DE102016206919A1

DE102016206919A1 - Batterievorrichtung mit Batteriezellen und Verfahren zum Ausbalancieren von Ladungszuständen der Batteriezellen der Batterievorrichtung

Info

Publication number: DE102016206919A1
Application number: DE102016206919.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Maiwald
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-10-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung (1) mit mehreren Batteriezellen (7), die zum Bereitstellen einer Gesamtspannung (U0) zu einer Reihenschaltung (8) verschaltet sind, wobei jeweils zwei direkt miteinander verschaltete Batteriezellen (7) ein Zellenpaar (9) darstellen und für jedes Zellenpaar (9) jeweils eine interne Balancierschaltung (11) zum Erzeugen eines internen Ausgleichsstroms (I_i) zwischen den Batteriezellen (7) des Zellenpaars (9) vorgesehen ist. Die Erfindung sieht vor, dass die Zellenpaare (9) untereinander über externe Balancierschaltungen (17) zum Erzeugen eines jeweiligen externen Ausgleichsstroms (I_i) zwischen den Zellenpaaren (9) verschaltet sind und für jedes Zellenpaar (9) ein jeweiliges Modul (12) bereitgestellt ist, welches dazu eingerichtet ist, die interne Balancierschaltung (11) seines Zellenpaars (9) zum Einstellen des internen Ausgleichsstroms (I_i) gemäß vorgegebenen Stromvorgabedaten (20) zu steuern, und zumindest einige der Module (12) dazu eingerichtet sind, in Abhängigkeit von den Stromvorgabedaten (20) jeweils zumindest eine der externen Balancierschaltungen (17) zum Einstellen der externen Ausgleichsströme (I_i) zu steuern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung mit mehreren Batteriezellen, die zum Bereitstellen einer Gesamtspannung zu einer Reihenschaltung verschaltet sind. Die Gesamtspannung stellt also die Summe der Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen dar. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben der Batterievorrichtung, um die Batteriezellen auszubalancieren, d.h. die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen aneinander anzugleichen.
Die besagte Batterievorrichtung kann beispielsweise eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug sein. Unter „Hochvolt“ ist im Zusammenhang mit der Erfindung eine elektrische Spannung zu verstehen, deren Spannungswert größer als 60 Volt ist. Batteriezellen einer Batterievorrichtung können beispielsweise auf der Lithium-Ionen-Technologie beruhen. Solche Batteriezellen erleiden dauerhaften Schaden, falls sie mit einer Überspannung aufgeladen werden oder unter einen Tiefentladewert entladen werden. Da die Batteriezellen in einer Reihenschaltung verschaltet sind, fließt aber durch alle Batteriezellen derselbe Ladestrom bzw. Entladungsstrom, falls keine Balancierschaltung bereitgestellt ist. Hierdurch wird bei ungleichmäßig gebauten und/oder verschlissenen Batteriezellen die Batteriezelle mit der geringsten Speicherkapazität über ihre maximal nutzbare Kapazität betrieben, während die Batteriezellen mit der größten Speicherkapazität eine höhere Restladung behalten.
Um einen aktuellen Zellzustand einer Batteriezelle zu ermitteln, kann ein Zellmodell verwendet werden, wie es z.B. DE 10 2014 215 769 A1 beschrieben ist.
Eine aktive Balancierschaltung ist beispielsweise von dem Unternehmen Lineal Technology unter der Produktbezeichnung LTC6804 (TM) erhältlich.
Diese Balancierschaltung ist derart ausgeführt, dass von einer Batterie mit einer Anzahl N von Batteriezellen der von einer einzelnen Batteriezelle abzuführende Strom der gesamten Batterie zugeführt wird. Die Balancierschaltung muss daher für die Gesamtspannung der Batterievorrichtung, d.h. N mal die Zellspannung, ausgelegt sein. Bei einer Gesamtspannung von mehreren 100 Volt (Hochvolt) ist eine entsprechend robuste elektronische Schaltung nötig, was die Herstellung einer Batterievorrichtung teuer macht.
Aus der US 2014/0035360 A1 ist bekannt, Balancierschaltungen auf der Grundlage einer Komparatorschaltung mit einem Operationsverstärker zu bilden. Die Komparatorschaltungen können hierarchisch verschaltet sein, um jeweils unterschiedlich viele Batteriezellen auszubalancieren. Komparatorschaltungen mit einem Operationsverstärkern eignen sich allerdings nur für sehr geringe Spannungslagen. Insbesondere ist keine Hochvolteignung gegeben. Zudem ist mit den Komparatorschaltungen kein aktives Cell-Balancing (Zell-Angleichung) möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Batterievorrichtung mehrere in einer Reihenschaltung zusammen geschaltete Batteriezellen jeweils schonend zu betreiben.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
Durch die Erfindung ist eine Batterievorrichtung mit mehreren Batteriezellen bereitgestellt. Die Batteriezellen sind zu einer Reihenschaltung verschaltet, um die besagte Gesamtspannung bereitzustellen.
Um hierbei aufwandsarm die Batteriezellen schonend zu betreiben, werden die Batteriezellen in ihrer Zellspannung mittels Balancierschaltungen aneinander angeglichen. Die Balancierschaltungen sind jeweils als ein Schaltregler ausgestaltet. Beispielsweise kann also jede Balancierschaltung eine Induktivität sowie zwei Schaltelemente umfassen. Die besagten Ausgleichsströme stellen dann den jeweiligen Spulenstrom der Induktivität der Balancierschaltung dar. Ein Schaltelement kann z.B. als MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ausgestaltet sein. Schaltregler als Balancierschaltungen lassen sich mit besonders geringem technischen Aufwand in einer Batterievorrichtung bereitstellen. Ein geeigneter Schaltregler ist beispielsweise unter dem Produktnamen PowerPump (TM) bei dem Unternehmens Texas Instruments erhältlich.
Hierbei sind jeweils zwei direkt miteinander in der Reihenschaltung verschaltete Batteriezellen zu einem Zellenpaar kombiniert. Jede Batteriezelle ist hierbei Bestandteil genau eines der Zellenpaare. Für jedes Zellenpaar ist jeweils eine interne Balancierschaltung zum Erzeugen eines internen Ausgleichsstroms zwischen den Batteriezellen des Zellenpaars vorgesehen. Zwei benachbarte Batteriezellen werden also mittels der internen Balancierschaltung des Zellenpaars ausbalanciert oder in ihrer Zellspannung aneinander angeglichen.
Die Zellenpaare sind untereinander über externe Balancierschaltungen zum Erzeugen eines jeweiligen externen Ausgleichsstroms zwischen den Zellenpaaren verschaltet. Hierdurch ist also das Austauschen von elektrischer Ladung zwischen den Zellenpaaren ermöglicht. Für jedes Zellenpaar ist jeweils ein Modul bereitgestellt, welches dazu eingerichtet ist, Stromvorgabedaten zu empfangen. Die Stromvorgabedaten können durch eine zentrale Steuereinrichtung der Batterievorrichtung erzeugt werden. Eine solche Steuereinrichtung ist im Folgenden als Mastermodul oder kurz Master bezeichnet. Jedes Modul ist des Weiteren dazu eingerichtet, die interne Balancierschaltung seines Zellenpaars gemäß den Stromvorgabedaten zu steuern, um den internen Ausgleichsstrom des Zellenpaars einzustellen. Die Vorgabedaten beinhalten also für jedes Zellenpaar eine Angabe eines jeweiligen internen Ausgleichsstroms, der fließen muss, damit die Batteriezellen untereinander balanciert oder ausgeglichen werden. Zumindest einige der Module sind dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von den Stromvorgabedaten jeweils zumindest eine der externen Balancierschaltungen zum Einstellen der externen Ausgleichsströme zu steuern. Jedes Modul stellt also ein Steuermodul oder eine Steuerschaltung dar, durch welches in jedem Zellenpaar der interne Ausgleichsstrom mittels der internen Balancierschaltung eingestellt oder gesteuert wird. Auch die externen Balancierschaltungen werden durch jeweils eines der Module gesteuert, um zwischen den Zellenpaaren mittels der externen Balancierschaltungen die externen Ausgleichsströme einzustellen oder zu steuern. Hierzu können die Stromvorgabedaten Angaben zu den externen Ausgleichsströmen enthalten.
