DE102017104229A1 - Battery system with active balancing circuit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (1) umfassend eine wiederaufladbare Batterie (2), welche zwei Pole (3, 4) und eine Mehrzahl an zwischen den Polen (3, 4) in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen (Z1, Z2, ..., Zn) aufweist, und eine Active-Balancing-Schaltung (6) zur Überwachung und aktiven Regelung der Ladungszustände der Akkumulatorzellen (Z1, Z2, ..., Zn). Dabei ist in der Active-Balancing-Schaltung (6) zu jeder Akkumulatorzelle (Z1, Z2, ..., Zn) ein als bidirektionaler DC-DC-Wandler fungierender Zwischenschaltkreis (S1, S2, ..., Sn) vorgesehen, wobei jeder Zwischenschaltkreis (S1, S2, ..., Sn) die beiden Pole der jeweiligen Akkumulatorzelle (Z1, Z2, ..., Zn) unter Zwischenschaltung einer Induktivität (L) und eines ersten Transistors (Q1) verbindet. In jedem Zwischenschaltkreis (S1, S2, ..., Sn) ist zwischen der Induktivität (L) und dem ersten Transistor (Q1) eine Abzweigung vorgesehen, die unter Zwischenschaltung eines zweiten Transistors (Q2) an einen alle Zwischenschaltkreise (S1, S2, ..., Sn) leitend verbindenden DC-Link (7) angeschlossen ist, wobei der DC-Link (7) über einen Kondensator (C) mit einem Referenzpotential (GND) gekoppelt ist. Die Active-Balancing-Schaltung (6) ist ferner dazu geeignet und in einem regulären Betriebsmodus dazu eingerichtet, den DC-Link (7) auf einem vorgebbaren Potential zu halten, welches entweder größer als das Potential am positiven Pol (3) der Batterie (2) oder kleiner als das Potential am negativen Pol (4) der Batterie (2) ist. The invention relates to a battery system (1) comprising a rechargeable battery (2), which has two poles (3, 4) and a plurality of battery cells (Z 1 , Z 2 , ...) connected in series between the poles (3, 4). , Z n ), and an active-balancing circuit (6) for monitoring and active control of the charge states of the battery cells (Z 1 , Z 2 , ..., Z n ). In this case, in the active balancing circuit (6) for each accumulator cell (Z 1 , Z 2 ,..., Z n ), an intermediate circuit (S 1 , S 2 ,...) Acting as bidirectional DC-DC converter S n ), wherein each intermediate circuit (S 1 , S 2 , ..., S n ), the two poles of the respective accumulator cell (Z 1 , Z 2 , ..., Z n ) with the interposition of an inductance (L) and a first transistor (Q1) connects. In each intermediate circuit (S 1 , S 2 ,..., S n ), a branch is provided between the inductance (L) and the first transistor (Q1) which, with the interposition of a second transistor (Q2), is connected to one of the intermediate circuits (S 1 , S 2 , ..., S n ) is connected to DC-link (7) which connects in a conductive manner, the DC link (7) being coupled to a reference potential (GND) via a capacitor (C). The active balancing circuit (6) is further suitable and configured in a regular operating mode to keep the DC link (7) at a predeterminable potential which is either greater than the potential at the positive pole (3) of the battery (3). 2) or smaller than the potential at the negative pole (4) of the battery (2).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem umfassend eine wiederaufladbare Batterie, welche zwei Pole und eine Mehrzahl an zwischen den Polen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen aufweist, und eine Active-Balancing-Schaltung zur Überwachung und aktiven Regelung des jeweiligen Ladungszustands der Akkumulatorzellen.The present invention relates to a battery system comprising a rechargeable battery having two poles and a plurality of battery cells connected in series between the poles, and an active balancing circuit for monitoring and actively controlling the respective state of charge of the battery cells.
Ein derartiges Batteriesystem ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt.Such a battery system is basically known from the prior art.
Bei wiederaufladbaren Batterien mit einer Mehrzahl an in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen ergibt sich die aus dem Stand der Technik bereits bekannte Problematik, dass die einzelnen Akkumulatorzellen der Batterie zu einem bestimmten Zeitpunkt unterschiedliche Ladungszustände aufweisen können, dass die - ursprüngliche oder sich mit dem Alterungszustand verändernde - Kapazität (= maximale Ladungsmenge) verschiedener Akkumulatorzellen unterschiedlich sein kann, dass die Akkumulatorzellen unterschiedliche Selbstentladungen aufweisen oder unterschiedlichen Umgebungsbedingen ausgesetzt sein können, dass beim Laden der Batterie die Ladeschlussspannung einer Akkumulatorzelle mit der Folge einer Beschädigung derselben überschritten werden kann und/oder dass die einzelnen Akkumulatorzellen auf sonstige Weise unterschiedlich altern.In the case of rechargeable batteries having a plurality of battery cells connected in series, the problem already known from the prior art arises that the individual battery cells of the battery can have different states of charge at any given time, ie the capacity that is original or changes with the state of aging (= maximum charge amount) of different battery cells may be different, that the battery cells have different self-discharges or may be exposed to different environmental conditions that when charging the battery, the end-of-charge voltage of a battery cell with the result of damage can be exceeded and / or that the individual battery cells on different ways of aging differently.
Deshalb sind aus dem Stand der Technik bereits verschiedenste Arten von Batteriesystemen bekannt, bei welchen - unter Überwachung der jeweiligen Lade- und Gesundheitszustände der Akkumulatorzellen - die beim Betrieb des Batteriesystems erfolgenden Lade- und Entladevorgänge der verschiedenen Akkumulatorzellen zum Zwecke der Erhöhung der Batterielebensdauer und des möglichst langen Erhalts einer ausreichenden Batteriekapazität verbessert wurden.Therefore, various types of battery systems are already known from the prior art, in which - taking into account the respective charge and health conditions of the battery cells - taking place during operation of the battery system charging and discharging the various battery cells for the purpose of increasing the battery life and the possible long retention of sufficient battery capacity have been improved.
Beim so genannten passiven Balancing (engl. „passive balancing“) werden die (im Hinblick auf ihren Ladezustand) am weitest geladenen Akkumulatorzellen einer Batterie gegen Ende des Ladzyklus mit einem parallel geschalteten Widerstand belastet, womit die Spannung an den betreffenden Zellen auf deren Ladeschlussspannung begrenzt werden kann. Die Zellen mit dem höchsten Ladezustand werden dann nur gering weiter geladen (oder ggfs. sogar etwas entladen), während die anderen Zellen der Batterie, die ihre Ladeschlussspannung noch nicht erreicht haben, weiterhin mit dem vollen Ladestrom versorgt werden. Das Entladen der Batterie wird beim passiven Balancing typischer Weise abgebrochen, wenn die (im Hinblick auf ihren Ladezustand) schlechteste Zelle der Batterie ihre Entladeschlussspannung erreicht hat. Trotz dieser Maßnahmen bleibt festzustellen, dass auch beim passiven Balancing die schlechtesten Zellen der Batterie dem größten „Stress“ ausgesetzt sind, wodurch sich deren Gesundheitszustand im Sinne einer sich selbst beschleunigenden Alterung verschlechtert. Außerdem wird die nutzbare Kapazität der Batterie durch die Kapazität der schlechtesten Zelle bestimmt.In so-called passive balancing, the (in terms of their state of charge), the most highly charged battery cells of a battery are charged with a resistor connected in parallel at the end of the charging cycle, limiting the voltage at the respective cells to their charge end voltage can be. The cells with the highest state of charge are then only slightly charged further (or possibly even discharged), while the other cells of the battery, which have not yet reached their charge end voltage, continue to be supplied with the full charging current. Discharging of the battery is typically stopped during passive balancing when the battery's (in terms of its state of charge) worst battery cell has reached its discharge end voltage. Despite these measures, it remains to be noted that even in passive balancing the worst cells of the battery are exposed to the greatest "stress", which worsens their state of health in terms of self-accelerating aging. In addition, the usable capacity of the battery is determined by the capacity of the worst cell.
