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.

Figure DE102017104229A1_0000
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).
Figure DE102017104229A1_0000

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 12 des Artikels „A Review of Passive and Active Battery Balancing based on MATLAB/Simulink“ ( Daowd et al., International Review of Electrical Engineering (I.R.E.E.) - Nov/Dec2011, Vol. 6, Issue 7, p. 2974 - 2989 ) gezeigt. Bei dieser Active-Balancing-Schaltung ist zu jeder Akkumulatorzelle bzw. zu jedem Modul der wiederaufladbaren Batterie ein als bidirektionaler DC-DC-Wandler fungierender Zwischenschaltkreis vorgesehen, wobei jeder Zwischenschaltkreis eine Induktivität, zwei Transistoren und eine Kapazität aufweist und wobei alle Kapazitäten der verschiedenen Zwischenschaltkreise zwischen dem dort nicht direkt mit den beiden Polen der Batterie verbundenen Batterieanschluss in Reihe geschaltet sind. Bei dieser Active-Balancing-Schaltung kann ein gleichzeitiger Ladungstransfer zwischen verschiedenen Akkumulatorzellen/Modulen der Batterie erfolgen, was sich als vorteilhaft erweist. Nachteilig ist hingegen, dass dort stets die gesamte zum Laden oder Entladen der Batterie zu- oder abgeführte Energie durch die Wandler geführt werden muss, da die dortige Batterie über den in der Figur links dargestellten (und nicht direkt mit beiden Polen der Batterie verbundenen) Batterieanschluss ge- bzw. entladen wird, was Verluste erhöht und sich letztlich als wenig effizient erweist. Darüber hinaus ist auch diese Schaltung vergleichsweise teuer, da jede Induktivität und jeder Transistor bzw. Schalter vergleichsweise groß ausgelegt sein muss.A - designed as a bidirectional voltage transformer - circuit for active balancing is, for example, in 12 of the article "A Review of Passive and Active Battery Balancing based on MATLAB / Simulink" ( Daowd et al., International Review of Electrical Engineering (IREE) -Nov / Dec2011, Vol. 6, Issue 7, p. 2974-2989 ). In this active balancing circuit, an intermediate circuit functioning as bidirectional DC-DC converter is provided for each accumulator cell or each module of the rechargeable battery, each intermediate circuit having one inductor, two transistors and one capacitor and all the capacitors of the different intermediate circuits are connected in series there between the not connected directly to the two poles of the battery battery connection. In this active balancing circuit, a simultaneous charge transfer between different battery cells / modules of the battery can be done, which proves to be advantageous. A disadvantage, however, is that there always the whole for charging or discharging the battery added or discharged energy must be passed through the converter, since the local battery on the left in the figure shown (and not directly connected to both poles of the battery) battery connection is charged or discharged, which increases losses and ultimately proves to be less efficient. In addition, this circuit is relatively expensive, since each inductor and each transistor or switch must be designed to be comparatively large.

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 claim 1 and a method for operating a battery system according to the invention according to claim 8. Further preferred embodiments of the present invention will become apparent from the dependent claims and from the present description.

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:

  1. 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
  2. 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
  3. C) Betrieb der Active-Balancing-Schaltung in einem regulären Betriebsmodus derart, dass das Potential des DC-Links im Wesentlichen unverändert bleibt.
Finally, the present invention also relates to a method for operating a battery system according to the invention comprising the following steps:
  1. 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
  2. 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)
  3. 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 zu dem 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.
For the advantages and particularly expedient developments of the method according to the invention may be made to the already described description of the battery system according to the invention and the following description of an embodiment of the present invention with reference to the drawings. It shows
  • 1 a circuit diagram of an embodiment of a battery system according to the invention,
  • 2 a circuit diagram for the embodiment according to 1 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 diagram 1 , 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.

1 zeigt den Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1. Dabei umfasst das Batteriesystem 1 eine wiederaufladbare Batterie 2, die vorliegend durch eine Mehrzahl an in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen Z1, Z2, ..., Zn gebildet wird. Zwischen dem Pluspol (=Anode) 3 und dem ein Referenzpotential (GND) definierenden Minuspol (=Kathode) 4 der Batterie 1 ist ein direkt mit beiden Polen 3, 4 der Batterie 2 verbundener Batterieanschluss 5 vorgesehen. An dem Batterieanschluss 5, der sowohl zum Anschluss eines Verbrauchers an die Batterie 2 (im Sinne einer Ladungsentnahme aus der Batterie 2) als auch zum Wiederaufladen der Batterie 2 dient, liegt die Batteriespannung UB an. 1 shows the circuit diagram of an embodiment of a battery system according to the invention 1 , This includes the battery system 1 a rechargeable battery 2 , which in the present case is formed by a plurality of battery cells Z 1 , Z 2 ,..., Z n connected in series. Between the plus pole (= anode) 3 and the negative pole (= cathode) 4 of the battery defining a reference potential (GND) 1 is a direct with both poles 3 . 4 the battery 2 connected battery connection 5 intended. At the battery connection 5 which allows both to connect a consumer to the battery 2 (in the sense of a charge removal from the battery 2 ) as well as to recharge the battery 2 serves, the battery voltage U B is applied .

