111 vorkommenden Batteriezelleinheiten 120 liegt.
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Anders als die Batteriezellüberwachungsmodule des in der 1 dargestellten Batteriesystems ist jedes erfindungsgemäße Batteriezellüberwachungsmodul 122 dazu ausgebildet, einen Ladezustand LZi der zugeordneten Batteriezelle 21, eine erste Spannung U1i, die dann an der zugeordneten Batteriezelle 21 anliegt, wenn diese einschaltet ist, und eine zweite Spannung U2i, die dann an der zugeordneten Batteriezelle 21 anliegt, wenn diese ausgeschaltet ist, zu messen. Der Innenwiderstand der Batteriezellen 21 der in der 3 und 4 dargestellten Batteriezelleinheiten 120 wurde mit Ri gekennzeichnet.
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Für die durch den Entladestrom I entladene Batteriezelle 21 der in der 3 dargestellten Batteriezelleinheit 120 gilt die Relation (3): U2i = U1i – I·Ri (3)
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Für die durch den Ladestrom –I aufgeladene Batteriezelle 21 der in der 4 dargestellte Batteriezelleinheit 120 gilt die Relation (4): U2i = U1i – (–I·Ri) (4)
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In der Relation (4) wurde berücksichtigt, dass der Ladestrom –I negativ ist.
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Gemäß den Relationen (3) und (4) ist für jede eingeschaltete Batteriezelle 21 der Betrag der Differenz zwischen der entsprechenden ersten Spannung U1i und der entsprechenden zweiten Spannung U2i gleich mit dem Produkt zwischen dem Stromwert I des durch die entsprechende Batteriezelle 21 fließenden Entladestroms I oder Ladestromes –I und dem Innenwiderstand Ri der entsprechenden Batteriezelle 21. Hier wird unter dem Stromwert I eines Stromes I, –I der positiv definierte Betrag │I│, │–I│ des entsprechenden Stromes I, –I verstanden. Diese Gleichungen sind in den Relationen 5 und 6 dargestellt: │(U1i – U2i)│ = │I│·Ri (5) │(U1i – U2i)│ = │–I│·Ri (6)
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Jedes erfindungsgemäße Batteriezellüberwachungsmodul 122 ist dazu ausgebildet, beim Entladen der Batterie 111 einen Gütefaktor Gi der zugeordneten Batteriezelle 21 gemäß der in der allgemeinen Beschreibung schon eingeführten Relation (1) zu berechnen: Gi = k1·LZi + k2·(1 – (│(U1i – U2i)│/│U0│)); k1 + k2 = 1 (1)
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Ferner ist jedes erfindungsgemäße Batteriezellüberwachungsmodul 122 dazu ausgebildet, beim Aufladen der Batterie 111 einen Gütefaktor Gi der zugeordneten Batteriezelle 21 gemäß der in der allgemeinen Beschreibung schon eingeführten Relation (2) zu berechnen: Gi = k1·LZi + k2·((│(U1i – U2i)│/│U0│)); k1 + k2 = 1 (2)
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In den Relationen 1 und 2 ist U0, eine positive Normierungsgröße von beispielsweise 0,25 V, die insbesondere derartig ausgewählt wird, dass die Ungleichung │(U1i – U2i)│/│U0│ ≤ 1 gültig ist. Ferner sind k1 und k2 zwei für die Berechnung des Gütefaktors Gi jeder Batteriezelle 21 geeignet ausgewählte positive Konstanten.