Bessere Ergebnisse zur Lebensdauerverlängerung von wiederaufladbaren Batterien mit einer Mehrzahl an in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen werden mit dem so genannten aktiven Balancing (engl.: „active balancing“) erzielt, welches auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt.Better lifetime extension results of rechargeable batteries having a plurality of battery cells connected in series are achieved with the so-called active balancing, which is also used in the context of the present invention.
Dabei wird mittels einer geeigneten Active-Balancing-Schaltung während eines Ladevorgangs Energie bzw. elektrische Ladung von schlechten zu guten Zellen und während eines Entladevorgangs Energie von guten zu schlechten Zellen übertragen, so dass sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Batterie etwaige Ungleichheiten im Ladezustand der Akkumulatorzellen (bezogen auf deren jeweils aktuelle Kapazität) stets ausgeglichen werden können, wodurch im Ergebnis alle Zellen dem gleichen „Stress“ ausgesetzt sind.In this case, by means of a suitable active balancing circuit during a charging energy or electrical charge from bad to good cells and transferred during a discharge energy from good to bad cells, so that both charging and discharging the battery any inequalities in the state of charge the accumulator cells (based on their respective current capacity) can always be compensated, as a result, all cells are exposed to the same "stress".
Der Vorteil beim aktiven Balancing besteht in einem (im Vergleich zum passiven Balancing) deutlich höheren Wirkungsgrad, da dabei typischer Weise Energie nur zu einem geringen Grad in (Verlust-)Wärme umgewandelt und beispielsweise nicht in den beim passiven Balancing benötigten Widerständen „verheizt“ wird. Ferner ist beim aktiven Balancing von Vorteil, dass dort eine im Vergleich zum passiven Balancing erhöhte Gesamtkapazität des Akkumulators erzielt wird, da jede Akkumulatorzelle jeweils vollständig ge- und entladen wird. Als nachteilig erweist sich hingegen der beim aktiven Balancing höhere Schaltungsaufwand und die damit verbundenen höheren Kosten, so dass aktives Balancing bisher primär in hohen Leistungsbereichen Anwendung findet, wie beispielsweise bei Traktionsbatterien im Bereich der Elektromobilität oder Batterie-Speicherkraftwerken. Als grundsätzlich geeignet erweist sich das aktive Balancing jedoch bei allen im Stand der Technik typischerweise verwendeten Arten von wiederaufladbaren Batterien, die aus einer Mehrzahl an Akkumulatorzellen aufgebaut sind.The advantage of active balancing consists in a (compared to the passive balancing) significantly higher efficiency, since typically energy is converted only to a small degree in (loss) heat and, for example, not "burned" in the passive balancing required resistors , Furthermore, it is advantageous in active balancing that there is achieved a total capacity of the accumulator which is increased in comparison to passive balancing, since each accumulator cell is in each case completely charged and discharged. On the other hand, it proves to be disadvantageous in the active balancing higher circuit complexity and the associated higher costs, so that active balancing has been primarily used in high performance areas, such as traction batteries in the field of electromobility or battery storage power plants. However, active balancing proves to be fundamentally suitable in all types of rechargeable batteries typically used in the prior art, which are constructed from a plurality of rechargeable battery cells.
Zum aktiven Balancing existiert bereits eine Vielzahl an elektronischen Schaltungen mit unterschiedlichsten Schalttopologien, die häufig vergleichsweise komplex gestaltet und teuer in der Herstellung sind.For active balancing already exists a variety of electronic circuits with different switching topologies, which are often designed comparatively complex and expensive to manufacture.
Teilweise erlauben die aus dem Stand der Technik bekannten Active-Balancing-Schaltungen nur einen Ladungs- bzw. Energietransfer zwischen benachbarten Akkumulatorzellen der Batterie, was sich insbesondere für Batterien mit einer großen Zahl an Akkumulatorzellen als nicht geeignet bzw. als auch sonst nicht optimal erweist. Weiterhin sind verschiedene Ausgestaltungen von Active-Balancing-Schaltkreisen bekannt, bei denen zum induktiven Ladungsaustausch zwischen den Zellen auf teure Transformatoren zurückgegriffen werden muss, was mit der vorliegenden Erfindung vermieden werden soll.In part, the known from the prior art active balancing circuits allow only a charge or energy transfer between adjacent battery cells of the battery, which in particular for batteries with a large number of accumulator cells as not suitable or otherwise not optimal proves. Furthermore, various embodiments of active balancing circuits are known in which inductive charge exchange between the cells on expensive transformers must be used, which is to be avoided with the present invention.
Eine - als bidirektionaler Spannungswandler ausgestaltete - Schaltung zum aktiven Balancing ist beispielsweise in
Vor dem Hintergrund des vorstehend erläuterten Stands der Technik ist es somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst einfach aufgebautes sowie kostengünstig herstellbares Batteriesystem der eingangs genannten Art mit einer möglichst effizienten Active-Balancing-Schaltung auf Grundlage einer neuartigen Schalttopologie sowie ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb eines solchen Batteriesystems bereitzustellen.Against the background of the above-described prior art, it is thus the object of the present invention to provide a simple and inexpensive to manufacture battery system of the type mentioned with the most efficient active balancing circuit based on a novel switching topology and an advantageous method of operation to provide such a battery system.
Diese Aufgabe wird mit einem Batteriesystem nach Anspruch 1 sowie einem Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Batteriesystems nach Anspruch 8 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der vorliegenden Beschreibung.This object is achieved with a battery system according to
Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst eine wiederaufladbare Batterie, welche zwei Pole und eine Mehrzahl an zwischen den Polen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen aufweist, sowie eine Active-Balancing-Schaltung zur Überwachung und aktiven Regelung der Ladungszustände der Akkumulatorzellen. Dabei ist in der Active-Balancing-Schaltung zu jeder Akkumulatorzelle ein als bidirektionaler DC-DC-Wandler fungierender Zwischenschaltkreis vorgesehen, wobei jeder Zwischenschaltkreis die beiden Pole der jeweiligen Akkumulatorzelle unter Zwischenschaltung einer Induktivität und eines ersten Transistors verbindet. In jedem Zwischenschaltkreis ist zwischen der Induktivität und dem ersten Transistor eine Abzweigung vorgesehen, die unter Zwischenschaltung eines zweiten Transistors an einen alle Zwischenschaltkreise leitend verbindenden DC-Link angeschlossen ist, wobei der DC-Link über einen Kondensator mit einem Referenzpotential gekoppelt ist. Dabei ist die Active-Balancing-Schaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems dazu geeignet und in einem regulären Betriebsmodus dazu eingerichtet, den DC-Link auf einem vorgebbaren Potential zu halten, welches entweder größer als das Potential am positiven Pol der Batterie oder kleiner als das Potential am negativen Pol der Batterie ist.The battery system according to the invention comprises a rechargeable battery which has two poles and a plurality of battery cells connected in series between the poles, and an active balancing circuit for monitoring and actively regulating the charge states of the battery cells. In this case, an intermediate circuit functioning as a bidirectional DC-DC converter is provided in the active balancing circuit for each accumulator cell, each intermediate circuit connecting the two poles of the respective accumulator cell with the interposition of an inductance and a first transistor. In each intermediate circuit, a branch is provided between the inductance and the first transistor, which is connected with the interposition of a second transistor to a DC link which conductively connects all intermediate circuits, the DC link being coupled to a reference potential via a capacitor. In this case, the active balancing circuit of the battery system according to the invention is suitable and configured in a regular operating mode to hold the DC link at a predeterminable potential which is either greater than the potential at the positive pole of the battery or less than the potential at the negative Pole of the battery is.
Bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem, dessen konkrete Funktionsweise weiter unten anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung noch ausführlich erläutert wird, kann während der im Betrieb des Batteriesystems erfolgenden Lade- und Entladevorgänge durch geeignete Ansteuerung der in den jeweiligen Zwischenschaltkreisen vorgesehenen Transistoren elektrische Ladung von einer ersten Akkumulatorzelle in den DC-Link und über diesen in eine zweite (beliebige sonstige) Akkumulatorzelle übertragen werden. Die in den Zwischenschaltkreisen angeordneten Induktivitäten dienen dabei auch als Zwischenspeicher für die zwischen verschiedenen Akkumulatorzellen auszutauschende Energie. Ferner kann der im Rahmen des Active-Balancing erwünschte Ausgleich der Ladungszustände aller Akkumulatorzellen bei der vorliegenden Erfindung derart erfolgen, dass im Betrieb des Batteriesystems - gewissermaßen gleichzeitig - Ladung (über den DC-Link) zwischen einer beliebigen Mehrzahl an Akkumulatorzellen ausgetauscht werden kann. Aufgrund der Möglichkeit zum gleichzeitigen Ladungsaustausch zwischen beliebig wählbaren Akkumulatorzellen, kann die Einschaltdauer der Active-Balancing-Schaltung sowie der mittlere Strom durch die Schalter und Induktivitäten vergleichsweise klein gehalten werden, wodurch letztlich vergleichsweise klein dimensionierte und preisgünstige Komponenten zum Einsatz kommen können.In a battery system according to the invention, the concrete operation will be explained in detail below with reference to an embodiment of the invention, during the operation of the battery system taking place charging and discharging by suitable control of the provided in the respective intermediate circuits transistors electrical charge from a first battery cell in the DC-Link and be transferred via this into a second (any other) accumulator cell. The inductances arranged in the intermediate circuits also serve as intermediate storage for the energy to be exchanged between different accumulator cells. Furthermore, in the context of the active balancing desired balancing of the charge states of all battery cells in the present invention can be such that during operation of the battery system - virtually simultaneously - charge (via the DC link) can be exchanged between any plurality of battery cells. Due to the possibility of simultaneous charge exchange between arbitrarily selectable accumulator cells, the duty cycle of the active balancing circuit and the average current through the switches and inductors can be kept relatively small, which ultimately comparatively small-sized and inexpensive components can be used.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Referenzpotential, mit welchem der DC-Link über den Kondensator gekoppelt ist, in zweckmäßiger Weise durch das (elektrische) Potential am Plus- oder Minuspol der Batterie definiert sein, wobei es sich bei dem Referenzpotential in zweckmäßiger (jedoch nicht zwingender) Ausgestaltung der Erfindung um eine Erdung (=Nullpotential) handeln kann. Wenn also z.B. das Referenzpotential im Sinne einer Erdung dem Nullpotential entspricht und gleichzeitig auch der Minuspol der Batterie auf dem Referenzpotential liegt, so entspricht die am Kondensator abfallende Spannung exakt dem Potential des DC-Links, welches dann betragsmäßig auf einem Wert zu halten ist, der größer als die zwischen den Polen der Batterie anliegende Batteriespannung ist.In the context of the present invention, the reference potential with which the DC link is coupled via the capacitor can be more expedient Be defined by the (electrical) potential at the positive or negative terminal of the battery, wherein it may be in the appropriate (but not mandatory) embodiment of the invention, the reference potential in a grounding (= zero potential). So if, for example, the reference potential in the sense of grounding corresponds to the zero potential and at the same time the negative pole of the battery is at the reference potential, then the voltage dropping across the capacitor corresponds exactly to the potential of the DC link, which then has to be kept in magnitude to a value is greater than the battery voltage applied between the poles of the battery.
Ob dabei für das Potential des DC-Links ein Wert oberhalb des Potentials am Pluspol der Batterie oder aber ein Wert unterhalb des Potentials am Minuspol der Batterie gewählt wird, ist letztlich abhängig von der Reihenfolge der in den jeweiligen Zwischenschaltkreisen in die Verbindung der gegensätzlichen Pole der Akkumulatorzellen zwischengeschalteten Induktivität und des ersten Transistors.Whether a value above the potential at the positive pole of the battery or a value below the potential at the negative pole of the battery is selected for the potential of the DC link is ultimately dependent on the order of the in the respective intermediate circuits in the connection of the opposite poles of Accumulator cells intermediate inductance and the first transistor.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist vergleichsweise kostengünstig herstellbar, da die Active-Balancing-Schaltung als elektrotechnische Bauteile - neben der sonstigen Steuerelektronik und einem Kondensator - pro Akkumulatorzelle bzw. Zwischenschaltkreis lediglich zwei Transistoren und eine Induktivität benötigt. Sie erweist sich aufgrund des Verzichts auf (nicht lediglich der Stromerfassung dienende) Widerstände und/oder sonstige elektrotechnische Bauteile in den Zwischenschaltkreisen sowie aufgrund des weitgehend verlustfreien Ladungsaustauschs über den als leitende Verbindung ausgestalteten DC-Link auch als außerordentlich effizient, d.h. es ergibt sich eine insgesamt sehr geringe Verlustleistung.The battery system according to the invention is relatively inexpensive to produce, since the active-balancing circuit as electrical components - in addition to the other control electronics and a capacitor - requires only two transistors and an inductance per accumulator cell or intermediate circuit. It proves to be extremely efficient due to the omission of resistors (and not merely current sensing) and / or other electrical components in the intermediate circuits as well as largely lossless charge exchange via the DC link configured as a conductive connection. This results in a total of very low power loss.
Zur Funktionsweise des erfindungsgemäßen Batteriesystems sei zunächst darauf hingewiesen, dass sich das (elektrische) Potential des DC-Links durch geeignete Schaltung der verschiedenen Zwischenkreistransistoren variieren lässt, indem die Transistoren so geschaltet werden, dass die Summe aller aus den Zwischenkreisen über die jeweils zweiten Transistoren in den DC-Link fließenden und aus dem DC-Link in die Zwischenkreise fließenden Ströme größer oder kleiner null ist.For the operation of the battery system according to the invention should first be noted that the (electrical) potential of the DC link can be varied by appropriate circuit of the various DC link transistors by the transistors are switched so that the sum of all the intermediate circuits via the respective second transistors in the DC link flowing and flowing from the DC link into the DC link currents is greater or lesser zero.
Bei Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Batteriesystems kann daher vorteilhaft der den DC-Link mit dem Referenzpotential koppelnde Kondensator einmalig auf eine vorgebbare Sollspannung aufgeladen werden, welche das Spannungsniveau des DC-Links gegen das Referenzpotential und somit das (absolute) Potential des DC-Links definiert. Im weiteren regulären Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriesystems kann dann beim Active-Balancing insbesondere dafür Sorge getragen werden, dass die Summe der aus den Zwischenschaltkreisen in den DC-Link und der aus dem DC-Link in die übrigen Zwischenschaltkreise fließenden (vorzeichenbehafteten) Ströme stets Null ergibt, so dass das Potential des DC-Links im regulären Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriesystems vorzugsweise zumindest weitgehend konstant bleibt.When the battery system according to the invention is put into operation, it is therefore advantageous for the capacitor coupling the DC link to the reference potential to be charged once to a predefinable nominal voltage which defines the voltage level of the DC link against the reference potential and thus the (absolute) potential of the DC link. In the further regular operation of the battery system according to the invention, active balancing can be used to ensure that the sum of the (signed) currents flowing from the intermediate circuits into the DC link and from the DC link into the other intermediate circuits always equals zero , so that the potential of the DC link in the regular operation of the battery system according to the invention preferably remains at least substantially constant.
Selbstverständlich werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung beim Active-Balancing in an sich aus dem Stand der Technik bekannter Weise Ladezustands- und Gesundheitskenngrößen der verschiedenen Akkumulatorzellen ermittelt, um hieraus den Ausgleichsbedarf zwischen den einzelnen Akkumulatorzellen der Batterie zu ermitteln und dann - durch geeignete Ansteuerung der Transistoren - für einen geeigneten Ladungstransfer zwischen den verschiedenen Akkumulatorzellen zu sorgen.Of course, in the context of the present invention, state of charge and health characteristics of the various battery cells are determined in active balancing in a manner known per se from the prior art in order to determine the need for equalization between the individual battery cells of the battery and then - by suitable control of the transistors to provide for a suitable charge transfer between the different battery cells.