Ferner ist eine - in 1 noch ohne Steuereinheit dargestellte - Active-Balancing-Schaltung 6 vorgesehen, welche während eines Lade- oder Entladevorgangs zur Überwachung und aktiven Regelung der Ladungszustände der Akkumulatorzellen Z1, Z2, ..., Zn dient. Die Active-Balancing-Schaltung 6 weist für jede Akkumulatorzelle Z1, Z2, ..., Zn einen Zwischenschaltkreis S1, S2, ..., Sn auf, welcher die Anode der jeweiligen Akkumulatorzelle Z1, Z2, ..., Zn unter Zwischenschaltung einer Induktivität L und eines ersten Transistors Q1 mit der Kathode der betreffenden Akkumulatorzelle Z1, Z2, ..., Zn verbindet. Dabei ist in jedem Zwischenschaltkreis S1, S2, ..., Sn 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 miteinander verbindenden DC-Link 7 angeschlossen ist. Der DC-Link 7 ist über einen Kondensator C mit einem Referenzpotential gekoppelt, wobei das Referenzpotential im gegebenen Ausführungsbeispiel durch das (im vorliegenden Beispiel geerdete) Potential des Minuspols (Kathode) 4 der Batterie 2 vorgegeben ist. Ebenfalls möglich ist es, anstelle des Minuspols 4 den Pluspol (Anode) 3 der Batterie 2 mit dem Referenzpotential zu koppeln, wobei letztgenannte Ausführungsvariante sogar den Vorteil hat, dass dann die von dem Kondensator zu haltende Spannung (=Differenz zwischen dem Potential des DC-Links und dem Potential am Pluspol 3 der Batterie) deutlich geringer ist als im dargestellten Ausführungsbeispiel, wodurch der Kondensator C kleiner dimensioniert sein kann, was aus Kostengründen von Vorteil ist.Furthermore, a - in 1 still without control unit shown - active balancing circuit 6 provided, which during a charging or discharging process for monitoring and active control of the charge states of the battery cells Z 1 , Z 2 , ..., Z n is used. The active balancing circuit 6 has for each accumulator cell Z 1 , Z 2 , ..., Z n an intermediate circuit S 1 , S 2 , ..., S n , which the anode of the respective battery cell Z 1 , Z 2 , ..., Z n with the interposition of an inductance L and a first transistor Q1 to the cathode of the respective battery cell Z 1 , Z 2 , ..., Z n connects. In this case, 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 an intermediate circuit S 1 , S 2 ,. , S n conductively interconnecting DC link 7 connected. The DC link 7 is coupled via a capacitor C with a reference potential, wherein the reference potential in the given embodiment by the (grounded in the present example) potential of the negative pole (cathode) 4 the battery 2 is predetermined. It is also possible, instead of the negative pole 4 the positive pole (anode) 3 the battery 2 To couple with the reference potential, the latter embodiment even has the advantage that then held by the capacitor voltage (= difference between the potential of the DC link and the potential at the positive pole 3 the battery) is significantly lower than in the illustrated embodiment, whereby the capacitor C can be made smaller, which is advantageous for reasons of cost.

Im Betrieb des Batteriesystems 1 wird der Kondensator C anfänglich auf eine geeignet vorzugebende Soll-Spannung UZ aufgeladen, die das Spannungsniveau des DC-Links 7 relativ zum Referenzpotential definiert. Die Soll-Spannung UZ ist dabei so gewählt, dass das Potential des DC-Links 7 größer ist als dasjenige der Anode 3 der Batterie 2. Im weiteren regulären Betrieb der Active-Balancing-Schaltung 6 kann dann beim Laden oder Entladen der Batterie 2 durch geeignete Schaltung der in den verschiedenen Zwischenschaltkreisen S1, S2, ..., Sn vorgesehenen Transistoren Q1, Q2 Ladung zwischen verschiedenen Akkumulatorzellen Z1, Z2, ..., Zn über den DC-Link 7 ausgetauscht werden, wobei gleichzeitig dafür Sorge getragen werden kann, dass das Potential des DC-Links 7 (zumindest weitgehend) konstant bleibt.During operation of the battery system 1 For example, the capacitor C is initially charged to a desired voltage U Z , which is to be preset suitably, and which is the voltage level of the DC link 7 defined relative to the reference potential. The target voltage U Z is chosen so that the potential of the DC link 7 greater than that of the anode 3 the battery 2 , In further regular operation of the active balancing circuit 6 can then charge or discharge the battery 2 by appropriate switching of the various intermediate circuits S 1, S 2, ..., S n provided for transistors Q1, Q2 charge between different battery cells Z 1, Z 2, ..., Z n via the DC link 7 exchanged, while at the same time ensuring that the potential of the DC link 7 (at least largely) remains constant.

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 7 auch auf einem Potential gehalten werden, das kleiner als das am Minuspol 4 der Batterie 2 vorherrschende Potential ist. Denn auch so ließe sich das erfindungsgemäße Batteriesystem in ansonsten völlig analoger Weise betreiben.In an alternative embodiment of the battery system according to the invention, in which then the local inductance L would have to exchange space with the first transistor Q1 in each intermediate circuit S 1 , S 2 , ..., S n , the DC link could 7 also be kept at a potential smaller than that at the negative pole 4 the battery 2 prevailing potential. Even so, the battery system according to the invention could be operated in otherwise completely analogous manner.

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 7 und aus dem DC-Link 7 in den zweiten (der zweiten Akkumulatorzelle Zj zugeordneten) Zwischenschaltkreis Sj verschoben wird. Da vorliegend alle Zwischenschaltkreise S1, S2, ..., Sn über den jeweils zweiten Transistor Q2 des betreffenden Zwischenschaltkreises an den gemeinsamen DC-Link 7 angeschlossen sind, kann bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 1 auch ein gleichzeitiger Ladungstransfer zwischen einer beliebigen Mehrzahl an Akkumulatorzellen realisiert werden. Hierzu werden die in den verschiedenen Zwischenschaltkreisen S1, S2, ..., Sn vorhandenen Transistoren Q1, Q2 so geschaltet, dass - im zeitlichen Mittel - jeweils Strom aus einer ersten (beliebig vorgebbaren) Gruppe von Zwischenschaltkreisen in den DC-Link hinein und aus diesem zu einer zweiten (vorgebbaren) Gruppe von Zwischenschaltkreisen fließt.Charge transfer from a first accumulator cell Z i to a second accumulator cell Z j can take place by charging in the time average means by suitable switching of the transistors Q1, Q2 in the relevant intermediate circuits S i , S j the first (the first accumulator cell Z i associated) intermediate circuit S i in the DC link 7 and from the DC link 7 in the second (the second accumulator cell Z j associated) intermediate circuit S j is shifted. In the present case, all intermediate circuits S 1 , S 2 ,..., S n are connected to the common DC link via the respectively second transistor Q 2 of the relevant intermediate circuit 7 can be connected, in the battery system according to the invention 1 Also, a simultaneous charge transfer between any plurality of battery cells can be realized. For this purpose, the existing in the various intermediate circuits S 1 , S 2 , ..., S n transistors Q1, Q2 are switched so that - in the time average - each current from a first (arbitrarily predetermined) group of intermediate circuits in the DC link into and out of this flows to a second (predeterminable) group of intermediate circuits.

