DE102018108041A1

DE102018108041A1 - Charging method for multiple battery blocks connected in parallel and method for connecting the battery blocks

Info

Publication number: DE102018108041A1
Application number: DE102018108041.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Raab; Johannes Jürgen Kretzer; Christian Zander-Schiffner
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2038-04-06
Also published as: DE102018108041B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ladeverfahren mehrerer Batterieblöcke (1, 2, 3) mit den folgenden Schritten: Breitstellen eines Ladegeräts (20); Bereitstellen mehrerer parallel elektrisch mit dem Ladegerät (20) verschalteter Batterieblöcke (1, 2, 3), wobei jeder, eine Batterieblockspannung als Ausgangspannung bereitstellende Batterieblock (1, 2, 3) jeweils mehrere in Serie verschaltete, sekundäre Batteriezellen (7), jeweils eine dem jeweiligen Batterieblock (1, 2, 3) zugeordnete Steuereinheit (4, 5, 6), wenigstens eine über eine Datenverbindung (13) mit der Steuereinheit (4, 5, 6) kommunizierende Überwachungseinheit (8, 9, 10) zur Detektion wenigstens eines Betriebsparameters des jeweiligen Batterieblocks (1, 2, 3) und eine über die oder eine weitere Datenverbindung (23) mit der Steuereinheit (4, 5, 6) kommunizierende Schalteinrichtung (17, 18, 19) zur Bewirkung einer elektrischen, bevorzugt galvanischen, Trennung des zugehörigen Batterieblocks (1, 2, 3) von dem Ladegerät (20) und von den jeweils restlichen Batterieblöcken (1, 2, 3) und zur Bewirkung einer elektrischen Zuschaltung des zugehörigen Batterieblocks (1, 2, 3) aufweist; Bereitstellen einer mit den Steuereinheiten (4, 5, 6) über die oder eine weitere Datenverbindung (14) kommunizierende Mastersteuereinheit (11); Laden mittels der Mastersteuereinheit (11) über eine Ladedauer derart, dass in Abhängigkeit des wenigstens einen Betriebsparameters ein Schaltzustandswechsel in Trennung oder in Zuschaltung wenigstens einer Schalteinrichtung (17, 18, 19) für eine Teildauer der Ladedauer bewirkt wird.

The invention relates to a method of charging a plurality of battery blocks (1, 2, 3) with the following steps: providing a charger (20); Providing a plurality of battery blocks (1, 2, 3) connected in parallel with the charger (20), each battery block (1, 2, 3) providing a battery block voltage as output voltage each having a plurality of secondary battery cells (7) connected in series, one each the control unit (4, 5, 6) associated with the respective battery block (1, 2, 3), at least one monitoring unit (8, 9, 10) communicating with the control unit (4, 5, 6) via a data connection (13) for detection an operating parameter of the respective battery block (1, 2, 3) and a switching device (17, 18, 19) communicating with the control unit (4, 5, 6) via the or a further data connection (23) to effect an electrical, preferably galvanic, Separation of the associated battery block (1, 2, 3) from the charger (20) and the respective remaining battery blocks (1, 2, 3) and for effecting an electrical connection of the associated battery block (1, 2, 3); Providing a master control unit (11) communicating with the control units (4, 5, 6) via the or a further data connection (14); Charging by means of the master control unit (11) over a charging period such that, depending on the at least one operating parameter, a switching state change in disconnection or in connection of at least one switching device (17, 18, 19) is effected for a partial duration of the charging time.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladeverfahren für mehrere parallel verschaltete Batterieblöcke sowie ein Verfahren zum Aufschalten der Batterieblöcke. Batterieblöcke werden such Batterietröge genannt und weisen mehrere sekundäre Batteriezellen auf, die seriell verschaltet sind, um eine ausreichende Betriebsspannung zu erreichen. Durch die Verwendung sekundärer Batteriezellen also wiederaufladbarer galvanischer Zellen, fungieren die Batterieblöcke als Akkumulatoren. Um beispielsweise die Kapazität einer Fahrbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs zu vergrößern, werden Batterieblöcke parallel verschaltet. Dadurch kann auf bestehende Batterieblöcke, wie sie bei kleineren Fahrzeugen Verwendung finden, zurückgegriffen werden, ohne dass für größere Fahrzeuge spezielle Batterieblöcke konfektioniert werden müssen. Ferner wird durch Parallelschaltung mehrerer Batterieblöcke der Service und die Wartung vereinfacht, da im Falle der Störung oder des Ausfalls ein einzelner Batterieblock ausgetauscht werden kann, ohne dass das ganze Batteriesystem entfernt werden muss. Bei der parallelen Verschaltung der Batterieblöcke besteht jedoch das Problem, dass es aufgrund unterschiedlicher Ladezustände der Batterieblöcke zu unkontrollierbaren Ausgleichsströmen zwischen den Batterieblöcken kommen kann, die gegebenenfalls auch zu einer unerwünschten Tiefentladung des am wenigstens geladenen Batterieblocks führen können.The invention relates to a charging method for a plurality of parallel-connected battery blocks and a method for connecting the battery blocks. Battery blocks are referred to as battery trays and have a plurality of secondary battery cells, which are connected in series in order to achieve a sufficient operating voltage. By using secondary battery cells, ie rechargeable galvanic cells, the battery blocks act as accumulators. For example, to increase the capacity of a driving battery of an electrically driven motor vehicle battery blocks are connected in parallel. As a result, it is possible to resort to existing battery blocks, such as those used in smaller vehicles, without special battery blocks having to be assembled for larger vehicles. Furthermore, paralleling multiple battery blocks simplifies service and maintenance, since in the event of failure or failure, a single battery pack can be replaced without having to remove the entire battery system. In the case of the parallel connection of the battery blocks, however, there is the problem that, due to the different states of charge of the battery blocks, uncontrollable equalizing currents can occur between the battery blocks, which may possibly also lead to an undesired total discharge of the battery pack charged at least.