Als Gesundheitskenngröße wird im Rahmen des Active-Balancing typischerweise der sogenannte SOH („State of Health“) ermittelt, der (in prozentualer Weise) angibt, welche Kapazität die jeweilige Akkumulatorzelle im Vergleich zum typischen Auslieferungszustand einer solchen Akkumulatorzelle hat. Außerdem wird als Ladezustandsgröße typischerweise der sogenannte SOC („State of Charge“) bestimmt, der (ebenfalls in prozentualer Weise) angibt, welche Ladung die jeweilige Akkumulatorzelle im Vergleich zur möglichen Gesamtladung aktuell beinhaltet. Beispielsweise würde 80% SOH für eine 1000 mAh Zelle bedeuten, dass die Zelle nur noch eine Kapazität von 800 mAh aufweist. Ein SOC von 50% bedeutet dann für diese Zelle, dass sie aktuell gerade 400 mAh hält. Der SOC kann z.B. aus der Zellenspannung und einer bekannten Entlade- bzw. Ladekurve ermittelt werden, wobei diese Ermittlung aufgrund der sehr flach verlaufenden Kurve gerade in mittleren SOC-Zuständen (20% bis 80%) vergleichsweise ungenau ist.As a health indicator, the so-called SOH ("State of Health") is typically determined in the context of active balancing, which indicates (in a percentage manner) which capacity the respective accumulator cell has in comparison to the typical delivery state of such a storage cell. In addition, the so-called SOC ("state of charge") is typically determined as the state of charge, which indicates (also in a percentage), which charge the respective battery cell currently contains compared to the total possible charge. For example, 80% SOH for a 1000 mAh cell would mean that the cell only has a capacity of 800 mAh. An SOC of 50% then means for this cell that it currently holds just 400 mAh. The SOC may e.g. be determined from the cell voltage and a known discharge or charging curve, this determination is relatively inaccurate, especially in medium SOC states (20% to 80%) due to the very flat curve.
Jeder Zellentyp hat eine definierte Ladeschlussspannung, bei der die Zelle vollständig geladen ist. Diese beträgt beispielsweise 4,2 V für typische Lithium-Ionen Zellen. Ebenfalls ist für jeden Zellentyp vom Hersteller eine Entladeschlussspannung vorgegeben. Diese beträgt typischerweise 2,5 V bis 2,9 V für Lithium-Ionen Zellen.Each cell type has a defined end-of-charge voltage at which the cell is fully charged. This is, for example, 4.2 V for typical lithium-ion cells. Likewise, a discharge end voltage is specified by the manufacturer for each cell type. This is typically 2.5V to 2.9V for lithium-ion cells.
Die Steuereinheit der Active-Balancing-Schaltung benötigt für die Ermittlung von SOH und SOC typischerweise folgende Messwerte: Aktuelle (individuelle) Zellspannung jeder Akkumulatorzelle, Gesamtlade- / Entladestrom in die Batterie hinein bzw. aus der Batterie heraus, Differenzstrom jeder Zelle (in den DC-Link hinein oder aus diesem heraus) aufgrund des Balancings sowie die dabei jeweils verstrichene Zeit.The control unit of the active balancing circuit typically requires the following measurements to determine SOH and SOC: Current (individual) cell voltage of each battery cell, total charge / discharge current into or out of the battery, differential current of each cell (into the DC Link into or out of this) due to balancing as well as the elapsed time.
Aus dem Gesamtstrom, den einzelnen Differenzströmen und der Zeit kann dann in an sich bekannter Weise die Ladung berechnet werden, die bei einem gegebenen Lade-/ Entladevorgang von / zu jeder Akkumulatorzelle übertragen wurde. Die Steuer- bzw. Recheneinheit kann dann für jede Akkumulatorzelle aus der übertragenen Ladung und der gemessenen Zellspannung den SOH und den SOC ableiten. Diese (im weiteren Betrieb der Active-Balancing-Schaltung zu aktualisierenden) Gesundheits- und Ladezustandskenngrößen können dann in nachfolgenden Lade- bzw. Entladezyklen verwendet werden, wobei es anfänglich gegebenenfalls notwendig ist, die Batterie zunächst einem kompletten Lade- und Entladezyklus auszusetzen, um die für den Betrieb der Active-Balancing-Schaltung benötigten Lade- und Gesundheitszustände der einzelnen Akkumulatorzellen bestimmen zu können. Selbstverständlich kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf alle aus dem Stand der Technik bekannten und geeigneten Active-Balancing-Methoden zurückgegriffen werden, sofern diese mit den sonstigen Merkmalen der Erfindung kompatibel sind. From the total current, the individual differential currents and the time can then be calculated in a conventional manner, the charge that has been transmitted in a given charging / discharging from / to each battery cell. The control or computing unit can then derive the SOH and the SOC for each accumulator cell from the transferred charge and the measured cell voltage. These health and state of charge parameters (to be updated further in the operation of the active balancing circuit) can then be used in subsequent charging or discharging cycles, wherein initially it may be necessary to first suspend the battery for a complete charge and discharge cycle to be able to determine the charging and health states of the individual battery cells required for the operation of the active balancing circuit. Of course, in the context of the present invention, it is possible to resort to all known and suitable active balancing methods from the state of the art, provided that they are compatible with the other features of the invention.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei einer „Akkumulatorzelle“ nicht zwingend um eine einzelne galvanische (Sekundär-) Zelle handeln muss, sondern dass es sich dabei in weiterem Verständnis auch um eine ihrerseits eine Mehrzahl an (insbesondere parallel geschalteten) einzelnen galvanischen (Sekundär-)Zellen aufweisende Akkumulatorzelle handeln kann. Durch eine solche (fakultative) Parallelschaltung von einzelnen Zellen innerhalb einer Akkumulatorzelle kann ersichtlich eine erhöhte Gesamtkapazität bereitgestellt werden.It should also be pointed out that in the context of the present invention an "accumulator cell" does not necessarily have to be a single galvanic (secondary) cell, but that in a broader sense it is also a plurality (in particular parallel) switched) individual galvanic (secondary) cells having battery cell can act. By such (optional) parallel connection of individual cells within an accumulator cell, an increased overall capacity can obviously be provided.
Zum Verständnis der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Batteriesystems sei noch darauf hingewiesen, dass die Anoden der einander nachgeschalteten Akkumulatorzellen auf unterschiedlichen Spannungsniveaus liegen, wodurch auch jeder Zwischenschaltkreis zum DC-Link eine unterschiedliche Potentialdifferenz aufweist, was im Rahmen des Betriebs der erfindungsgemäß vorgesehen Active-Balancing-Schaltung berücksichtigt werden muss.To understand the operation of the battery system according to the invention should also be noted that the anodes of the battery cells downstream are at different voltage levels, whereby each intermediate circuit for DC link has a different potential difference, which in the context of the operation of the present invention provided active balancing circuit must be taken into account.
Eine erste besonders bevorzugte Ausgestaltung bzw. Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Batteriesystem eine zentrale Steuereinheit sowie für jeden Zwischenschaltkreis wenigstens eine mit der zentralen Steuereinheit direkt oder indirekt verbundene lokale Gate-Ansteuerung zur Ansteuerung der in dem jeweiligen Zwischenschaltkreis vorgesehenen Transistoren aufweist, wobei die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet ist, jeder lokalen Gate-Ansteuerung zeitabschnittsweise verschiedene Betriebsmodi vorzugeben, und wobei jede lokale Gate-Ansteuerung dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen von ihr anzusteuernden Transistor unter Auswertung der an dem betreffenden Transistor anliegenden Spannung, des durch den betreffenden Transistor fließenden Stroms und des momentan von der zentralen Steuereinheit vorgegebenen Betriebsmodus' zu schalten.A first particularly preferred embodiment or development of the present invention provides that the battery system has a central control unit and, for each intermediate circuit, at least one local gate drive directly or indirectly connected to the central control unit for controlling the transistors provided in the respective intermediate circuit the central control unit is set up to specify different operating modes for each local gate drive in a timely manner, and each local gate drive is set up to control the at least one transistor to be driven by evaluating the voltage applied to the relevant transistor, that through the respective transistor flowing current and the current of the central control unit predetermined operating mode 'to switch.