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 1 nicht eingezeichnete) Steuereinheit in einer an sich aus dem Stand der Technik bekannten Art und Weise unter Auswertung der aktuellen Ladungs- und Gesundheitszustände (SOC und SOH) aller Akkumulatorzellen Z1, Z2, ..., Zn, wie dies weiter oben bereits erläutert wurde.The selection of those accumulator cells that during a charge or discharge of the battery (via the DC link) to transfer additional charge to other battery cells or receive charge from other battery cells, takes place in the context of active balancing by a (in 1 not shown) control unit in a manner known per se from the prior art under evaluation of the current charge and health conditions (SOC and SOH) of all battery cells Z 1 , Z 2 , ..., Z n , as already above was explained.

2 zeigt nochmals ein Ausführungsbeispiel eines (elektrotechnisch identisch wie der Schaltplan aus 1 aufgebauten) Schaltplans für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 1 mit dort insgesamt fünf Akkumulatorzellen Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 und diesen zugeordneten Zwischenschaltkreisen S1, S2, ..., S5, bei welchem in Ergänzung zu den in 1 bereits gezeigten Komponenten nun auch eine zur Steuerung der Active-Balancing-Schaltung 6 dienende zentrale Steuereinheit 8 sowie eine Mehrzahl an lokalen Gate-Ansteuerungen G1 und G2 zur Ansteuerung der in den einzelnen Zwischenschaltkreisen S1, S2, ..., S5 vorgesehenen Transistoren Q1, Q2 dargestellt bzw. vorgesehen sind. 2 shows again an embodiment of a (electrotechnically identical as the circuit diagram 1 built) circuit diagram for a battery system according to the invention 1 with there a total of five battery cells Z 1 , Z 2 , Z 3 , Z 4 , Z 5 and the associated intermediate circuits S 1 , S 2 , ..., S 5 , in which in addition to the in 1 components already shown now also one for controlling the active balancing circuit 6 serving central control unit 8th and a plurality of local gate drives G1 and G2 for driving the provided in the individual intermediate circuits S 1 , S 2 , ..., S 5 transistors Q1, Q2 are shown or provided.

Die zentrale Steuereinheit 8 ist dabei über je zwei (mit gestrichelten Linien dargestellte) Steuerleitungen mit jeder lokalen Gate-Ansteuerung G1, G2 an den dortigen Anschlüssen „RUN“ und „ACT“ verbunden, wobei jede lokale Gate-Ansteuerung G1, G2 genau einen ihr zugeordneten Transistor Q1, Q2 ansteuert und wobei jeder lokalen Gate-Ansteuerung ein für die Ermittlung des Stroms durch den jeweiligen Transistor Q1, Q2 dienender Mess- bzw. Shuntwiderstand RS zugeordnet ist. Jede lokale Gate-Ansteuerung G1, G2 besitzt - neben den mit der zentralen Steuereinheit verbundenen Anschlüssen „RUN“ und „ACT“ - noch weitere Anschlüsse „S“, „D“ und „G“, die mit Source, Drain bzw. Gate des anzusteuernden Transistors Q1 bzw. Q2 verbunden sind. Außerdem ist an jeder lokalen Gate-Ansteuerung G1, G2 noch ein weiterer mit „REF“ bezeichneter Anschluss vorgesehen, der mit einer (vorliegend zufluss- bzw. sourceseitig) jenseits des Messwiderstands RS liegenden Stelle des Zwischenschaltkreises verbunden ist, so dass zur Ermittlung des durch den jeweiligen Transistor Q1 bzw. Q2 fließenden Stroms die zwischen den Anschlüssen „S“ und „REF“ gegebene Spannungsdifferenz gemessen werden kann, die der am Messwiderstand abfallenden Spannung entspricht. Hieraus lässt sich dann unter einfacher Anwendung des ohmschen Gesetzes der durch den Transistor fließende Strom berechnen. Zwischen den Anschlüssen „D“ und „S“ kann die am Transistor Q1 bzw. Q2 anliegende Spannung gemessen werden.The central control unit 8th is connected via two (shown with dashed lines) control lines to each local gate drive G1, G2 at the local terminals "RUN" and "ACT", each local gate drive G1, G2 exactly one of its associated transistor Q1, Q2 is controlled and wherein each local gate drive is assigned to the determination of the current through the respective transistor Q1, Q2 serving measuring or shunt resistor R S. Each local gate drive G1, G2 has - in addition to the terminals "RUN" and "ACT" connected to the central control unit - still further connections "S", "D" and "G" which are connected to the source, drain and gate of the to be driven transistor Q1 and Q2 are connected. In addition, at each local gate drive G1, G2, a further connection designated "REF" is provided, which is connected to a location of the intermediate circuit (in the present case on the source or source side) beyond the measuring resistor R S , so that for determining the through the current flowing through the respective transistor Q1 or Q2, the voltage difference between the terminals "S" and "REF" can be measured, which corresponds to the voltage drop across the measuring resistor. From this it is then possible to calculate the current flowing through the transistor by simple application of Ohm's law. Between the terminals "D" and "S", the voltage applied to the transistor Q1 or Q2 can be measured.

Im Rahmen des Betriebs des erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 wird nun durch die zentrale Steuereinheit 8 mit einer ersten niedrigen Frequenz (vorzugsweise einer Frequenz im Bereich von 10 Hz - 100 kHz, bevorzugt ca. 100 Hz oder 1 kHz) für jede lokale Gate-Ansteuerung G1, G2 ein von dieser momentan einzuhaltender Betriebsmodus vorgegeben. Die demgegenüber hochfrequente Ansteuerung der Transistoren Q1, Q2 kann dann durch die jeweilige lokalen Gate-Ansteuerung G1, G2 unter Berücksichtigung der von der zentralen Steuereinheit 8 mit niedriger Frequenz aktualisierten Betriebsmodus-Vorgabe anhand der lokal durch die jeweilige Gate-Ansteuerung ermittelten Spannungen und Ströme erfolgen. Durch die Erzeugung der hochfrequenten Schaltsignale mittels der lokalen Gate-Ansteuerungen G1, G2 wird vermieden, dass die hierfür benötigten Schaltsignale (mit einer hohen Frequenz von bevorzugt größer gleich 0,5 MHz) von einer zentralen Steuereinheit erzeugt und dann auf die unterschiedlichen Spannungsniveaus übertragen werden müssen.As part of the operation of the battery system according to the invention 1 is now through the central control unit 8th with a first low frequency (preferably a frequency in the range of 10 Hz - 100 kHz, preferably about 100 Hz or 1 kHz) for each local gate drive G1, G2 given by this moment to be observed operating mode. The high-frequency driving of the transistors Q1, Q2 in contrast can then be controlled by the respective local gate drive G1, G2, taking into account that of the central control unit 8th low-frequency updated operating mode specification based on the locally determined by the respective gate drive voltages and currents. By generating the high-frequency switching signals by means of the local gate drives G1, G2 it is avoided that the switching signals required for this purpose (with a high frequency of preferably greater than 0.5 MHz) are generated by a central control unit and then transmitted to the different voltage levels have to.