Somit ist ausgehend von den Modulen mittels der Schaltregler ein aktives Cell-Balancing möglich. Durch die Erfindung ergibt sich hierbei der Vorteil, dass alle Balancierschaltungen bis auf eine der externe Balancierschaltungen bei einer elektrischen Spannung betrieben werden können, die kleiner als die Gesamtspannung ist. Insbesondere wird jede interne Balancierschaltung lediglich bei einer elektrischen Spannung betrieben, die der Summe der beiden Batteriezellen des zugehörigen Zellenpaars entspricht. Bei einer Reihenschaltung von beispielsweise ein mehr als 10, insbesondere mehr als 50 Batteriezellen, ist die elektrische Spannung des Zellenpaars entscheidend geringer, sodass jede interne Balancierschaltung technisch auf einer anderen (günstigeren) Technologie bereitgestellt werden kann als eine Balancierschaltung, die bei der Gesamtspannung betrieben wird. Die Balancierschaltungen bilden bevorzugt eine Baumstruktur, die insbesondere drei oder mehr als drei Ebenen aufweist. Die internen Balancierschaltungen bilden dabei insbesondere die Blätter der Baumstruktur. Die Wurzel der Baumstruktur wird durch die externe Balancierschaltung, die mit der Gesamtspannung betrieben wird, gebildet. Dazwischen befindet sich bevorzugt eine weitere Ebene mit externen Balancierschaltungen, wobei ausgehend von den internen Balancierschaltungen jede nächst-höhere Ebene weniger Balancierschaltungen aufweist.
Durch den Betrieb der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung ergibt sich das erfindungsgemäße Verfahren. Jedes Modul empfängt Stromvorgabedaten beispielsweise aus einem Mastermodul und steuert die interne Balancierschaltung seines Zellenpaars zum Einstellen des internen Ausgleichsstroms gemäß den Stromvorgabedaten. Zumindest einige der Module steuern in Abhängigkeit von den Stromvorgabedaten auch jeweils eine der externen Balancierschaltungen zum Einstellen der externen Ausgleichsströme.
Zu der Erfindung gehören auch vorteilhafte Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Bevorzugt ist jedes Modul dazu eingerichtet, bei einer Versorgungsspannung, die kleiner als die Gesamtspannung ist, betrieben zu werden. Hierzu sind Versorgungsanschlüsse des Moduls zum Empfangen der Versorgungsspannung nur mit den Batteriezellen seines Zellpaares oder mit nur einigen der Batteriezellen der Batterievorrichtung derart verschaltet, dass sie einen Stromkreis bilden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die elektronischen Bauteile des Moduls nicht für den Betrieb bei der Gesamtspannung, also insbesondere bei Hochvoltspannung, ausgelegt sein müssen. Insbesondere ist jedes Modul dazu ausgelegt, bei einer Versorgungsspannung von weniger als 50 Volt, insbesondere weniger als 20 Volt, betrieben zu werden. Auch eine Steuerelektronik für die externen Balancierschaltungen kann dazu ausgelegt sein, mit einer Versorgungsspannung von weniger als der Gesamtspannung betrieben zu werden. Bevorzugt wird lediglich eine der externen Balancierschaltungen mit der Gesamtspannung als Versorgungsspannung betrieben.
Durch die Anordnung aus internen Balancierschaltungen für die Zellenpaare und externe Balancierschaltungen zum Übertragen der externen Ausgleichsströme zwischen den Zellenpaaren kann eine aktive Ladung-Balancierung über die gesamte Batteriezelle durchgeführt werden. Um dies zu ermöglichen, müssen die beschriebenen Stromvorgabedaten entsprechend eingestellt oder berechnet sein. Hierzu ist bevorzugt vorgesehen, dass das besagte Mastermodul bereitgestellt ist, dass dazu eingerichtet ist, die Stromvorgabedaten derart einzustellen, dass sich mittels der Balancierschaltungen eine aktive Ladung-Balancierung für alle Batteriezellen der Batterievorrichtung ergibt und zugleich an der Reihenschaltung der Batteriezellen ein durch die Batterievorrichtung bereitzustellender, vorbestimmter Batteriestrom ergibt. Mit anderen Worten kann also die Ladungs-Balancierung im Betrieb der Batterievorrichtung, während also die Reihenschaltung der Batteriezellen einen Strom in eine angeschlossene Verbraucherschaltung abgibt oder einen Strom aus einer angeschlossenen Ladeschaltung empfängt, durchgeführt werden.
Ein besonders effizienter Balancierbetrieb ergibt sich bei einer Ausgestaltung der Batterievorrichtung, die insgesamt N Batteriezellen und N – 1 Balancierschaltungen aufweist. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass die Gesamtanzahl N der Batteriezellen eine Potenz n von 2 ist und hierbei n größer als 3, insbesondere größer als 4, ist. Es können dann N/2 Balancierschaltungen für die gebildeten Zellenpaare als interne Balancierschaltungen verwendet werden und die verbleibenden (N/2 – 1) Balancierschaltungen dazu verwendet werden, zunächst jeweils zwei benachbarte interne Balancierschaltungen durch eine externe Balancierschaltung mit einem externen Ausgleichsstroms zu versorgen und dann in einer Baumstruktur zwei benachbarte externe Balancierschaltungen jeweils wieder durch eine weitere externe Balancierschaltung dahingehend zu koppeln, dass ein externer Ausgleichsstrom zwischen diesen bereitgestellt wird. Das Mastermodul ist bevorzugt dazu eingerichtet, für jede Batteriezelle einen jeweiligen Balancierstrom I_bal_i, mit i = 1 bis N, zu ermitteln und durch die Stromvorgabedaten für die Balancierschaltungen einen jeweiligen Ausgleichsstrom I_i, mit i = 1 bis (N – 1), anhand einer Invertierung der folgenden Formel zu ermitteln:
Mit dieser Formel ist es möglich, zeitgleich für alle Batteriezellen den benötigten Balancierstrom in die jeweilige Batteriezelle hinein oder aus dieser heraus mittels der Batterievorrichtung einzustellen.
Die beschriebene Baumstruktur ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Die Module und das Mastermodul sind bevorzugt dazu eingerichtet, Kommunikationsdaten, insbesondere die Stromvorgabedaten, durch Einstellen einer Stromstärke in einer Kommunikationsverbindung miteinander auszutauschen, wobei die Kommunikationsverbindung die Module und das Mastermodul galvanisch koppelt. Die Kommunikationsverbindung kann z.B. durch Drähte und/oder Leiterbahnen bereitgestellt sein. Zum Einstellen der Stromstärke kann vorgesehen sein, dass eine Stromquelle einen elektrischen Strom in der Kommunikationsverbindung einprägt und die jeweils sendende Komponente (d.h. eines der Module oder das Mastermodul) den Stromfluss durch Öffnen eines Schaltelements unterbricht, um hierdurch zu signalisieren. Mittels dieser Methode können ein dominantes und ein rezessives Signal umgesetzt werden, wie es spannungsbasiert z.B. für einen CAN-Kommunikationsbus (CAN – Controller Area Network) bekannt ist. Entsprechend kann die Übertragung der Kommunikationsdaten gemäß einem CAN-Kommunikationsprotokoll oder einem LIN-Kommunikationsprotokoll (Local Interconnect Network) erfolgen.