Vor diesem Hintergrund bestand Bedarf nach einer Lösung für ein Ladeverfahren sowie für ein Aufschaltverfahren, insbesondere für ein einem Lastbetrieb zeitlich unmittelbar vorhergehendes Aufschaltverfahren, für mehrere parallel verschaltete Batterieblöcke, bei dem derartige Ausgleichsströme verbessert minimiert bis unterdrückt werden. Diese Aufgabe wird durch ein Ladeverfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Aufschaltverfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Eine gleichermaßen vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des nebengeordneten Verwendungsanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.Against this background, there was a need for a solution for a charging method and for a Aufschaltverfahren, in particular for a load operation temporally immediately preceding Aufschaltverfahren for multiple parallel battery blocks connected, in which such compensation currents improved minimized to be suppressed. This object is achieved by a charging method according to claim 1 and by a Aufschaltverfahren according to the independent claim. An equally advantageous use is the subject of the independent use claim. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims. It should be noted that the features listed individually in the claims can be combined with each other in any technologically meaningful manner and show further embodiments of the invention. The description, in particular in connection with the figures, additionally characterizes and specifies the invention.

Die Erfindung betrifft ein Ladeverfahren mehrerer Batterieblöcke mit den folgenden Schritten. In einem Bereitstellungsschritt wird ein Ladegerät, beispielsweise eine sogenannte Ladesäule bereitgestellt. In einem weiteren Bereitstellungsschritt werden mehrere elektrisch parallel untereinander und mit dem Ladegerät verschaltete Batterieblöcke bereitgestellt. Dabei weist jeder Batterieblock jeweils wenigstens mehrere elektrisch in Serie verschaltete sekundäre Batteriezellen auf, um in deren Gesamtheit die Batterieblockspannung als Ausgangsspannung bereitzustellen. Dabei soll nicht ausgeschlossen sein, dass innerhalb des Batterieblocks zu mehreren in Serie geschalteten Batteriezellen weitere parallelgeschaltete Serien von Batteriezellen zur Erhöhung der Kapazität des Batterieblocks vorgesehen sind. Jeder der Batterieblöcke weist eine Steuereinheit sowie wenigstens eine über eine Datenverbindung, wie eine CAN-Bus-Leitung, mit der Steuereinheit kommunizierende Überwachungseinheit auf.The invention relates to a charging method of a plurality of battery blocks with the following steps. In a provisioning step, a charger, for example a so-called charging station, is provided. In a further provision step, a plurality of battery blocks which are electrically connected to one another and to the charger are provided. In this case, each battery pack in each case has at least a plurality of secondary battery cells electrically connected in series in order to provide the battery block voltage as output voltage in its entirety. It should not be ruled out that within the battery block to several series-connected battery cells further parallel series of battery cells are provided to increase the capacity of the battery pack. Each of the battery blocks has a control unit and at least one monitoring unit communicating with the control unit via a data connection, such as a CAN bus line.