Diese Ausführungsvariante der Erfindung ist besonders vorteilhaft, da somit die im Rahmen der Erfindung vorzugsweise besonders hochfrequent zu realisierende Schaltung der Transistoren durch die wenigstens eine lokale Gate-Ansteuerung unter Auswertung der lokalen Ströme und Spannungen erfolgen kann. Die lokalen Gate-Ansteuerungen können dabei hochfrequent getaktet sein (z.B. mit einer ersten hohen Frequenz von größer gleich 0,5 MHz, größer gleich 0,9 MHz und besonders bevorzugt in einem Frequenzbereich zwischen 0,9 und 1,1 MHz), während die durch die zentrale Steuereinheit zeitabschnittsweise erfolgende Vorgabe des jeweils aktuell geltenden Betriebsmodus mit einer demgegenüber (deutlich) niedrigeren zweiten Frequenz (z.B. im Bereich zwischen 10 Hz und 100 kHz, vorteilhaft mit einer Frequenz im Bereich von ca. 100 Hz bis 1 kHz) variiert werden kann.This embodiment variant of the invention is particularly advantageous since the circuit of the transistors, which is preferably to be realized in a particularly high frequency within the scope of the invention, can be performed by the at least one local gate drive with evaluation of the local currents and voltages. The local gate drives can be clocked at high frequency (eg with a first high frequency of greater than or equal to 0.5 MHz, greater than or equal to 0.9 MHz and particularly preferred in a frequency range between 0.9 and 1.1 MHz), while the by the central control unit time-wise setting of the currently applicable operating mode with a contrast (significantly) lower second frequency (eg in the range between 10 Hz and 100 kHz, advantageously with a frequency in the range of about 100 Hz to 1 kHz) can be varied ,
Insoweit ist also in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die für jede Gate-Ansteuerung vorzugebenden Betriebsmodi mit einer ersten niedrigen Frequenz (z.B. im Bereich zwischen 100 Hz und 100 kHz) vorzugeben bzw. zu aktualisieren, und dass die lokalen Gate-Ansteuerungen und die Transistoren für eine hochfrequente Ansteuerung und Schaltung mit einer demgegenüber höheren (z.B. mit einer um einen Faktor von wenigstens 10 oder 100 höheren) Frequenz (insbesondere größer gleich 0,5 MHz) eingerichtet sind.In that regard, in a preferred embodiment of the invention, it is provided that the central control unit is set up to preset or update the operating modes to be preset for each gate drive at a first low frequency (eg in the range between 100 Hz and 100 kHz), and in that the local gate drives and the transistors are set up for a high-frequency drive and circuit with a higher (eg with a factor of at least 10 or 100 higher) frequency (in particular greater than 0.5 MHz).
Da die Betriebsmodusvorgabe durch die zentrale Steuereinheit unter Auswertung der jeweiligen Lade- und Gesundheitszustandskenngrößen aller Akkumulatorzellen zu erfolgen hat, erweist es sich als vorteilhaft, dass diese Betriebsmodusvorgabe lediglich mit niedriger Frequenz an die jeweiligen lokalen Gate-Ansteuerungen übertragen werden muss. Ferner können solche - vergleichsweise langsamen - Signale auch einfacher über die unterschiedlichen Spannungsniveaus hinweg übertragen werden, z.B. ohne hierfür auf teuere Optokoppler oder Level-Shifter angewiesen zu sein.Since the operating mode specification has to be carried out by the central control unit by evaluating the respective charge and health state characteristics of all battery cells, it proves to be advantageous that this operating mode specification only has to be transmitted to the respective local gate drives with low frequency. Furthermore, such - comparatively slow - signals can also be transmitted more easily over the different voltage levels, e.g. without having to rely on expensive optocouplers or level shifters.
Eine etwas ausführlichere Beschreibung zum Zusammenwirken der zentralen Steuereinheit und der lokalen Gate-Ansteuerungen findet sich weiter unten im Rahmen der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.A more detailed description of the interaction of the central control unit and the local gate drives can be found below in the description of a preferred embodiment of the present invention.
Bei der vorstehend erläuterten Ausführungsvariante der Erfindung kann entweder für jeden zu schaltenden Transistor eine separate lokale Gate-Ansteuerung vorgesehen sein (also insgesamt zwei lokale Gate-Ansteuerungen pro Zwischenschaltkreis) oder es kann pro Zwischenschaltkreis nur eine Gate-Ansteuerung vorgesehen sein, mit der dann beide Transistoren des betreffenden Zwischenschaltkreises angesteuert werden. Durch geeignete Wahl bzw. Vorgabe der Schaltzeitpunkte der beiden Transistoren eines Zwischenschaltkreises kann dann der aus dem DC-Link in die dem jeweiligen Zwischenschaltkreis zugeordnete Akkumulatorzelle hineinfließende (bzw. aus der Akkumulatorzelle in den DC-Link fließende) Strom beliebig eingestellt werden.In the embodiment of the invention described above, either for each switching transistor may be provided a separate local gate drive (ie a total of two local gate drives per intermediate circuit) or it may be provided per intermediate circuit only one gate drive, with which then both transistors of the respective intermediate circuit are driven. By suitable choice or specification of the switching times of the two transistors of an intermediate circuit, the current flowing in from the DC link into the accumulator cell (or from the accumulator cell into the DC link) flowing into the respective intermediate circuit can then be set as desired.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der von der zentralen Steuereinheit für jede lokale Gate-Ansteuerung vorzugebende Betriebsmodus durch Übermittlung von wenigstens einer Betriebskenngröße vorgegeben wird, die vorgibt, ob die dem jeweiligen Zwischenschaltkreis zugeordnete Akkumulatorzelle aktuell über den DC-Link geladen, entladen oder weder ge- noch entladen werden soll. Hierdurch wird also lediglich vorgegeben, ob aktuell Strom aus der jeweiligen Akkumulatorzelle in den DC-Link oder vom DC-Link in die Akkumulatorzelle (oder keines von beidem) fließen soll.Furthermore, it may be advantageously provided that the predetermined by the central control unit for each local gate drive mode is specified by transmitting at least one operating parameter that specifies whether the respective intermediate circuit associated accumulator currently loaded via the DC link, discharged or neither still to be unloaded. In this way, it is merely predetermined whether current should flow from the respective accumulator cell into the DC link or from the DC link into the accumulator cell (or neither).
Allein hiermit lässt sich dann für die einzelnen Transistoren ein besonders einfach zu realisierendes Schaltschema vorgeben, mit dem die jeweilige lokale Gate-Ansteuerung den ihr zugeordneten Transistor unter Auswertung der hierfür auf geeignete Weise zu ermittelnden lokalen Spannungen und Ströme hochfrequent schalten kann. Der Strom durch den jeweiligen Transistor kann beispielsweise über den Spannungsabfall an einem (der lokalen Gate-Ansteuerung zugeordneten) Messwiderstand, insbesondere einem Shuntwiderstand, ermittelt werden, der dem jeweiligen Transistor in Reihe vor- oder nachgeschaltet sein kann.This alone can then be used for the individual transistors to specify a particularly simple to implement switching scheme, with which the respective local gate drive can switch the associated transistor high frequency under evaluation of this purpose to be determined in a suitable manner local voltages and currents. The current through the respective transistor can be determined, for example, via the voltage drop across a measuring resistor (in particular a shunt resistor assigned to the local gate drive), which can be connected upstream or downstream of the respective transistor.
Ergänzend kann dabei vorgesehen sein, dass von der zentralen Steuereinheit für jede Akkumulatorzelle nicht nur die jeweils aktuell (d.h. für einen vorgegebenen Zeitabschnitt) benötigte Stromrichtung vorgegebenen wird, sondern dass dabei - als weitere Betriebskenngröße - auch der Betrag des jeweils aktuell benötigten Stroms vorgegeben wird, wozu - wie sich dies aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung noch näher ergibt - die Schaltzeitpunkte der jeweiligen Transistoren geeignet angepasst werden müssen. Hierfür kann z.B. ein digitaler oder analoger Referenzwert an die lokale Gate-Ansteuerung übermittelt werden, wobei es wiederum ausreichend ist, wenn auch dieser Referenzwert mit der vergleichsweise geringen Frequenz von z.B. 1 kHz übertragen bzw. aktualisiert wird.In addition, it may be provided that the central control unit not only prescribes the respective current direction (ie, for a predetermined period of time) for each accumulator cell, but also specifies the amount of the currently required current as a further operating parameter. to which - as this becomes even more apparent from the following description of an embodiment of the invention - the switching times of the respective transistors must be suitably adapted. For this purpose, e.g. a digital or analogue reference value is transmitted to the local gate drive, which in turn is sufficient, although this reference value with the comparatively low frequency of e.g. 1 kHz is transmitted or updated.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass jede lokale Gate-Ansteuerung durch einen separaten integrierten Schaltkreis (IC) realisiert ist. Grundsätzlich ist es jedoch ebenfalls möglich, dass alle lokalen Gate-Ansteuerungen durch einen einzigen IC realisiert sind.In the context of the present invention, it can be advantageously provided that each local gate drive is realized by a separate integrated circuit (IC). In principle, however, it is also possible that all local gate drives are realized by a single IC.