Um den jeweiligen Balancierstrom I_bal_i jeder Batteriezelle i zu berechnen, ist bevorzugt vorgesehen, dass jedes der besagten Module dazu eingerichtet ist, unabhängig von den übrigen Modulen Zustandsdaten, welche einen jeweiligen Zellenzustand der Batteriezellen des Zellenpaars beschreiben, anhand eines individuellen Zellmodells der jeweiligen Batteriezelle zu ermitteln. Mit anderen Worten sind keine Messleitungen nötig, die beispielsweise die einzelnen Batteriezellen mit dem Mastermodul verbinden. Hierdurch ist es möglich, die Zustandsdaten ohne eine aufwendige galvanische Trennung oder mit einer Elektronik, die für den Betrieb bei Gesamtspannung ausgelegt ist, zu ermitteln. Zellmodelle zum Ermitteln eines Zellenzustand einer Batteriezelle sind, wie eingangs angegeben, an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Die Zustandsdaten können ebenfalls einen Teil der besagten Kommunikationsdaten darstellen.
Insbesondere ist jedes Modul dazu eingerichtet, jedes Zellmodell selbstlernend zu betreiben, um Parameter des Zellmodels an einen irreversiblen Verschleißprozess und/oder Alterungsprozess der modellierten Batteriezelle anzupassen. Ein selbstlernender Betrieb kann beispielsweise realisiert sein, indem unter vorgegebenen Randbedingungen (beispielsweise bei einem Temperaturwert in einem vorgegebenen Temperaturbereich und/oder einem Zellenstromwert in einem vorgegebenen Stromwertebereich) anhand von zumindest einer gemessenen physikalischen Größe der Batteriezelle nicht auf den Zustand der Batteriezelle rückgeschlossen wird, sondern aus den Messwerten ein Parameter des Zellmodels neu berechnet wird. Hierbei kann auch vorgesehen sein, dass ein Vergleich des neuen Parameterwerts mit dem alten Parameterwert erfolgt und bei einem Unterschied größer als ein vorbestimmter Schwellenwert keine Anpassung des Zellmodells erfolgt. Hierdurch können die Parameter des Zellmodels graduell an den Verschleißprozess und/oder Alterungsprozess angepasst werden.
Die mittels der Zellmodelle ermittelten Zustandsdaten der Batteriezellen können an das beschriebene Mastermodul übermittelt werden. Die Zustandsdaten können beispielsweise einen aktuellen Ladezustand, d.h. eine in der jeweiligen Batteriezelle gespeichert Ladungsmenge Q, und/oder eine maximale von der jeweiligen Batteriezelle in ihrem aktuellen Zellenzustand speicherbare Ladung, d.h. eine Zellkapazität Q_max, angeben.
Aus den nutzbaren Zellkapazitäten Q_max_i und den aktuellen Zellladungen Q_i, welche die Zellmodelle in den Modulen berechnet haben, werden bevorzugt die folgenden arithmetischen Mittelwerte durch das Mastermodul gebildet, wobei die Indizes i für die einzelnen Batteriezellen der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind: Q_max_mittel = Summe(Q_max)/(2^n) und Q_mittel = Summe(Q)/(2^n), wobei ^ die Potenzierung darstellt.
Bei idealer Balancierung hat die gesamte Batterievorrichtung eine nutzbare Ladung von Q_max_mittel. Im Ladevorgang berechnet sich der Balancierstrom in Richtung einer spezifischen Batteriezelle zu: I_bal = ((Q_max – Q) – (Q_max_mittel – Q_mittel))/t und im Entladevorgang berechnet sich der Balancierstrom in Richtung der Batteriezelle zu: I_bal = ((Q_max_mittel – Q_mittel) – (Q_max – Q))/t, wobei t eine Zeitabschätzung bis zur vollständigen Ladung bzw. Entladung ist, die durch das Mastermodul z.B. anhand des Batteriestroms der Batterievorrichtung durchgeführt werden kann.
Jeder Balancierstrom hat einen konstruktiv bedingten Maximalwert I_bal_max, der z.B. durch den MOSFET eines Schaltreglers und die Sättigung der Schaltreglerinduktivität gegeben ist.
Ferner hat der Schaltregler einen konstruktiv bedingten Betriebspunkt maximalen Wirkungsgrades I_bal_opt, welcher in der Regel über 90% liegt.
Das Mastermodul wählt I_bal bevorzugt wie folgt: falls I_bal > I_bal_max, dann I_bal = I_bal_max, falls I_bal < I_bal_opt, dann I_bal = I_bal_opt und in Intervallen I_bal = 0.
Zwischen den Balancierströmen der einzelnen Zellen und den notwendigen Ausgleichströmen (Schaltreglerströmen) besteht ein mathematischer Zusammenhang, der sich eindeutig nach der obigen Formel als Inverse dazu berechnen lässt. Das Mastermodul berechnet nach der inversen der Formel aus den geforderten Zell-Ballancierströmen I_bal_i die Ausgleichsströme I_i, die z.B. durch Schaltregler der Balancierschaltungen bereitzustellen sind.
Diese Stromwerte werden den Modulen als Stromvorgabedaten mitgeteilt und die Module steuern die an sie angeschlossenen Balancierschaltungen entsprechend an.
Indem die Module jeweils durch einige der Batteriezellen versorgt werden, lassen sich die Module durchgehend betreiben und somit auch in einem Ruhezustand der Batterievorrichtung ebenfalls eine Zustandsbestimmung für die Batteriezellen ermöglicht. Im Ruhezustand ist durch zumindest ein geöffnetes Schaltelement, beispielsweise ein Relais oder Schaltschütz, ein Stromfluss in die Batterievorrichtung hinein oder aus der Batterievorrichtung hinaus blockiert. Bevorzugt ist somit jedes Modul dazu eingerichtet, in dem Ruhezustand der Batterievorrichtung weiterbetrieben zu werden. Da sich der Zustand der Batteriezellen im Ruhezustand aber nur langsam ändert, ist hierbei bevorzugt vorgesehen, dass aktuelle Zustandsdaten mit einem größeren Abtastintervall, d.h. mit geringerer Abtastfrequenz, erzeugt werden als in einem Aktivzustand der Batterievorrichtung, in welchem das zumindest eine Schaltelement geschlossen ist. Somit können beispielsweise auch Leckströme während des Ruhezustands in den Batteriezellen erkannt werden.
Bei der Batterievorrichtung ist insbesondere auch vorgesehen, dass für jede Batteriezelle ein individueller Kurzschlussschalter bereitgestellt ist und die Module dazu eingerichtet sind, Deaktivierungsdaten, welche eine zu deaktivierende Batteriezelle angeben, zu empfangen. Die Deaktivierungsdaten können beispielsweise durch das beschriebene Mastermodul erzeugt werden. Der beschriebene Kurzschlussschalter kann beispielsweise ein Schalter eines Schaltreglers einer Balancierschaltung sein. Die Deaktivierungsdaten können beispielsweise erzeugt werden, falls erkannt wird, dass die Zellkapazität Q_max unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt. In Abhängigkeit von den Deaktivierungsdaten entlädt ein Modul die zu deaktivierende Batteriezelle durch Ansteuern der Balancierschaltungen in einer Tiefentladung oder mittels einer Tiefentladung so weit, dass die Batteriezelle spannungsfrei ist. Danach wird der Kurzschlussschalter der Batteriezelle permanent geschlossen. Durch das Tiefentladen ist das Kurzschließen gefahrlos.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des besagten erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung und