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) .
In this case, the local gate drives G1, G2 can then be operated with a comparatively simple circuit diagram, with only two binary control signals (with values "Low" or "High") being given as the operating parameter to the connections for specifying the operating mode by the central control unit. RUN "and" ACT "of the respective gate drive G1, G2 must be transmitted. In this way, the three modes of operation to be differentiated for each intermediate circuit (accumulator cell should be loaded from the DC link, accumulator cell should emit charge to the DC link, neither of which is shown). For example, this can be realized with the following operating mode specification:
  • 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 the DC 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.

3 zeigt nochmals den Schaltplan aus 1, wobei dort der besseren Übersichtlichkeit halber verschiedene Bezugszeichen weggelassen und stattdessen zusätzliche Beschriftungen für verschiedene Strom- und Spannungswerte ergänzt wurden. 3 shows again the wiring diagram 1 , where omitted for better clarity, different reference numerals and instead additional labels for different current and voltage values have been added.

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 7 bzw. einem Strom aus dem DC-Link 7 in den Zwischenschaltkreis Sj entspricht. Mit Ux (3) ist die zwischen Anode der j-ten Akkumulatorzelle Zj und der (vorteilhaft auf dem Referenz- bzw. Erdpotential liegenden) Kathode 4 der Batterie 2 gegebene Spannung, wobei für j=1 Ux (1)=UB und für j=n Ux (n)=Ub (n) gilt.Here, generally, U b (j) denotes the cell voltage between the anode and the cathode (at a given time) in the j-th intermediate circuit S j , of the battery cell Z j associated with the j-th intermediate circuit . I i (j) denotes the (signed) current through the inductance L of the j-th intermediate circuit S j , I q (j) the current through the first transistor Q1 of the j-th intermediate circuit S j and I z (j) the current through the second transistor Q2 of the j-th intermediate circuit S j , which - depending on the sign - a current from the intermediate circuit S j in the DC link 7 or a current from the DC link 7 in the intermediate circuit S j . With U x (3) is between the anode of the j-th accumulator cell Z j and the (advantageously lying at the reference or ground potential) cathode 4 the battery 2 given voltage, where for j = 1 U x (1) = U B and for j = n U x (n) = U b (n) holds.

Aufgrund des unterschiedlichen Spannungsniveaus der Anoden der verschiedenen Akkumulatorzellen Zj gilt folgender Zusammenhang: I Z ( j ) I q ( j ) = U b ( j ) U Z U x ( j )

Figure DE102017104229A1_0001
Due to the different voltage levels of the anodes of the different battery cells Z j , the following relationship applies: I Z ( j ) I q ( j ) = U b ( j ) U Z - U x ( j )
Figure DE102017104229A1_0001

Der von einem Zwischenschaltkreis Sj in den DC-Link 7 fließende Strom IZ (j) ist also umso kleiner im Vergleich zu Iq (j), je größer die Differenz (UZ-Ux (j)) im Vergleich zu Ub (j) ist.That of an intermediate circuit S j in the DC link 7 Thus, the larger the difference (U Z -U x (j) ) compared to U b (j) , the smaller the current I Z (j) flowing is compared to I q (j) .

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: I Z ( 1 ) = 4 75 56 I q ( 1 ) 0,21 I q ( 1 )

Figure DE102017104229A1_0002
By way of example, in a battery with a total of 14 accumulator cells, U Z = 75 V, U B = U x (1) of the uppermost accumulator cell may be equal to 56V and U b equal to 4V. Thus, I Z (1) is about 21% of I q (1) for the topmost cell. Because it applies: I Z ( 1 ) = 4 75 - 56 * I q ( 1 ) 0.21 * I q ( 1 )
Figure DE102017104229A1_0002

Für die unterste Zelle Z14 einer aus insgesamt 14 Akkumulatorzellen bestehenden Batterie 2 wäre IZ (14) nur noch ca. 5,6 % von Iq (14). For the lowest cell Z 14 of a battery consisting of a total of 14 battery cells 2 If I Z (14) would be only about 5.6% of I q (14) .

Da jeder (vom bzw. zum DC-Link 7 fließende) Strom IZ (j) stets auch durch die unteren Akkumulatorzellen Zi mit i>j fließt, gilt für den Ausgleichsstrom der j-ten Akkumulatorzelle Zj: I A u s g l e i c h ( j ) = I q ( j ) + i = 1 j I Z ( i )

Figure DE102017104229A1_0003
Since everyone (from or to the DC link 7 flowing) current I Z (j) always flows through the lower accumulator cells Z i with i> j, applies to the equalizing current of the j-th accumulator cell Z j : I A u s G l e i c H ( j ) = I q ( j ) + Σ i = 1 j I Z ( i )
Figure DE102017104229A1_0003

Für die zum Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 notwendige Vorgabe des Potentials des DC-Links 7, welches durch die Spannung UZ am Kondensator C (und das Referenzpotential) definiert ist, gelten die folgenden Gesichtspunkte:For the operation of the battery system according to the invention 1 necessary specification of the potential of the DC link 7, which is defined by the voltage U Z at the capacitor C (and the reference potential), the following aspects apply:

Die Spannungsdifferenz zwischen der Anode einer Akkumulatorzelle Zj und dem DC-Link 7 im Vergleich mit der aktuellen Zellspannung Ub (j) bestimmt das Verhältnis des Stroms IZ (j) in den (oder aus dem) DC-Link zum Strom Iq (j) durch den ersten Transistor Q1. Je höher das Potential des DC-Links 7 ist, desto größer ist der Strom Iq (j) durch den ersten Transistor Q1 eines Zwischenschaltkreises Sj verglichen mit dem Strom IZ (j) aus dem Zwischenschaltkreis Sj in den DC-Link. Der Strom IZ (j) in den DC-Link beeinflusst aber alle nachfolgenden Akkumulatorzellen, d. h., alle Zellen, die in den Darstellungen gemäß 1 und 3 weiter unten in der Reihe liegen. Dies muss deshalb im Allgemeinen durch eine geeignete Korrektur in der (niederfrequenten) Betriebsmodusvorgabe für die lokalen Gate-Ansteuerungen in den weiter unten liegenden Zwischenschaltkreisen ausgeglichen werden, wodurch sich die Gesamtverluste der Schaltung geringfügig erhöhen.The voltage difference between the anode of an accumulator cell Z j and the DC link 7 In comparison with the actual cell voltage U b (j) , the ratio of the current I Z (j) into (or out of) the DC link to the current I q (j) is determined by the first transistor Q1. The higher the potential of the DC link 7 is, the greater the current I q (j) through the first transistor Q1 of an intermediate circuit S j compared with the current I Z (j) from the intermediate circuit S j in the DC link. However, the current I Z (j) in the DC link affects all subsequent accumulator cells, ie, all cells in the representations in accordance with 1 and 3 lower in the row. Therefore, this must generally be compensated for by a suitable correction in the (low frequency) operating mode setting for the local gate drives in the lower intermediate circuits, which will slightly increase the overall losses of the circuit.

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 6 zu begrenzen. Dies liegt daran, dass ein niedriges DC-Link-Potential vor allem die obersten Akkumulatorzellen betrifft. Bei den unteren Akkumulatorzellen stellt sich automatisch eine höhere Differenzspannung ein.Investigations on batteries with 14 serially connected accumulator cells Z i have shown that in the case of typical capacitance distributions (SOH distributions) in the cells, a DC link potential U Z of approximately 10 V above the battery voltage U B is already sufficient to provide the additional losses due to said correction to approx. 10% compared to the other losses in the active balancing circuit 6 to limit. This is because a low DC link potential mainly affects the uppermost battery cells. The lower battery cells automatically set a higher differential voltage.

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 4a und 4b zeigen nun die sich bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem in verschiedenen Betriebsmodi der lokalen Gate-Ansteuerung einstellenden zeitlichen Verläufe des durch die Induktivität L in einem beliebigen Zwischenschaltkreis fließenden Stroms Ii, welcher in im Wesentlichen sägezahnartiger Weise zwischen zwei verschiedenen Werten Imin und Imax um einen Mittelwert Imittel schwankt.The 4a and 4b Now show the adjusting in a battery system according to the invention in different operating modes of the local gate drive timing of flowing through the inductor L in any intermediate circuit current I i , which in a substantially sawtooth manner between two different values I min and I max by one Mean I mean fluctuates.

Dabei ist in 4a zunächst derjenige Betriebsmodus dargestellt, bei welchem während des Active-Balancing Ladung aus einer Akkumulatorzelle in den DC-Link 7 übertragen wird, was sich dadurch zeigt, dass der (im zeitlichen Verlauf) mittlere Strom Imittel durch die Induktivität L positiv ist.It is in 4a First, that operating mode is shown in which during the active balancing charge from an accumulator cell in the DC link 7 is transmitted, which is shown by the fact that the (over time) average current I mean by the inductance L is positive.

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. 2) von der zentralen Steuereinheit 8 mit den Steuersignalen RUN=High und ACT=High als Betriebskenngrößen angesteuert, während die zweite lokale Gate-Ansteuerung G2, welche den zweiten Transistor Q2 ansteuert, mit den Steuersignalen RUN=High und ACT=Low angesteuert wird. Hierdurch sind sowohl die den ersten Transistor Q1 schaltende erste lokale Gate-Ansteuerung G1 als auch die den zweiten Transistor Q2 schaltende zweite Gate-Ansteuerung G2 aktiv.In this mode of operation, the first local gate drive G1 of an intermediate circuit, which switches the first transistor Q1 of the relevant intermediate circuit, is connected to its inputs RUN and ACT (cf. 2 ) from the central control unit 8th is driven with the control signals RUN = High and ACT = High as operating characteristics, while the second local gate drive G2, which drives the second transistor Q2, with the control signals RUN = High and ACT = Low is driven. As a result, both the first local gate drive G1 switching the first transistor Q1 and the second gate drive G2 switching the second transistor Q2 are active.

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 4a dargestellte Strom Ii im Zeitintervall [t1,t2] mit t2 = t1 + T2 bei eingeschaltetem zweitem Transistor Q2 wieder in linearer Weise ab, wobei der Strom Ii in diesem Zeitintervall dem vorzeichenbehafteten Strom IZ aus dem Zwischenschaltkreis in den DC-Link entspricht. Nach einer beim Nulldurchgang erneut erfolgenden Richtungsumkehr steigt der Strom Ii in sich wiederum linear anschließender Weise in negativer Richtung an, bis der Strom Ii zum Zeitpunkt t2 den die Abschaltung des zweiten Transistors Q2 bewirkenden Schwellwert Imin erreicht. Sodann schaltet sich der erste Transistor Q1 wieder ein, wenn dort die zwischen dessen Drain und Source anliegende Arbeitspannung ihren Nulldurchgang hat, und der gesamte Zyklus beginnt von vorne.Then takes the flowing through the inductor L and in 4a shown current I i in the time interval [t 1 , t 2 ] with t 2 = t 1 + T 2 when the second transistor Q2 turned on again in a linear manner, the current I i in this time interval the signed current I Z from the intermediate circuit in corresponds to the DC link. After again reversing the direction of the zero crossing, the current I i again increases linearly in a negative direction until the current I i reaches the threshold I min effecting the switching off of the second transistor Q 2 at time t 2 . Then, the first transistor Q1 turns on again when there is the working voltage between its drain and source has its zero crossing, and the entire cycle starts from the beginning.

4b stellt gewissermaßen den gegensätzlichen Betriebsmodus dar, bei welchem während des Active-Balancing zusätzlich Ladung aus dem DC-Link 7 in eine Akkumulatorzelle übertragen wird, was sich in 4b dadurch zeigt, dass der mittlere Strom Imittel durch die Induktivität L negativ ist. 4b in a sense represents the opposite operating mode, during which additional charge is taken from the DC link during active balancing 7 is transferred to an accumulator cell, resulting in 4b thereby shows that the average current I mean by the inductance L is negative.