Ferner erweist es sich - insbesondere auch aus Kostengründen - als vorteilhaft, dass gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein kann, dass die in den Zwischenschaltkreisen verbauten Induktivitäten als Luftspulen oder Leiterbahnspulen ausgeführt sind. Es ergibt sich nämlich, dass eine erfindungsgemäße Active-Balancing-Schaltung - insbesondere bei hochfrequenter Ansteuerung der Transistoren mit Frequenzen in der Größenordnung von etwa 1 MHz - mit Spulen mit sehr geringen Induktivitäten von z.B. lediglich 500 nH betreibbar ist.Furthermore, it proves to be advantageous, particularly for cost reasons, that according to a further preferred embodiment of the present invention it may be provided that the inductors built into the intermediate circuits are designed as air coils or conductor track coils. In fact, it follows that an active balancing circuit according to the invention - in particular with high frequency driving of the transistors with frequencies of the order of about 1 MHz - with coils with very low inductances of e.g. only 500 nH is operable.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung noch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Batteriesystems umfassend die folgenden Schritte:
- A) Vorgabe eines Potentials, welches entweder größer als das Potential am positiven Pol der Batterie oder kleiner als das Potential am negativen Pol der Batterie ist
- B) Aufladen des den DC-Link mit dem Referenzpotential koppelnden Kondensators auf eine Soll-Spannung, bei der das Potential des DC-Links dem in Schritt (A) vorgegebenen Potential entspricht
- C) Betrieb der Active-Balancing-Schaltung in einem regulären Betriebsmodus derart, dass das Potential des DC-Links im Wesentlichen unverändert bleibt.
- A) specification of a potential which is either greater than the potential at the positive pole of the battery or less than the potential at the negative pole of the battery
- B) Charging the capacitor coupling the DC link to the reference potential to a desired voltage at which the potential of the DC link corresponds to the predetermined potential in step (A)
- C) Operating the active balancing circuit in a regular operating mode such that the potential of the DC link remains substantially unchanged.
Zu den Vorteilen und besonders zweckmäßigen Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens darf auf die bereits erfolgte Beschreibung des erfindungsgemäßen Batteriesystems und die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung verwiesen werden. Dabei zeigt
-
1 einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriesystems, -
2 einen Schaltplan zudem Ausführungsbeispiel nach 1 mit insgesamt fünf Akkumulatorzellen, in welchem zusätzlich auch die zentrale Steuereinheit und die lokalen Gate-Ansteuerungen für die verschiedenen Transistoren in den verschiedenen Zwischenschaltkreisen dargestellt sind, -
3 den Schaltplan aus 1 , ergänzt um verschiedene Definitionen zu den in der Active-Balancing-Schaltung vorherrschenden Spannungen und Strömen, -
4a eine schematische Darstellung des durch die Induktivität eines Zwischenschaltkreises fließenden Stroms im zeitlichen Verlauf in einem ersten Betriebsmodus, -
4b eine schematische Darstellung des durch die Induktivität eines Zwischenschaltkreises fließenden Stroms im zeitlichen Verlauf in einem zweiten Betriebsmodus, -
5a /b Ergebnisse einer numerischen Simulation zu verschiedenen sich im Betrieb einer erfindungsgemäßen Batteriesystems bei Ladungsentnahme aus einer Akkumulatorzelle einstellenden Strom- und Spannungsverläufen, und -
6a /b Ergebnisse einer numerischen Simulation zu verschiedenen sich im Betrieb einer erfindungsgemäßen Batteriesystems bei Ladungszufuhr zu einer Akkumulatorzelle einstellenden Strom- und Spannungsverläufen.
-
1 a circuit diagram of an embodiment of a battery system according to the invention, -
2 a circuit diagram for the embodiment according to1 with a total of five battery cells, in which additionally also the central control unit and the local gate drives for the different transistors in the different intermediate circuits are shown, -
3 the circuit diagram1 , supplemented by various definitions of the active Balancing circuit prevailing voltages and currents, -
4a a schematic representation of the current flowing through the inductance of an intermediate circuit current over time in a first operating mode, -
4b a schematic representation of the current flowing through the inductance of an intermediate circuit current over time in a second operating mode, -
5a / b results of a numerical simulation of different current and voltage characteristics occurring during operation of a battery system according to the invention when discharging a charge from an accumulator cell, and -
6a / b Results of a numerical simulation of various current and voltage curves occurring during operation of a battery system according to the invention when charge is supplied to an accumulator cell.
Ferner ist eine - in
Im Betrieb des Batteriesystems
In alternativer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems, bei der dann in jedem Zwischenschaltkreis S1, S2, ..., Sn die dortige Induktivität L mit dem ersten Transistor Q1 Platz tauschen müssten, könnte der DC-Link
Bei den Transistoren Q1, Q2 in den verschiedenen (jeweils als bidirektionaler DC-DC-Wandler arbeitenden) Zwischenschaltkreisen S1, S2, ..., Sn handelt es sich im gegebenen Ausführungsbeispiel um handelsübliche (Feldeffekt-)Transistoren mit integrierter oder externer Freilaufdiode bzw. Transistoren mit Freilaufdiodenfunktion, wie das verwendete Schaltzeichen verdeutlicht. Bevorzugt können vorliegend Hochfrequenztransistoren, insbesondere GaN-Transistoren, Verwendung finden, mit denen insbesondere auch hohe Schaltfrequenzen größer als 0,5 MHz, z.B. im Bereich von 0,9 - 1,1 MHz oder höher, realisierbar sind.The transistors Q1, Q2 in the various intermediate circuits (each functioning as a bidirectional DC-DC converter) S 1 , S 2 ,..., S n in the given exemplary embodiment are commercially available (field effect) transistors with integrated or external Free-wheeling diode or transistors with freewheeling diode function, as the circuit diagram used illustrates. In the present case, it is possible to use high-frequency transistors, in particular GaN transistors, with which, in particular, high switching frequencies greater than 0.5 MHz, for example in the range of 0.9-1.1 MHz or higher, can be realized.