2 eine schematische Darstellung eine Moduls der Batterievorrichtung von 1.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Batterievorrichtung 1, bei welcher es sich beispielsweise um eine Hochvoltbatterie, insbesondere eine Fahrzeug-Traktionsbatterie, handeln kann. Die Batterievorrichtung 1 kann in ein Kraftfahrzeug 2 eingebaut sein, beispielsweise einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Anschlusspole 3 der Batterievorrichtung 2 können einerseits mit einem Massepotential 4 und andererseits mit einer elektrischen Komponente 5 verbunden sein. Bei der elektrischen Komponente 5 kann es sich um ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeugs 2 handeln, insbesondere ein Hochvolt-Bordnetz. Zum Schalten der Batterievorrichtung 2 zwischen einem Aktivzustand und einem Ruhezustand kann ein Schaltelement 6 bereitgestellt sein, bei dem es sich beispielsweise um ein Relais oder ein Schaltschütz oder kurz Schütz handeln kann. Durch die Batterievorrichtung 1 wird zwischen den Anschlusspolen 3 eine Batteriespannung oder Gesamtspannung U0 bereitgestellt, falls das Schaltelement 6 geschlossen ist.
Die Gesamtspannung U0 wird durch Batteriezellen 7 erzeugt, die jeweils eine Zellspannung Z1, Z2, ..., ZN erzeugen. In dem gezeigten Beispiel beträgt die Gesamtanzahl N der Batteriezellen 7 den Wert N = 8 = 2^n, mit n gleich 3. Die Batteriezellen 7 sind zum Erzeugen oder Bereitstellen der Gesamtspannung U0 zu einer Reihenschaltung 8 zusammengeschaltet. Dabei sind jeweils 2 der Batteriezellen 7 zu einem Zellenpaar 9 zusammengefasst, wobei jede Batteriezelle 7 jeweils nur genau einem Zellenpaar 9 zugeordnet ist.
Bei der Batterievorrichtung 1 ist es ermöglicht, ein sogenanntes Cell-Balancing, d.h. ein Angleichen der Zellspannungen Z1, ..., ZN der Batteriezellen 7, zu bewirken, während die Batterievorrichtung 1 einen Batteriestrom 10 mit der elektrischen Komponente 5 austauscht oder auch während das Schaltelement 6 geöffnet ist (Ruhezustand). Die elektrische Komponente 5 kann bei geschlossenem Schaltelement 6 (Aktivzustand) als Verbraucher wirken und den Batteriestrom 10 empfangen oder als Stromquelle wirken und hierbei den Batteriestrom 10 als Ladestrom bereitstellen.
Das Cell-Balancing wird innerhalb jedes Zellenpaars 9 mittels einer internen Balancierschaltung 11 durchgeführt, die beispielsweise mittels eines Schaltreglers realisiert sein kann. Jeder Schaltregler 11 kann eine Induktivität L in Form beispielsweise einer Spule als Bauelement und zwei Schaltelemente 12 aufweisen, bei denen sich z.B. um Transistoren, insbesondere um MOSFETs, handeln kann. In 1 sind der Übersichtlichkeit halber nur zwei der Schaltelemente 12 mit einem Bezugszeichen versehen.
Die Spulenströme I_1, ..., I_4, oder allgemein I_i, der Induktivitäten L der Balancierschaltungen 11 stellen Ausgleichsströme dar, durch welche elektrische Ladung zwischen den Batteriezellen 7 ausgetauscht oder umgeschichtet oder umgelagert wird. Hierdurch ist nicht jeder Zellenstrom gleich dem Batteriestrom 10. Als Unterschied ergibt sich jeweils ein Balancierstrom I_bal_1, I_bal_2, ..., I_bal_N, oder allgemein I_bal_i.
Die Balancierschaltungen 11 können durch Module 12 gesteuert werden, die hierzu z.B. jeweils einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor umfassen können. Des Weiteren kann ein jeweiliger Zellzustand jeder Batteriezelle 7 durch das jeweilige Modul 12 ermittelt werden, welches die Balancierschaltung 11 des zugehörigen Zellenpaars 9 steuert. Zum Ermitteln des Zellenzustands kann ein Modul 12 für jede Batteriezelle 7 ein jeweiliges Zellmodell 13 betreiben. Die aktuellen Zellzustände der Batteriezellen 7 können durch die Module 12 an ein Mastermodul oder kurz einen Master 14 über eine Kommunikationsverbindung 15 als Zustandsdaten 16 mitgeteilt werden.
Um auch zwischen den Zellenpaaren 9 Ausgleichsströme I_5, ..., I_(N – 1), oder allgemein I_i, zu ermöglichen, sind weitere Balancierschaltungen 17 bereitgestellt, die jeweils ebenfalls auf der Grundlage eines Schaltreglers mit einer Induktivität L und zwei Schaltelementen 12 realisiert sein können. Zum Steuern dieser externen Balancierschaltungen 17 können jeweils Untermodule 18 bereitgestellt sein, die aber selbst keine Steuerlogik aufweisen müssen, sondern passiv über Steuersignale 19 durch die Module 12 gesteuert werden können. Mittels der Untermodule kann z.B. eine galvanische Entkopplung sichergestellt werden.
Das Einstellen aller Ausgleichsströme I_1, ..., I_(N – 1) erfolgt durch die Module 12 in Abhängigkeit von Stromvorgabedaten 20, die durch das Mastermodul 14 berechnet werden können. Das Mastermodul 14 kann hierzu ebenfalls eine Prozessoreinrichtung, wie beispielsweise einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor, aufweisen. Das Mastermodul 14 kann eine eigene Spannungsquelle 21 aufweisen, die eine Versorgungsspannung bereitstellt, die kleiner als die Gesamtspannung U0 ist. Die Übertragung der beschriebenen Zustandsdaten 16 und der Stromvorgabedaten 20 kann strombasiert erfolgen, d.h. durch Variieren einer Stromstärke in der Kommunikationsverbindung 15.
Durch die in 1 gezeigte Anordnung der internen Balancierschaltungen 11 der Zellenpaaren 9 und der externen Balancierschaltungen 17 zum Koppeln der Zellenpaaren 9 ergibt sich die beschriebene Baumstruktur.
Im Folgenden ist im Zusammenhang mit 1 eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Batterievorrichtung 1 beschrieben.
Durch die Module 12 und den Master 14 kann insgesamt ein Batterie-Management mit aktiver Balancierung aller Zellen über die gesamte Batterie hinweg bereitgestellt werden.
Die Besonderheit besteht darin, dass durch die modulare „binäre“ oder paarweise Anordnung die Mehrzahl der Module eine Betriebsspannung und Signalspannung von nur 2·U_Zelle (Zellspannung) hat. Jedes Modul steuert eine Balancierschaltung.
Jedes Modul enthält zwei identische eigene lokale Batteriemodelle oder Zellmodelle 13 (z.B. in der Software objektorientiert als zwei Instanzen einer Klasse realisierbar), welche autark unabhängig in jedem Zustand der Batterievorrichtung (auch im Ruhezustand) den Zellzustand berechnet. Für die gesamte Batterievorrichtung werden somit permanent unabhängig, autark die Zustände aller Zellen berechnet.
Optional enthält jedes Modul zwei Kurzschlussschalter (einer je Zelle), womit gezielt eine einzelne Zelle deaktiviert werden kann.
Die Batterie enthält zur Balancierung Schaltregler-Untermodule 18, welche jeweils folgende Betriebsspannungen benötigen: 4·U_Zelle, 8·U_Zelle, ..., N·U_Zelle = U0
Im Unterschied zum Stand der Technik muss nur ein Untermodul für die volle Batteriespannung ausgelegt werden.
1 zeigt eine Batterieanordnung aus (N = 2^n) Zellen 7 und (N – 1) „Schaltreglern“ 11 am Beispiel von n = 3 mit (N/2) Modulen 12, (N/2 – 1) Untermodulen 18, einem Master 14 und deren elektrischen Verbindungen.
N kann eine beliebige, aber sinnvollerweise gerade Anzahl von Zellen sein, indem die Untermodule nicht genau binär (benachbarte Paare), sondern an teilweise ungeraden Anzahlen von Zellen angeschlossen werden.
Die Module 12 der untersten Ebene der Baumstruktur sind an jeweils zwei Zellen 7 angeschlossen und haben folgende Eigenschaften:

– Serielle Kommunikation mit dem Master über eine galvanisch nicht getrennte stromgesteuerte Datenübertragung.
– Empfang des aktuellen Batteriestromwertes vom Master in den Stromvorgabedaten 20.
– Messung beider Zellspannungen.
– Messung der Zelltemperaturen.
– Permanente Echtzeitberechnung eines Zellmodelles 13 je Zelle 7 zur Bestimmung des aktuellen Zellzustandes (Kapazität, Ladung, Ladezustand SOC, sog. State-of-Health SOH, Innenwiderstand).
– Im Ruhezustand verlangsamte Messung und Berechnung des Zellmodelles mit dem Vorteil minimaler Stromaufnahme.

Das Zellmodell 13 kann insbesondere ein selbstlernendes chemisches Zustandsmodell sein, welches aus den Eingangsparametern, den aktuellen Zustandsgrößen, Lernwerten und des Zeittaktes (t_delta) vom Master die neuen Zustandsgrößen berechnet:
Zustand (t + t_delta) = Funktion aus [Zustand (t), t_delta, Lernwert, Zellstrom, Zellspannung, Zelltemperatur].
Ein Lernwert gibt vor, wie groß eine Änderung der Zellparameter höchstens sein dar.
Im aktiven Betrieb erfolgt die Übertragung des Zellzustandes an den Master mittels der Zustandsdaten 16.
Die Spannungsversorgung des Moduls kann über die beiden Zellen mit folgender Spannungslage erfolgen:

– Untere Betriebsspannung = minimale Spannung einer Zelle (bei Deaktivierung einer Zelle),
– Untere Betriebsspannung = 2·minimale Spannung einer Zelle (Normalfall)
– Obere Betriebsspannung = 2·maximale Spannung einer Zelle.