In diesem Betriebsmodus wird die erste lokale Gate-Ansteuerung G1, welche den ersten Transistor Q1 schaltet, an ihren Eingängen RUN und ACT (vgl. 2) von der zentralen Steuereinheit 8 mit den (lediglich niederfrequent zu aktualisierenden) Steuersignalen RUN=High und ACT=Low als Betriebskenngrößen angesteuert, während die zweite lokale Gate-Ansteuerung G2, welche den zweiten Transistor Q2 ansteuert, mit den hierzu komplementären Steuersignalen RUN=High und ACT=High angesteuert wird.In this mode of operation, the first local gate driver G1, which switches the first transistor Q1, is connected to its inputs RUN and ACT (see FIG. 2 ) from the central control unit 8th with the (only low frequency to be updated) control signals RUN = High and ACT = Low driven as operating parameters, while the second local gate drive G2, which drives the second transistor Q2, with the complementary control signals RUN = High and ACT = High is driven ,

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: T 1 = ( I m a x I m i n ) L U b T 2 = ( I m a x I m i n ) L U z U x T = T 1 + T 2

Figure DE102017104229A1_0004
I m i t t e l = I m a x + I m i n 2 I z = I m i t t e l T 2 T I q = I m i t t e l T 1 T
Figure DE102017104229A1_0005
T 1 T = U z U x ( U z U x ) + U b T 2 T = U b ( U z U x ) + U b
Figure DE102017104229A1_0006
I q = I m i t t e l U z U x ( U z U x ) + U b I z = I m i t t e l U b ( U z U x ) + U b I z I q = U b U z U x
Figure DE102017104229A1_0007
For the various voltages, currents and time intervals, the following formulas apply in each intermediate circuit: T 1 = ( I m a x - I m i n ) L U b T 2 = ( I m a x - I m i n ) L U z - U x T = T 1 + T 2
Figure DE102017104229A1_0004
I m i t t e l = I m a x + I m i n 2 I z = I m i t t e l T 2 T I q = I m i t t e l T 1 T
Figure DE102017104229A1_0005
T 1 T = U z - U x ( U z - U x ) + U b T 2 T = U b ( U z - U x ) + U b
Figure DE102017104229A1_0006
I q = I m i t t e l U z - U x ( U z - U x ) + U b I z = I m i t t e l U b ( U z - U x ) + U b I z I q = U b U z - U x
Figure DE102017104229A1_0007

Dabei entspricht Ux der Spannung zwischen Anode der jeweiligen Akkumulatorzelle und der Kathode 4 der Batterie 2; Ub entspricht der jeweiligen Zellspannung zwischen Anode und Kathode der dem jeweiligen Zwischenschaltkreis zugeordneten Akkumulatorzelle.In this case, U x corresponds to the voltage between the anode of the respective battery cell and the cathode 4 the battery 2 ; U b corresponds to the respective cell voltage between anode and cathode of the respective intermediate circuit associated accumulator cell.

Die 5a, 5b und 6a, 6b zeigen schließlich noch elektrotechnische Simulationen verschiedener Strom- und Spannungsverläufe in einem Zwischenschaltkreis der Active-Balancing-Schaltung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.The 5a . 5b and 6a . 6b finally show still electrical engineering simulations of various current and voltage waveforms in an intermediate circuit of the active balancing circuit of a battery system according to the invention.

Die 5a und 5b zeigen wiederum (vergleichbar zur Darstellung aus 4a) den Anwendungsfall, dass - gemäß Betriebsmodusvorgabe durch die zentrale Steuereinheit eines erfindungsgemäßen Batteriesystems Ladung aus der dem betrachteten Zwischenschaltkreis zugeordneten Akkumulatorzelle in den DC-Link transferiert wird. Dabei stellt sich wiederum ein im Wesentlichen sägezahnartiger und im zeitlichen Mittel positiver Strom Ii durch die Induktivität des betrachteten Zwischenschaltkreises ein, wobei die sich (durch die hochfrequente Gate-Ansteuerung ergebenden) Einschaltzeiten T1 und T2 der jeweiligen Transistoren in dem Rechenbeispiel gemäß 5a und 5b erkennbar in einem unterschiedlichen Verhältnis stehen als bei der - eher schematischen - Darstellung aus 4a. Ferner zeigen die 5a bzw. 5b die Spannungsverläufe UQ1 und UQ2 der an den Transistoren Q1 und Q2 des betrachteten Zwischenschaltkreises vorherrschenden Drain-Source-Spannung sowie den jeweiligen Verlauf der zugehörigen (durch die lokale Gate-Ansteuerung erzeugten) Steuerspannungen UG1, UG2, mit welchen die jeweilige lokale Gate-Ansteuerung G1 bzw. G2 auf das Gate des ihm jeweils zugeordneten Transistors Q1 bzw. Q2 einwirkt.The 5a and 5b show again (comparable to the representation of 4a ) the application that - is transferred in accordance with operating mode specification by the central control unit of a battery system according to the invention charge from the accumulator cell associated with the considered intermediate circuit in the DC link. In this case, in turn, a substantially sawtooth-like and on average positive current I i through the inductance of the considered intermediate circuit, wherein the (resulting from the high-frequency gate drive) on times T 1 and T 2 of the respective transistors in the calculation example according to 5a and 5b Recognizable in a different ratio than in the - rather schematic - representation 4a , Furthermore, the show 5a and FIG. 5b shows the voltage profiles U Q1 and U Q2 of the drain-source voltage prevailing at the transistors Q1 and Q2 of the intermediate circuit under consideration, and the respective profile of the associated control voltages U G1 , U G2 (generated by the local gate drive) the respective local gate drive G1 or G2 acts on the gate of the respectively associated transistor Q1 or Q2.

Die 6a und 6b betreffen dann wiederum den hierzu alternativen Anwendungsfall, bei welchem zusätzlich Ladung aus dem DC-Link in die Akkumulatorzelle transferiert wird.The 6a and 6b in turn relate to this alternative use case, in which additional charge from the DC link is transferred to the accumulator cell.