Ein Ladungstransfer von einer ersten Akkumulatorzelle Zi zu einer zweiten Akkumulatorzellen Zj kann erfolgen, indem durch geeignete Schaltung der Transistoren Q1, Q2 in den betreffenden Zwischenschaltkreisen Si, Sj im zeitlichen Mittel Ladung aus dem ersten (der ersten Akkumulatorzelle Zi zugeordneten) Zwischenschaltkreis Si in den DC-Link
Die Auswahl derjenigen Akkumulatorzellen, die während eines Lade- oder Entladevorgangs der Batterie (über den DC-Link) ergänzend Ladung zu anderen Akkumulatorzellen transferieren oder Ladung von anderen Akkumulatorzellen empfangen sollen, erfolgt dabei im Rahmen des Active-Balancing durch eine (in
Die zentrale Steuereinheit
Im Rahmen des Betriebs des erfindungsgemäßen Batteriesystems
Dabei können dann die lokalen Gate-Ansteuerungen G1, G2 mit einem vergleichsweise einfachen Schaltschema betrieben werden, wobei zur Vorgabe des Betriebsmodus' durch die zentrale Steuereinheit lediglich zwei binäre Steuersignale (mit Werten „Low“ oder „High“) als Betriebskenngröße an die Anschlüsse „RUN“ und „ACT“ der jeweiligen Gate-Ansteuerung G1, G2 übermittel werden müssen. Hierdurch können für jeden Zwischenschaltkreis die drei zu unterscheidenden Betriebsmodi (Akkumulatorzelle soll aus dem DC-Link geladen werden; Akkumulatorzelle soll Ladung an den DC-Link abgeben; keines von beidem) dargestellt werden. Beispielsweise kann dies mit folgender Betriebsmodusvorgabe realisiert sein:
- a) RUN=Low, ACT=(Low oder High): Die Gate-Ansteuerung G1 bzw. G2 bleibt (unabhängig von dem am Eingang ACT anliegenden Signal) insgesamt inaktiv, so dass keine aktive Schaltung des der Gate-Ansteuerung G1 bzw. G2 zugeordneten Transistors Q1 bzw. Q2 erfolgt. Wenn dies für beide lokalen Gate-Ansteuerungen G1, G2 beider Transistoren Q1, Q2 eines Zwischenschaltkreises S1, S2, ..., Sn vorgegeben ist, dann wird die zugeordnete Akkumulatorzelle Z1, Z2, ..., Zn nicht mit Ladung aus dem DC-
Link 7 bespeist und kann auch keine Ladung an den DC-Link 7 abgeben. - b1) RUN=High, ACT=Low: Die Gate-Ansteuerung ist aktiv. Abschaltung des Transistors erfolgt bei Erreichen eines (in der lokalen Gate-Ansteuerung oder ggfs. durch die zentrale Steuereinheit) vorgegebenen Schwellwerts von z.B. 1 A für den vorzeichenbehafteten Strom durch den Transistor.
- b2) RUN=High, ACT=High: Die Gate-Ansteuerung ist aktiv. Abschaltung des anzusteuernden Transistors erfolgt bei Erreichen eines (in der lokalen Gate-Ansteuerung oder ggfs. durch die zentrale Steuereinheit) vorgegebenen Schwellwerts von z.B. 4 A für den vorzeichenbehafteten Strom durch den Transistor.
- Ein Einschalten des Transistors erfolgt bei aktiver Gate-Ansteuerung (also in den vorgenannten Fällen b1 und b2) immer dann, wenn der Zustand am Eingang „RUN“ von Low nach High wechselt und gleichzeitig ACT High ist oder wenn die (Arbeits-) Spannung zwischen Source und Drain an dem der Gate-Ansteuerung zugeordneten Transistor Null wird. Durch die letztgenannte Regel wird Einschaltvorgänge ein sogenanntes Zero-Voltage-Switching realisiert, womit die in der Active- Balancing-Schaltung gegebenen Verluste deutlich reduziert werden.
- Ferner sei erwähnt, dass bei aktiver Gate-Ansteuerung das „ACT“-Signal für die beiden zu demselben Zwischenschaltkreis gehörigen Gate-Ansteuerungen G1 und G2 (für die beiden in dem jeweiligen Zwischenschaltkreis vorgesehenen) Transistoren Q1, Q2 gegensätzlich angesteuert werden muss. Wenn somit für die erste lokalen Gate-Ansteuerung G1 zu einem bestimmten Zeitpunkt RUN=High und ACT=Low vorgegeben ist, dann muss zur gleichen Zeit für die zweite lokale Gate-Ansteuerung RUN=High und ACT=High gelten (oder umgekehrt) .
- a) RUN = Low, ACT = (Low or High): The gate drive G1 or G2 remains (regardless of the signal applied to the input ACT) in total inactive, so that no active circuit of the gate drive G1 or G2 assigned transistor Q1 or Q2 takes place. If this is predetermined for both local gate drives G1, G2 of both transistors Q1, Q2 of an intermediate circuit S 1 , S 2 ,..., S n , then the associated accumulator cell Z 1 , Z 2 ,..., Z n not with charge from the
DC link 7 fed and can not charge to theDC link 7 submit. - b1) RUN = High, ACT = Low: The gate control is active. Shutdown of the transistor takes place upon reaching a (in the local gate drive or possibly. By the central control unit) predetermined threshold value of eg 1 A for the signed current through the transistor.
- b2) RUN = High, ACT = High: The gate control is active. Shutdown of the transistor to be controlled takes place upon reaching a (in the local gate drive or possibly. By the central control unit) predetermined threshold value of eg 4 A for the signed current through the transistor.
- When the gate is activated (ie in the aforementioned cases b1 and b2), the transistor is switched on whenever the state at the "RUN" input changes from low to high and at the same time ACT is high or when the (working) voltage between Source and drain at the gate drive associated transistor is zero. The latter rule realizes switch-on processes so-called zero-voltage switching, whereby the losses given in the active balancing circuit are significantly reduced.
- It should also be noted that with active gate drive, the "ACT" signal for the two gate drives G1 and G2 belonging to the same intermediate circuit (for the two transistors Q1, Q2 provided in the respective intermediate circuit) must be driven in opposite directions. Thus, if RUN = High and ACT = Low are specified for the first local gate drive G1 at a particular time, then RUN = High and ACT = High must apply at the same time for the second local gate drive (or vice versa).
Bei diesem Schaltschema schwingt die Schaltung dann in jedem aktiven Zwischenschaltkreis selbstständig (mit der hohen Frequenz von bevorzugt größer gleich 0,5 MHz, siehe oben) zwischen zwei Extremwerten Imax und Imin hin und her. Von der zentralen Steuereinheit muss dabei nur die Stromrichtung (über ACT) und das sich aus dem zeitlichen Verlauf des „RUN“-Signals ergebende Tastverhältnis vorgegeben werden, wobei diese Signale niederfrequent (z.B. mit der niedrigen Frequenz im Bereich von 100 Hz - 100 kHz, bevorzugt ca. 1 kHz) und daher auch einfach über unterschiedliche Spannungsniveaus hinweg übertragen werden können. Diese Zusammenhänge dürfen nachfolgend anhand der Fig. 3, 4a und 4b näher erläutert werden.In this circuit diagram, the circuit then oscillates independently (with the high frequency of preferably greater than or equal to 0.5 MHz, see above) in each active intermediate circuit between two extreme values I max and I min . The central control unit only has to specify the current direction (via ACT) and the duty cycle resulting from the time profile of the "RUN" signal, these signals being low-frequency (eg with the low frequency in the range from 100 Hz to 100 kHz). preferably about 1 kHz) and therefore can easily be transmitted across different voltage levels. These relationships may be explained in more detail below with reference to FIGS. 3, 4a and 4b.