Die Regelung des Balancierstromes erfolgt nach der Balancierstromvorgabe vom Master.
Ist eine Zelle in solch schlechtem Zustand, dass ihr Ladezustand durch die Balancierung nicht mehr ausgeglichen werden kann, dann wird vom Master die Entscheidung getroffen diese Zelle zu deaktivieren. Diese Entscheidung wird an das Modul mitgeteilt. Das Modul startet daraufhin eine inverse Balancierung unter Berücksichtigung der Zelltemperatur. Beim Ladevorgang und bei geringen Entladeströmen wird über die Balancierung diese Zelle gezielt tiefentladen. Sobald eine Zellspannung von 0 Volt erreicht ist (z.B. kurz bevor die Zelle umpolt), wird der Kurzschlussschalter dauerhaft geschlossen, indem z.B. seine Gatespannung eines MOSFET maximal aufgeladen und diese Ladung stromlos erhalten wird. Die Modulversorgung erfolgt nun ausschließlich aus der Nachbarzelle, was bedeutet, dass jeweils nur eine Zelle an einem Manager deaktiviert werden kann. Optional kann die Modulversorgung aus drei oder mehr Zellen erfolgen, wodurch auch beide Zellen eines Masters deaktiviert werden können.
Der Vorteil dieser Anordnung ist die Möglichkeit eine (Fahrzeug-)Batterie auch bei einer oder wenigen defekten Zellen noch weiterzuverwenden und somit die Nutzungsdauer zu verlängern und einen Batterietausch hinauszuzögern. Die Batteriespannung reduziert sich hierbei um die Anzahl der deaktivierten Zellen multipliziert mit der Zellspannung U_Zelle. Die Batteriekapazität entspricht dem Mittelwert der verbleibenden Zellen.
Die Anzahl der deaktivierten Zellen und die mittlere Batteriekapazität kann für eine Werkstattdiagnose und eine Batteriewechsel-Empfehlung verwendet werden.
Die Untermodule 18 erfordern keine Intelligenz oder Logik. Ein Untermodul wird jeweils von einem Modul versorgt und gesteuert. Das Untermodul enthält einen Schaltregler um einen Balancierstrom zwischen den Modulen einzustellen. Die Stromvorgabe wird vom Master an das Modul und von dem Modul an das Untermodul weitergeleitet. Der Schaltregler der Untermodule muss auf folgende Spannungen ausgelegt werden:
Ebene 1: 4·U_Zelle,
Ebene 2: 8·U_Zelle,
...
Ebene n – 1: N·U_Zelle = U_Batterie,
wobei die Ebenen durch die Baumstruktur definiert sind.
Der Master empfängt und sammelt den aktuellen Zustand aller Zellen über die Kommunikationsverbindung. Aus diesen Zuständen und der externen Anforderung berechnet er die Balancierströme jedes Moduls und Untermoduls. Über die Kommunikationsverbindung teilt der Master den Modulen den aktuellen Batteriestrom und die angeforderten Schaltreglerströme mit.
Im aktiven Lade- und Entladebetrieb wird bevorzugt eine vorausschauende Balancierstrategie berechnet und den Modulen der einzustellende Balancierstrom mitgeteilt.
Die Berechnung der Balancierströme I_bal_i kann in der beschriebenen Weise erfolgen.
Zwischen den Balancierströmen der einzelnen Zellen und den notwendigen Schaltreglerströmen besteht ein mathematischer Zusammenhang, der sich eindeutig nach der obigen Formel berechnen lässt, wobei sich für das gezeigte Beispiel die folgende Inverse ergibt.
Der Master berechnet nach dieser Formel aus den geforderten Zell-Ballancierströmen die Schaltreglerströme. Diese Stromwerte werden den Modulen mitgeteilt und die Module steuern das an sie angeschlossene Untermodul entsprechend.
Bei einer vollständig geladenen Batterie gilt idealerweise für jede Zelle: Q = Q_max. Bei einer vollständig entladenen Batterie gilt idealerweise für jede Zelle: Q = Q_min. Aus der Batterie wird die Ladung nutzbar entnommen: Q_batterie = Q_max_mittel – Q_min_mittel. Somit wird vorteilhaft die gesamte Kapazität jeder Zelle (Q_max – Q_min) ausgenutzt. Ferner werden schwächere Zellen im Strommittelwert entlastet und nur maximal bis zum Lebensdauer-optimalen Wert Q_min, Q_max belastet.
Für einen Fahrer eines E-Fahrzeuges ist jederzeit die konkrete Ladung und der Energievorrat präzise darstellbar.
Beim Service in der Werkstatt kann Q_max_mittel, Q_min_mittel und die Anzahl der deaktivierten defekten Zellen ausgelesen werden und ggf. ein Batteriewechsel empfohlen werden.
Durch die binäre Anordnung ist die Umrechnung der Balancierströme I_bal_i in den Zellen und der Schaltregler-Spulenströme I_i nicht trivial, sondern kann nach dem beschriebenen Verfahren im Master berechnet werden.
Hierbei sind bevorzugt Synchronschaltregler der Module und der Untermodule symmetrisch so angeordnet, dass im oberen Pfad und im unteren Pfad jeweils weitgehend dieselbe Spannung vorliegt. Das Tastverhältnis liegt somit im Mittelwert bei 50%. Oberhalb von 50% erhöht sich I_ind. Unterhalb von 50% erniedrigt sich I_i. Der Strom I_i fließt 50% der Zeit im oberen Pfad und 50% im unteren Pfad. Für die Module wird somit 50% der Zeit die obere Zelle mit I_i entladen und 50% der Zeit die untere Zelle mit I_i aufgeladen. Ist I_i < 0, dann verhält es sich andersrum. Im zeitlichen Mittelwert fließt also jeweils I_bal_i = 0,5·I_i in der Zelle. Die Ströme der Untermodule überlagern sich in den Zellen mit den Strömen der Module.
Insgesamt ergibt sich für die Zellströme I_bal_i am Beispiel von n = 3 die beschriebene Formel. Durch Auflösen und Umstellen lässt sich dieses Gleichungssystem eindeutig zu der beschriebenen Invertierung invertieren.
Die invertierte Form wird im Master mit den geforderten Balancierströmen I_bal der Zellen in die notwendigen Schaltregler-Spulenströme I_i umgerechnet. Diese Ströme werden den Modulen und den Untermodulen mitgeteilt und dort entsprechend eingeregelt.
Insgesamt ergeben sich die folgenden Vorteile:

– Aktive Balancierung über alle Zellen hinweg ermöglicht eine wirkungsgradoptimierte Ausnutzung der Summe aller Zellkapazitäten.
– Durch den hohen Wirkungsgrad geringe Zusatzaufwärmung.
– Keine aufwändige galvanische Trennung.
– Die Mehrzahl der Module wird mit geringer Spannung versorgt was die Verwendung preiswerter leistungsstarker Halbleiter ermöglicht.
– Permanente exakte Bestimmung aller Zellzustände auch im Ruhemodus.
– Effiziente automatische Weiterverwendung der Batterie bei einer oder wenigen defekten Zellen.
– Deaktivierung ohne serielle Schalter, welche erhebliche Wirkungsgradverluste hätten.

Die Deaktivierung erfolgt durch leistungslosen Parallelschalter, welcher nur im Falle des Defektes aktiv ist und Wärme erzeugt. Keine Erwärmung oder Gefahr der deaktivierten Zelle, da diese vollständig tiefentladen energielos ist. Die parallelen Kurzschluss-Schalter (MOSFET) haben eine maximale Spannung U_Zelle zwischen Drain und Source, was den Einsatz preiswerter und kleiner MOSFETs ermöglicht.
In der Batterie sind – mit Ausnahme der Batteriestrommessung im Master – keine seriellen Elemente vorhanden, welche Spannungsverluste hätten.
Vorteilhafte Merkmale sind hierbei:

– Binäre Anordnung von Einzelmodulen, die jeweils nur an eine Teilspannung der Batterie angeschlossen sind.
– Anordnung in intelligente Module und nicht intelligente Untermodule.
– Aktive Balancierung über alle Zellen und die gesamte Batterie.
– Die beschriebene Formel zur Berechnung der Balancierströme.
– Autark arbeitende Module mit autarken gleichartigen Zellmodellen.
– Aktive autarke Zellmodelle, die auch im Ruhezustand mit minimaler Stromaufnahme arbeiten.
– Kurzschlussschalter und Entladealgorithmus zu gezielten endgültigen Deaktivierung schlechter Zellen.
– Stromgesteuerte Datenübertragung ohne galvanische Trennung.