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 3 eingezeichneten Richtungen. Wenn gerade Q2 leitet, nehmen der Strom Ii und damit auch Iz linear mit der Geschwindigkeit [Uz-Ux]/L ab. Der zweite Transistor Q2 des betrachteten Zwischenschaltkreises kann nun vorteilhaft erst dann abgeschaltet werden, wenn der Strom Ii durch die Induktivität negativ geworden ist, also wenn ein geringer Strom (z.B. in Höhe von 25% von Imax) wieder zurück in die Akkumulatorzelle fließt. Trotz des Abschaltens von Q2 muss allerdings der Strom in der Induktivität weiter fließen. Dieser speist sich aus allen parasitären Kondensatoren, die am Knotenpunkt wirksam sind. Damit wird deren Spannung reduziert. Falls der negative Strom groß genug war, wird die Spannung bis auf Null reduziert. In diesem Moment wird dann bevorzugt der erste Transistor Q1 des Zwischenschaltkreises eingeschaltet. Da an Q1 im Einschaltmoment keine Spannung anliegt, entstehen keine Einschaltverluste. Beim Einschalten des zweiten Transistors Q2 entstehen (praktisch) keine Einschaltverluste, weil beim Abschalten von Q1 der Strom die parasitären Kapazitäten auflädt, bis die (Drain-Source-) Spannung an Q2 die Polarität wechselt. In diesem Moment ist somit die Spannung am zweiten Transistor Q2 Null und er kann ohne Verluste eingeschaltet werden.If the considered accumulator cell is to be discharged into the DC link, then the currents normally flow into the in 3 marked directions. When Q2 is conducting, the current I i, and therefore also I z, decrease linearly with the velocity [U z -U x ] / L. The second transistor Q2 of the subject intermediate circuit can advantageously be only switched off now, when the current I i has become negative by the inductance, so if a small current (for example, equal to 25% of I max) flowing back into the battery cell. Despite switching off Q2, however, the current in the inductor must continue to flow. This feeds from all parasitic capacitors, which are effective at the node. This reduces their voltage. If the negative current was large enough, the voltage is reduced to zero. At this moment, preferably the first transistor Q1 of the intermediate circuit is turned on. Since no voltage is applied to Q1 at the moment of switch-on, there are no switch-on losses. When turning on the second transistor Q2 (virtually) no turn-on, because at shutdown of Q1, the current charges the parasitic capacitances until the (drain-source) voltage to Q2, the polarity changes. At this moment, therefore, the voltage at the second transistor Q2 is zero and it can be turned on without loss.

Wenn die betrachtete Akkumulatorzelle aus dem DC-Link geladen werden soll, dann fließen die Ströme im Normalfall gegen die in 3 eingezeichneten Richtungen. Wenn der erste Transistor Q1 eingeschaltet ist und somit leitet, dann nimmt der Strom Ii und damit Iq linear mit der Geschwindigkeit [Ub]/L ab. In diesem Fall verringert sich Ii betragsmäßig von z.B. -4 A in Richtung 0 A. Der erste Transistor Q1 des betrachteten Zwischenschaltkreises kann nun vorteilhaft erst dann abgeschaltet werden, wenn der Strom Ii positiv geworden ist, also wenn ein geringer Strom (z.B. in Höhe von 25% von Imax) wieder aus der Akkumulatorzelle zurückfließt. Trotz des Abschaltens von Q1 muss allerdings wiederum der Strom in der Induktivität weiter fließen. Er füllt dann also alle parasitären Kondensatoren, die am Knotenpunkt wirksam sind, womit deren Spannung erhöht wird. Sofern der positive Strom dabei groß genug war, kann die Spannung bis auf Uz erhöht werden. In diesem Moment kann dann vorteilhaft der zweite Transistor Q2 eingeschaltet werden. Da an Q2 im Einschaltmoment keine Spannung anliegt, entstehen keine relevanten Einschaltverluste. Demgegenüber entstehen beim Einschalten des ersten Transistors Q1 (praktisch) keine Einschaltverluste, weil beim Abschalten von Q2 der Strom die parasitären Kapazitäten entlädt, bis die (Drain-Source-) Spannung an Q1 die Polarität wechselt. In diesem Moment ist die Spannung über Q1 jedoch Null und Q1 kann spannungsfrei, d.h. ohne Verluste eingeschaltet werden.If the considered accumulator cell is to be loaded from the DC link, then the currents normally flow against the in 3 marked directions. If the first transistor Q1 is turned on and thus conducts, then the current I i and thus I q decreases linearly at the speed [U b ] / L. In this case, I i decreases in magnitude from eg -4 A in the direction of 0 A. The first transistor Q1 of the considered intermediate circuit can now advantageously be switched off only when the current I i has become positive, ie when a low current (eg in Height of 25% of I max ) flows back out of the accumulator cell. However, in spite of turning Q1 off, the current in the inductor must continue to flow. It then fills all the parasitic capacitors that are active at the node, thus increasing their voltage. If the positive current was large enough, the voltage can be increased up to Uz. At this moment, advantageously, the second transistor Q2 can be turned on. Since no voltage is applied to Q2 at the moment of switch-on, no relevant switch-on losses occur. In contrast, when switching on the first transistor Q1 (practically) no turn-on losses, because when switching off Q2, the current discharges the parasitic capacitances until the (drain-source) voltage at Q1 changes the polarity. At this moment, however, the voltage across Q1 is zero and Q1 can be switched off without voltage, ie without losses.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • 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]

Claims (8)