Dabei bezeichnet allgemein Ub (j) die (zu einem bestimmen Zeitpunkt) im j-ten Zwischenschaltkreis Sj gegebene Zellspannung zwischen Anode und Kathode der dem j-ten Zwischenschaltkreis zugeordneten Akkumulatorzelle Zj. Ii (j) bezeichnet den (vorzeichenbehafteten) Strom durch die Induktivität L des j-ten Zwischenschaltkreises Sj, Iq (j) den Strom durch den ersten Transistor Q1 des j-ten Zwischenschaltkreises Sj und Iz (j) den Strom durch den zweiten Transistor Q2 des j-ten Zwischenschaltkreises Sj, der - je nach Vorzeichen - einem Strom aus dem Zwischenschaltkreis Sj in den DC-Link
Aufgrund des unterschiedlichen Spannungsniveaus der Anoden der verschiedenen Akkumulatorzellen Zj gilt folgender Zusammenhang:
Der von einem Zwischenschaltkreis Sj in den DC-Link
Beispielhaft könnte bei einer Batterie mit insgesamt 14 Akkumulatorzellen UZ = 75 V sein, UB = Ux (1) der obersten Akkumulatorzelle gleich 56V und Ub gleich 4V sein. Damit ist IZ (1) ca. 21% von Iq (1) für die oberste Zelle. Denn es gilt:
Für die unterste Zelle Z14 einer aus insgesamt 14 Akkumulatorzellen bestehenden Batterie
Da jeder (vom bzw. zum DC-Link
Für die zum Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriesystems
Die Spannungsdifferenz zwischen der Anode einer Akkumulatorzelle Zj und dem DC-Link
Untersuchungen an Batterien mit 14 in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen Zi haben gezeigt, dass dort bei typischen Kapazitätsverteilungen (SOH-Verteilungen) bei den Zellen ein DC-Link-Potential UZ von ca. 10 V über der Batteriespannung UB bereits ausreicht, um die durch besagte Korrektur zusätzlich entstehenden Verluste auf ca. 10% im Vergleich zu den sonstigen Verlusten in der Active-Balancing-Schaltung
Ergänzend sei angemerkt, dass die Spannungsfestigkeit handelsüblicher und prinzipiell geeigneter Transistoren typischerweise 60V, 80V, 100V oder höher beträgt. Eine Spannungsfestigkeit von 80V ist somit bei einer Batterie mit 14 in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen die niedrigste in Frage kommende Spannungsfestigkeit, da die Batteriespannung UB = Ux (1) bei Lithium-Ionen-Akkus (mit einer Akkumulatorzellspannung von jeweils maximal ca. 4,2 V) bereits einen Wert von 14*4,2V = 58,8V erreichen kann. Mit den obigen Überlegungen zu den Gesamtverlusten kann deshalb im genannten Beispiel ein DC-Link-Potential von z.B. ungefähr 75 V gewählt, womit für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem Transistoren mit einer Spannungsfestigkeit von (nur) 80V Verwendung finden können.In addition, it should be noted that the withstand voltage of commercially available and in principle suitable transistors is typically 60V, 80V, 100V or higher. A dielectric strength of 80V is thus the lowest possible dielectric strength in a battery with 14 battery cells connected in series, since the battery voltage U B = U x (1) for lithium-ion batteries (with an accumulator cell voltage of not more than 4, 2 V) can already reach a value of 14 * 4,2V = 58.8V. With the above considerations regarding the total losses, therefore, a DC link potential of, for example, about 75 V can be selected in the example mentioned, with which transistors with a dielectric strength of (only) 80 V can be used for a battery system according to the invention.
Die
Dabei ist in
In diesem Betriebsmodus wird die erste lokale Gate-Ansteuerung G1 eines Zwischenschaltkreises, welche den ersten Transistor Q1 des betreffenden Zwischenschaltkreises schaltet, an ihren Eingängen RUN und ACT (vgl.
Der erste Transistor Q1 ist zum Zeitpunkt t0 eingeschaltet (d.h. im Sinne eines geschlossenen Schalters leitend). Der Strom Ii durch die Induktivität L, welcher im Zeitintervall [t0, t1] mit t1 = t0 + T1 dem Strom Iq durch den ersten Transistor Q1 entspricht, fällt zunächst ausgehend von einem anfänglich negativen Wert Imin betragsmäßig und in linearer Weise auf Null, um dann - nach erfolgter Richtungsumkehr beim Nulldurchgang - in sich linear anschließender Weise in positiver Richtung weiter anzusteigen. Bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwerts von z.B. Imax = 4 A oder Imax = 4,5 A für den durch den ersten Transistor Q1 fließenden Strom Iq schaltet der erste Transistor ab. Der zweite Transistor Q2 schaltet unmittelbar darauf ein, sobald die Drain-Source-Spannung am zweiten Transistor Q2 auf unter Null absinkt. Da dieser Einschaltvorgang bei verschwindender Spannung erfolgt, erfolgt dieser im Sinne eines Zero-Voltage-Switching weitgehend verlustfrei.The first transistor Q1 is switched on at the instant t 0 (ie conducting in the sense of a closed switch). The current I i through the inductance L, which corresponds to the current I q through the first transistor Q1 in the time interval [t 0 , t 1 ] with t 1 = t 0 + T 1 , initially drops in absolute value starting from an initially negative value I min and in a linear manner to zero, and then - after the reversal of direction at the zero crossing - in a linear subsequent manner continue to increase in a positive direction. Upon reaching a predetermined threshold of, for example, I max = 4 A or I max = 4.5 A for the current flowing through the first transistor Q1 current I q turns off the first transistor. The second transistor Q2 turns on immediately as soon as the drain-source voltage at the second transistor Q2 drops to below zero. Since this switch-on at disappearing voltage, this takes place in the sense of a zero-voltage switching largely lossless.
Daraufhin nimmt der durch die Induktivität L fließende und in
In diesem Betriebsmodus wird die erste lokale Gate-Ansteuerung G1, welche den ersten Transistor Q1 schaltet, an ihren Eingängen RUN und ACT (vgl.
Hierdurch ist sowohl die den ersten Transistor Q1 schaltende erste lokale Gate-Ansteuerung G2 als auch die den zweiten Transistor Q2 schaltende zweite Gate-Ansteuerung aktiv, wobei nun anfänglich der zweite Transistor Q2 eingeschaltet (d.h. im Sinne eines geschlossenen Schalters leitend) ist, während der erste Transistor Q1 zunächst ausgeschaltet und daher lediglich in Durchflussrichtung der Freilaufdiode stromleitend ist.As a result, both the first local gate switching G2 switching the first transistor Q1 and the second gate driver switching the second transistor Q2 are active, whereby initially the second transistor Q2 is switched on (ie conducting in the sense of a closed switch) while the second transistor Q2 is turned on first transistor Q1 first turned off and therefore only in the flow direction of the freewheeling diode is conducting.
Für die verschiedenen Spannungen, Ströme und Zeitintervalle gelten in jedem Zwischenschaltkreis die nachfolgend wiedergegebenen Formeln:
Dabei entspricht Ux der Spannung zwischen Anode der jeweiligen Akkumulatorzelle und der Kathode
Die
Die
Die
Gut zu erkennen ist insoweit, dass die jeweiligen Steuerspannungen UG1, UG2 erst dann eingeschaltet werden, wenn die jeweilige Drain-Source-Spannung UQ1 bzw. UQ2 im Sinne eines Zero-Voltage-Switching auf unter Null abgesunken ist und dass die jeweiligen Transistoren abgeschaltet werden, wenn der jeweilige Strom Ii durch die Induktivität einen bestimmten Schwellwert überschreitet.Good to see is that the respective control voltages U G1 , U G2 are turned on only when the respective drain-source voltage U Q1 and U Q2 has dropped below zero in the sense of a zero-voltage switching and that the respective transistors are turned off when the respective current I i through the inductance exceeds a certain threshold.
Da das erfindungsgemäße Batteriesystem sich insbesondere durch eine sehr geringe Verlustleistung auszeichnet, seien abschließend noch ein paar weitere Maßnahmen zur weitergehenden Verlustminimierung genannt, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden können. Die Verluste in FET's bzw. Transistoren lassen sich einteilen in Einschaltverluste, Leitungsverluste, Ausschaltverluste und Ansteuerverluste. Since the battery system according to the invention is characterized in particular by a very low power loss, finally a few more measures for further loss minimization are mentioned, which can be implemented in the context of the present invention. The losses in FETs or transistors can be divided into switch-on losses, line losses, switch-off losses and drive losses.
Die Leitungsverluste und die Verluste durch die Ansteuerung lassen sich prinzipiell nicht vermeiden, durch geeignete Bauteilauswahl aber verringern. Die Einschaltverluste sind abhängig von der Spannung über dem Transistor zum Zeitpunkt des Schaltens. Die Spannung kann dadurch verringert oder sogar auf Null gebracht werden, dass jeweils ein kleiner Rückfluss über die Induktivität erlaubt wird.The line losses and the losses due to the control can not be avoided in principle, but reduced by suitable component selection. The turn-on losses are dependent on the voltage across the transistor at the time of switching. The voltage can thereby be reduced or even brought to zero, that in each case a small backflow through the inductance is allowed.
Wenn die betrachtetet Akkumulatorzelle in den DC-Link hinein entladen werden soll, dann fließen die Ströme im Normalfall in die in
Wenn die betrachtete Akkumulatorzelle aus dem DC-Link geladen werden soll, dann fließen die Ströme im Normalfall gegen die in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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Daowd et al., International Review of Electrical Engineering (I.R.E.E.) - Nov/Dec2011, Vol. 6, Issue 7, p. 2974 - 2989 [0011]Daowd et al., International Review of Electrical Engineering (I.R.E.E.) - Nov / Dec2011, Vol. 6,
Issue 7, p. 2974-2989 [0011]
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