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Bei geeigneter Wahl der Konstanten k1 und k2 wird folgendes erreicht:
Fließt kein Strom I, –I durch die Batteriezellen 21 der erfindungsgemäßen Batterie 111, ist für jede Batteriezelle 21 das Produkt zwischen dem entsprechenden Stromwert I und dem Innenwiderstand Ri der entsprechenden Batteriezelle 21 gleich Null, das heißt, dass für jede Batteriezelle 21 auch die Größe │(U1i – U2i)│ gleich Null ist, die den Betrag der Differenz zwischen der entsprechenden ersten Spannung Ui1 und der entsprechenden zweiten Spannung Ui2 darstellt. Dadurch wird der Gütefaktor Gi jeder Batteriezelle 21 nur von dem Ladezustand LZi der entsprechenden Batteriezelle beeinflusst. Steigt der Stromwert I des durch die Batterie 111 des erfindungsgemäßen Batteriesystems 100 fließenden Stromes I, –I an, so steigt auch die entsprechende Größe │(U1i – U2i)│ proportional zum Stromwert I des Stromes I, –I und dem Innenwiderstand Ri der entsprechenden Batteriezelle 21 an. Da ein durch die erfindungsgemäße Batterie 111 fließender Strom I, –I für alle Batteriezellen 21 denselben Stromwert I hat, bedeutet das, dass bei Vorliegen von Entladeströmen I mit hohen Stromwerten I Batteriezellen 21 mit erhöhtem Innenwiderstand Ri einen geringeren Gütefaktor Gi erhalten, als Batteriezellen 21 mit geringerem Innenwiderstand Ri und, dass bei Vorliegen von Ladeströmen –I mit hohen Stromwerten I Batteriezellen 21 mit erhöhtem Innenwiderstand Ri einen größeren Gütefaktor Gi erhalten, als Batteriezellen 21 mit geringerem Innenwiderstand Ri.
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Folglich werden Batteriezellen 21 mit erhöhtem Innenwiderstand Ri sowohl beim Vorliegen von Entladeströmen I mit hohen Stromwerten I als auch beim Vorliegen von Ladeströmen –I mit hohen Stromwerten I seltener eingeschaltet und dadurch weniger belastet. Da sowohl Entladeströme I als auch Ladeströme –I mit hohen Stromwerten I die Alterung jeder Batteriezelle 21 beschleunigen und sich der Innenwiderstand Ri jeder Batteriezelle 21 proportional zum Alterungszustand der entsprechenden Batteriezelle 21 verhält, kann basierend auf den erfindungsgemäß berechneten Gütefaktoren Gi der Batteriezellen 21 eine gleichmäßige Alterung der Batteriezellen 21 erreicht werden.
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Wie zuvor schon erwähnt, ist die zentrale Steuereinheit 30 auch bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 100 dazu ausgebildet, die erste Steuergröße P1 und die zweite Steuergröße P2 vorzugeben und an die Batteriezellüberwachungsmodule 122 über die Kommunikationstrecke 31 zu übermitteln.
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Zusammengefasst ist jedes erfindungsgemäße Batteriezellüberwachungsmodul 122 dazu ausgebildet, für die zugeordnete Batteriezelle 21 die mit einem entsprechenden ersten Faktor f1i skalierte erste Steuergröße P1 als die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P1i und die mit einem zweiten Faktor f2i skalierte zweite Steuergröße P2 als die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i zu verwenden. Da eine einzelne erste Steuergröße P1 und eine einzelne zweite Steuergröße P2 von der zentrale Steuereinheit für alle Batteriezellen 21 vorgegeben werden, sind sowohl die erste Steuergröße P1 als auch die zweite Steuergröße P2 jeweils unabhängig von dem Gütefaktor Gi irgendeiner Batteriezelle 21. Der erste Faktor f1i und der zweite Faktor f1i sind dagegen jeweils in Abhängigkeit von dem erfindungsgemäß berechneten Gütefaktor Gi der zugeordneten Batteriezelle 21 vordefiniert.
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Folglich ist jedes erfindungsgemäße Batteriezellüberwachungsmodul 122 dazu ausgebildet, für die zugeordnete Batteriezelle 21 eine entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P1i beim Entladen der Batterie (111) gemäß der Relation (7) und beim Aufladen der Batterie (111) gemäß der Relation (8) zu bestimmen und eine entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i beim Entladen der Batterie (111) gemäß der Relation (9) und beim Aufladen der Batterie (111) gemäß der Relation (10) zu bestimmen: P1i = f1i·P1 = Gi·P1 (7) P1i = f1i·P1 = (1 – Gi)·P1 (8) P2i = f2i·P2 = (1 – Gi)·P2 (9) P2i = f2i·P2 = Gi·P2 (10)
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In den Relationen 7 bis 10 sind P1 die erste Steuergröße, P2 die zweite Steuergröße, f1i der entsprechende erste Faktor und f2i der entsprechende zweite Faktor.
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Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 2 bis 4 Bezug genommen.