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), wobei in der Active-Balancing-Schaltung (6) zu jeder Akkumulatorzelle (Z1, Z2, ..., Zn) ein als bidirektionaler DC-DC-Wandler fungierender Zwischenschaltkreis (S1, S2, ..., Sn) vorgesehen ist, 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, und wobei in jedem Zwischenschaltkreis (S1, S2, ..., Sn) zwischen der Induktivität (L) und dem ersten Transistor (Q1) eine Abzweigung vorgesehen ist, 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, und wobei die Active-Balancing-Schaltung (6) dazu geeignet und in einem regulären Betriebsmodus dazu eingerichtet ist, 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.Battery system (1) comprising - a rechargeable battery (2), which two poles (3, 4) and a plurality of connected between the poles (3, 4) in series battery cells (Z 1 , Z 2 , ..., 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 ), wherein in the active balancing circuit (6) each accumulator cell (Z 1 , Z 2 , ..., Z n ) is provided as a bidirectional DC-DC converter intermediate circuit (S 1 , S 2 , ..., 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, and wherein in each Intermediate circuit (S 1 , S 2 , ..., S n ) between the inductance (L) and the first transistor (Q1) is provided a branch which, with the interposition of a second transistor (Q2 ) is connected to a DC link (7), which conductively connects all intermediate circuits (S 1 , S 2 ,..., S n ), the DC link (7) being connected to a reference potential (GND) via a capacitor (C). is coupled, and wherein the active balancing circuit (6) is suitable and is arranged 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 (2) or smaller than the potential at the negative pole (4) of the battery (2). Batteriesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem eine zentrale Steuereinheit (8) sowie für jeden Zwischenschaltkreis (S1, S2, ..., Sn) wenigstens eine mit der zentralen Steuereinheit (8) direkt oder indirekt verbundene lokale Gate-Ansteuerung (G1, G2) zur Ansteuerung der in dem jeweiligen Zwischenschaltkreis vorgesehenen Transistoren (Q1, Q2) aufweist, wobei die zentrale Steuereinheit (8) dazu eingerichtet ist, jeder lokalen Gate-Ansteuerung (G1, G2) zeitabschnittsweise verschiedene Betriebsmodi vorzugeben, und wobei jede lokale Gate-Ansteuerung (G1, G2) dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen von ihr anzusteuernden Transistor (Q1, Q2) unter Auswertung der an dem betreffenden Transistor (Q1, Q2) anliegenden Spannung (UQ1, UQ2), des durch den betreffenden Transistor (Q1, Q2) fließenden Stroms (Iq, IZ) und des von der zentralen Steuereinheit (8) vorgegebenen Betriebsmodus leitend oder nicht-leitend zu schalten.Battery system (1) after Claim 1 , characterized in that the battery system, a central control unit (8) and for each intermediate circuit (S 1 , S 2 , ..., S n ) at least one with the central control unit (8) directly or indirectly connected local gate drive (G1 G2) for driving the transistors (Q1, Q2) provided in the respective intermediate circuit, the central control unit (8) being arranged to specify different operating modes for each local gate driver (G1, G2) in a time-wise manner, and each local gate -Ansteuerung (G1, G2) is adapted to the at least one of them to be controlled transistor (Q1, Q2) under evaluation of the voltage applied to the respective transistor (Q1, Q2) voltage (U Q1 , U Q2 ), by the respective transistor (Q1, Q2) flowing current (I q , I Z ) and of the predetermined by the central control unit (8) operating mode conductive or non-conductive. Batteriesystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des durch die jeweiligen Transistoren (Q1, Q2) fließenden Stroms (Iq, IZ) ein dem Transistor vor- oder nachgeschalteter Messwiderstand (Rs) vorgesehen ist.Battery system (1) after Claim 2 , characterized in that for measuring the current flowing through the respective transistors (Q1, Q2) (I q , I Z ) upstream of the transistor upstream or downstream measuring resistor (R s ) is provided. Batteriesystem (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der von der zentralen Steuereinheit (8) für jede lokale Gate-Ansteuerung (G1, G2) vorzugebende Betriebsmodus durch Übermittlung von wenigstens einer Betriebskenngröße (RUN, ACT) vorgegeben wird, die vorgibt, ob die dem jeweiligen Zwischenschaltkreis (S1, S2, ..., Sn) zugeordnete Akkumulatorzelle (Z1, Z2, ..., Zn) über den DC-Link (7) geladen, entladen oder weder ge- noch entladen werden soll.Battery system (1) after Claim 2 or 3 , characterized in that the operating mode to be preset by the central control unit (8) for each local gate drive (G1, G2) is specified by transmitting at least one operating parameter (RUN, ACT) which determines whether the respective intermediate circuit (S 1 , S 2 , ..., S n ) associated accumulator cell (Z 1 , Z 2 , ..., Z n ) via the DC link (7) loaded, unloaded or should neither be loaded nor unloaded. Batteriesystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die zentrale Steuereinheit (8) dazu eingerichtet ist, die für jede Gate-Ansteuerung (G1, G2) vorzugebenden Betriebsmodi mit einer ersten Frequenz im Bereich zwischen 100 Hz und 100 kHz vorzugeben bzw. zu aktualisieren, und dass die lokalen Gate-Ansteuerungen (G1, G2) und die Transistoren (Q1, Q2) für eine hochfrequente Ansteuerung und Schaltung mit einer im Vergleich zur ersten Frequenz um einen Faktor von wenigstens 10 größeren Frequenz, insbesondere einer Frequenz von größer gleich 0,5 MHz, eingerichtet sind.Battery system (1) according to one of Claims 2 to 4 , characterized in that the central control unit (8) is arranged to preset or update the operating modes to be preset for each gate drive (G1, G2) at a first frequency in the range between 100 Hz and 100 kHz, and in that local gate drives (G1, G2) and the transistors (Q1, Q2) for a high-frequency drive and circuit having a frequency that is greater by a factor of at least 10 than the first frequency, in particular a frequency greater than or equal to 0.5 MHz, are set up. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede lokale Gate-Ansteuerung (G1, G2) durch einen separaten integrierten Schaltkreis realisiert ist.Battery system according to one of Claims 2 to 5 , characterized in that each local gate drive (G1, G2) is realized by a separate integrated circuit. Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Zwischenschaltkreisen (Z1, Z2, ..., Zn) verbauten Induktivitäten (L) als Luftspulen oder Leiterbahnspulen ausgeführt sind.Battery system according to one of the preceding claims, characterized in that in the intermediate circuits (Z 1 , Z 2 , ..., Z n ) built-inductances (L) are designed as air coils or conductor track coils. Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems nach einem der vorangehenden Patentansprüche umfassend die folgenden Schritte: A) Vorgabe eines Potentials, 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 B) Aufladen des den DC-Link mit dem Referenzpotential koppelnden Kondensators auf eine Soll-Spannung (UZ), bei der das Potential des DC-Links (7) dem in Schritt (A) vorgegebenen Potential entspricht C) Betrieb der Active-Balancing-Schaltung in einem regulären Betriebsmodus derart, dass das Potential des DC-Links (7) im Wesentlichen unverändert bleibt.A method for operating a battery system according to any one of the preceding claims comprising the following steps: A) Specification of a potential which is either greater than the potential at the positive pole (3) of the battery (2) or less than the potential at the negative pole (4) Battery (2) is B) charging the capacitor coupling the DC link to the reference potential to a target voltage (U Z ) at which the potential of the DC link (7) 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 (7) remains substantially unchanged.
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