In 2 ist die strombasierte Kommunikation zwischen den Modulen und dem Mastermodul 14 veranschaulicht. Als Kommunikationsdaten 22 werden die beschriebenen Zustandsdaten 16 und die Stromvorgabedaten 20 über die Kommunikationsverbindung 15 übertragen. Die Zellenpaare 9 sind in 2 durch Spannungsquellen symbolisch repräsentiert.
Die in 2 gezeigten Schaltungskomponenten der Module 12 stellen den unterste, physikalische Schicht einer Datenübertragung dar, welche z.B. mit den oberen Schichten von CAN oder LIN betrieben werden kann.
Die Besonderheit ist die fehlende galvanische Trennung bei gleichzeitiger Datenübertragung über beliebig hohe Spannungen, während die elektrische Spannungsbelastung nur weniger als 5 Volt über der Niedervolt-Modulspannung liegt.
In einer seriellen Stromkette wird der Stromfluss einen Stromes 23 von Modul 12 zu Modul 12 weitergegeben. Der Strom 23 kann durch eine Stromquelle des Masters 14 eingeprägt werden. Durch die Möglichkeit eines jeden Moduls 12, diesen Stromfluss zu unterbrechen, ergibt sich eine ODER-Funktion mit den Zuständen „dominant“ (Strom unterbrochen) und „rezessiv“ (Stromfluss).
Durch einfache, preiswerte elektrische Pegelanpassungen können die Ströme in digitale RX-Pegel (Empfang), TX-Pegel (Senden) gewandelt werden, welche von üblichen CAN- und LIN-Controllern mit Standardsoftware betrieben werden können.
Vorteilhafte Merkmale sind hierbei:

– Serielle stromgeführte Datenübertragung ohne galvanische Trennung. Eingrenzung der notwendigen Spannungsfestigkeit auf die Betriebsspannung eines Moduls 12 (Spannung eines Zellpaars 9).
– Übertragung der stromgeführte Kommunikationsdaten 22 über beliebig hohe Batteriespannungen.
– Kompatibiltät zu "ODER-basierten" RX/TX Übertragungssystemen mit Arbitrierung wie z.B. CAN-Bus Controllern.
– Nutzung von z.B. CAN oder LIN Controllern und Software

2 zeigt eine Anordnung aus beispielhaft vier gleichartigen Modulen 12 mit jeweils folgenden Eigenschaften:

– eine (niedrige) Modulversorgungsspannung durch das Zellenpaar 9, welche z.B. aus den Batteriezellen entnommen wird,
– einen NMOSFET 24 und einen PMOSFET 25 zur stromgeführten Datenübertragung. Implizit ergeben sich durch die Beschaltung(Body-)Schutzdioden 26, welche den Spannungsbereich eingrenzen.
– einen Widerstand 27, der bei Stromfluss einen Spannungsabfall erzeugt, welcher über eine Pegelanpassung in ein digitales RX-Signal (Empfangssignal) gewandelt und z.B. einem CAN-Controller zugeführt werden kann.
– zwei Stromspiegel 28.
– eine Stromquelle z.B. in Form eines Widerstandes 29.

Ein Schalter 30 für den Strom 23. Der Schaltet 30, z.B. ein Halbleiter-Schaltelement, wie z.B. ein Transistor, wird durch das Modul 12 in Abhängigkeit von den auszusendenden Kommunikationsdaten 22, z.B. den Zustandsdaten 16, geschaltet. Optional kann Pegelanpassung, welche aus einem digitalen TX-Signal (Sendesignal) z.B. aus einem CAN-Controller die Abschaltung ansteuert, vorgesehen sein.
Die Bezugszeichen sind der Übersichtlichkeit halber nur im Zusammenhang mit einem einzelnen Modul dargestellt.
Die Module 12 sind in der Art in Reihe geschaltet, dass sich die Versorgungsspannungen der Zellenpaare 9 addieren und die Signalströme kaskadieren.
Die Funktion der Übertragung der Kommunikationsdaten 22 ist wie folgt:
Sind alle Schalter 30 eingeschaltet, so fließt ein gleichartiger Strom 23 in den Stromspiegeln 28. Die Stromspiegel 28 ergeben mit einem festen Übersetzungsverhältnis den Stromfluss zur Datenübertragung. Durch die Eigenschaft von Stromspiegeln 28 und einen vorteilhaften Aufbau in einer integrierten Schaltung sind die Sourcespannungen an den FETs 24, 25 nahezu gleich. Die Differenz der Sourcespannungen ist insbesondere deutlich geringer als die Schwellspannung der Body-Dioden 26, so dass in den Dioden 26 fast kein Strom fließt.
Da auch das Gate der FETs 24, 25 fast keinen Stromfluss aufweist, fließt ein nahezu gleicher Strom 23 in allen Modulen 12.
Ist ein Schalter 30 geöffnet, so wird der Strom 23 in den Stromspiegeln 28 zu null.
Daher fließt weder zum oberen noch zum unteren Nachbarmodul 12 ein Strom 23, solange die Schwellspannung der Body-Dioden 26 nicht überschritten wird.
In den eingeschalteten Modulen 12 liegt noch eine Gatespannung an den Stromspiegeln 28 an. Dadurch verändert sich die Sourcespannungen so weit, bis die Gate-Sourcespannung Ugs unterhalb der Gate-Schwellspannung liegt. Wichtig ist, dass die MOSFET-Charakteristik so gewählt ist, dass diese Spannungsdifferenz (Ugs_leitend – Ugs_nicht_leitend) kleiner ist, als die Diodenflussspannungen, damit kein nennenswerter Stromfluss durch die Dioden 26 erzeugt wird.
Insgesamt ergibt sich folgende Funktion:

– Alle Schalter 30 eingeschaltet: Stromfluss des Stromes 23,
– Ein Schalter oder mehrere Schalter ausgeschaltet: kein Stromfluss Mathematisch gesehen ist dies eine UND-Funktion. Durch eine invertierende Pegelanpassung für RX und TX ergibt sich eine ODER-Funktion, was der elektrischen Funktion eines CAN-Busses entspricht. Daher kann die Funktion z.B. mit CAN-Controllern und CAN-Software betrieben werden.

Der Spannungsbereich der Schaltung begrenzt sich auf die Versorgungsspannung zuzüglich der beiden Diodenspannungen. Die Systemspannung ist die Modulspannung multipliziert mit der Modulanzahl N/2. (Im Beispiel: 4) Dadurch kann die Schaltung mit einfachen, preiswerten Bauelementen realisiert werden. Ferner muss kein Hochvolt-Layout vorgesehen werden, obwohl die gesamte Batterie Hochvolt-Pegel U0 hat.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein binäres Batteriezellenmanagement bereitgestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014215769 A1 [0003]
US 2014/0035360 A1 [0006]

Claims

Batterievorrichtung (1) mit – mehreren Batteriezellen (7), die zum Bereitstellen einer Gesamtspannung (U0) zu einer Reihenschaltung (8) verschaltet sind, wobei – jeweils zwei direkt miteinander verschaltete Batteriezellen (7) ein Zellenpaar (9) darstellen und – für jedes Zellenpaar (9) jeweils eine interne Balancierschaltung (11) zum Erzeugen eines internen Ausgleichsstroms (I_i) zwischen den Batteriezellen (7) des Zellenpaars (9) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Zellenpaare (9) untereinander über externe Balancierschaltungen (17) zum Erzeugen eines jeweiligen externen Ausgleichsstroms (I_i) zwischen den Zellenpaaren (9) verschaltet sind und – jede Balancierschaltung (11, 17) jeweils als ein Schaltregler ausgestaltet ist und – für jedes Zellenpaar (9) ein jeweiliges Modul (12) bereitgestellt ist, welches dazu eingerichtet ist, Stromvorgabedaten (20) zu empfangen und die interne Balancierschaltung (11) seines Zellenpaars (9) zum Einstellen des internen Ausgleichsstroms (I_i) gemäß den Stromvorgabedaten (20) zu steuern, und – zumindest einige der Module (12) dazu eingerichtet sind, in Abhängigkeit von den Stromvorgabedaten (20) jeweils zumindest eine der externen Balancierschaltungen (17) zum Einstellen der externen Ausgleichsströme (I_i) zu steuern.
Batterievorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei jedes Modul (12) dazu eingerichtet ist, mit einer Versorgungsspannung, die kleiner als die Gesamtspannung (U0) ist, betrieben zu werden, und Versorgungsanschlüsse des Moduls (12) zum Empfangen der Versorgungsspannung nur mit den Batteriezellen (7) seines Zellpaares (9) oder mit nur einigen der Batteriezellen (7) der Batterievorrichtung (1) einen Stromkreis bildet.
Batterievorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Mastermodul (14) bereitgestellt und dazu eingerichtet ist, die Stromvorgabedaten (20) derart einzustellen, dass sich mittels der Balancierschaltungen (11, 17) eine aktive Ladungs-Balancierung für alle Batteriezellen (7) der Batterievorrichtung (1) ergibt und zugleich an der Reihenschaltung (8) ein durch die Batterievorrichtung (1) bereitzustellender, vorbestimmter Batteriestrom (10) ergibt.
Batterievorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei insgesamt N Batteriezellen (7) und N – 1 Balancierschaltungen (11, 17) bereitgestellt sind und das Mastermodul (14) dazu eingerichtet ist, für jede Batteriezelle (7) einen jeweiligen Balancierstrom I_bal_i, mit i = 1 bis N, zu ermitteln und durch die Stromvorgabedaten (20) für die Balancierschaltungen (11, 17) einen jeweiligen Ausgleichsstrom I_i, mit i = 1 bis N – 1, anhand einer Invertierung der folgenden Gleichung zu ermitteln:
Batterievorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Module (12) und das Mastermodul (14) dazu eingerichtet sind, Kommunikationsdaten, insbesondere die Stromvorgabedaten (20), durch Einstellen einer Stromstärke in einer Kommunikationsverbindung (15) miteinander auszutauschen, wobei die Kommunikationsverbindung (15) die Module (12) und das Mastermodul (14) galvanisch koppelt.
Batterievorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Module (12) dazu eingerichtet ist, unabhängig von den übrigen Modulen (12) Zustandsdaten (16), welche einen jeweiligen Zellenzustand der Batteriezellen (7) seines Zellenpaars (9) beschreiben, anhand eines individuellen Zellmodells (13) der jeweiligen Batteriezelle (7) zu ermitteln.
Batterievorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei jedes Modul (12) dazu eingerichtet ist, jedes Zellmodel (13) selbstlernend zu betreiben, um Parameter des Zellmodels (13) an einen irreversiblen Verschleißprozess und/oder Alterungsprozess der modellierten Batteriezelle (7) anzupassen.
Batterievorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei jedes Modul (12) dazu eingerichtet ist, in einem Ruhezustand der Batterievorrichtung (1), in welchem durch zumindest ein geöffnetes Schaltelement (6) ein Stromfluss in die Batterievorrichtung (1) hinein und aus der Batterievorrichtung (1) heraus blockiert ist, weiterbetrieben zu werden und aktuelle Zustandstandsdaten (16) mit einem größeren Abtastintervall zu erzeugen als in einem Aktivzustand der Batterievorrichtung (1), in welchem das zumindest eine Schaltelement (6) geschlossen ist.
Batterievorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jede Batteriezelle (7) ein individueller Kurzschlussschalter (12) bereitgestellt ist und die Module (12) dazu eingerichtet sind, Deaktivierungsdaten, welche eine zu deaktivierende Batteriezelle (7) angeben, zu empfangen und in Abhängigkeit von den Deaktivierungsdaten die zu deaktivierende Batteriezelle (7) durch Ansteuern der Balancierschaltungen (11, 17) in einer Tiefentladung spannungsfrei zu entladen und danach den Kurzschlussschalter (12) der Batteriezelle (7) permanent zu schließen.
Verfahren zum Betreiben einer Batterievorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterievorrichtung (1) mehrere Batteriezellen (7) aufweist, die zum Bereitstellen einer Gesamtspannung (U0) zu einer Reihenschaltung (8) verschaltet sind, und jeweils zwei direkt miteinander verschaltete Batteriezellen (7) ein Zellenpaar (9) darstellen und für jedes Zellenpaar (9) jeweils eine interne Balancierschaltung (11) zum Erzeugen eines internen Ausgleichsstroms (I_i) zwischen den Batteriezellen (7) des Zellenpaars (9) vorgesehen ist und die Zellenpaare (9) untereinander über externe Balancierschaltungen (17) zum Erzeugen eines jeweiligen externen Ausgleichsstroms (I_i) zwischen den Zellenpaaren (9) verschaltet sind, wobei jede Balancierschaltung (11, 17) jeweils als ein Schaltregler ausgestaltet ist, und für jedes Zellenpaar (9) ein jeweiliges Modul (12) bereitgestellt ist, welches Stromvorgabedaten (20) empfängt und die interne Balancierschaltung (11) seines Zellenpaars (9) zum Einstellen des internen Ausgleichsstroms (I_i) gemäß den Stromvorgabedaten (20) steuert, wobei zumindest einige der Module (20) in Abhängigkeit von den Stromvorgabedaten (20) jeweils eine der externen Balancierschaltungen (17) zum Einstellen der externen Ausgleichsströme (I_i) steuern.