Diese Überwachungseinheit weist eine aus einem oder mehreren Sensoren bestehende Sensorik zur Detektion wenigstens eines Betriebsparameters des Batterieblocks auf. Beispielsweise wird die Temperatur einer, mehrerer oder aller Batteriezellen des betreffenden Batterieblocks detektiert. Beispielsweise wird die Zellenspannung einer, mehrerer oder aller Batteriezellen des Batterieblocks oder der Ausgangsstrom jedes Batterieblocks detektiert. Erfindungsgemäß ist eine über die oder eine weitere Datenverbindung, wie eine CAN-Bus-Leitung mit der Steuereinheit kommunizierende Schalteinrichtung zur Bewirkung einer elektrischen, bevorzugt galvanischen, selektiven Trennung des zugehörigen Batterieblocks von dem Ladegerät und den weiteren Batterieblöcken und zur Bewirkung einer selektiven elektrischen Zuschaltung des zugehörigen Batterieblocks vorgesehen. Anders ausgedrückt die Schalteinrichtung kennt zwei alternative Schaltzustände: einen Schaltzustand, bei dem der betreffende Batterieblock elektrisch isoliert von den anderen Batterieblöcken und dem Ladegerät ist und einen, bei dem die elektrische Verbindung mit dem Ladegerät und, sofern weitere Batterieblöcke zugeschaltet sind, eine parallele Verschaltung des betreffenden Batterieblocks mit den weiteren zugeschalteten Batterieblöcken bewirkt wird. Anders ausgedrückt, jede der Batterieblöcke weist ein eigenes dem Batterieblock zugeordnetes, sogenanntes Batteriemanagementsystem auf.This monitoring unit has a sensor system comprising one or more sensors for detecting at least one operating parameter of the battery block. For example, the temperature of one, several or all battery cells of the relevant battery block is detected. For example, the cell voltage of one, several or all of the battery cells of the battery pack or the output current of each battery pack is detected. According to the invention via the or a further data connection, such as a CAN bus line with the control unit communicating switching device for effecting an electrical, preferably galvanic, selective separation of the associated battery block of the charger and the other battery blocks and to effect a selective electrical connection of the associated battery block provided. In other words, the switching device knows two alternative switching states: a switching state in which the relevant battery block is electrically isolated from the other battery blocks and the charger and one in which the electrical connection to the charger and, if more battery blocks are connected, a parallel connection of the concerned battery block is effected with the other connected battery blocks. In other words, each of the battery blocks has its own so-called battery management system associated with the battery block.

In einem weiteren Bereitstellstellungsschritt wird eine mit den Steuereinheiten über die oder eine weitere Datenverbindung, wie eine CAN-Bus-Leitung, kommunizierende Mastersteuereinheit bereitgestellt und weist somit ein den Batterieblöcken jeweils zugeordneten Batteriemanagementsystemen hierarchisch übergeordnetes Batteriemanagementsystem, auch Masterbatteriemanagementsystem genannt, auf.In a further provisioning step, a master control unit communicating with the control units via the or a further data connection, such as a CAN bus line, thus has a battery management system hierarchically superior to the battery blocks, also called master battery management system.

In einem den Bereitstellungsschritten zeitlich nachfolgenden Ladeschritt erfolgt ein Laden mittels der Mastersteuereinheit über eine Ladedauer derart, dass in Abhängigkeit des wenigstens einen Betriebsparameters ein Schaltzustandsänderung in Trennung oder in Zuschaltung wenigstens einer Schalteinrichtung für eine Teildauer der Ladedauer bewirkt wird.In a charge step following the provisioning steps, charging takes place by means of the master control unit over a charging period such that, depending on the at least one charging step Operating parameters a switching state change in separation or in connection of at least one switching device for a portion of the charging time is effected.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit möglich, durch gezieltes selektives Zu- oder Abschalten einzelner oder mehrerer Batterieblöcke Ausgleichsströme zwischen diesen zu reduzieren oder zu unterdrücken.The method according to the invention thus makes it possible to reduce or suppress compensating currents between them by selective selective connection or disconnection of individual or several battery blocks.

In einer Ausgestaltung ist der Betriebsparameter die Batterieblockspannung, also die Ausgangsspannung der einzelnen Batterieblöcke. Bei dieser Ausgestaltung werden die Batterieblöcke in der aufsteigenden Reihenfolge ihrer zu Beginn der Ladedauer und während der Ladedauer gemessenen, d.h. momentanen Batterieblockspannung zugeschaltet. Anders ausgedrückt die Batterieblöcke werden in der Reihenfolge ihrer zu Beginn der Ladedauer gemessenen Batterieblockspannung zugeschaltet, womit somit der Batterieblock mit zu diesem Zeitpunkt geringster Batterieblockspannung zuerst und der Batterieblock mit zu diesem Zeitpunkt höchster Batterieblockspannung zuletzt geladen wird. Beispielsweise erfolgt die Zuschaltung in fest vorgegebenen Zeitabständen, wie in gleichmäßigem Zeitabstand, wenn die Batterieblockspannung beispielsweise aller Batterieblöcke in einem vorgegebenen Intervall liegt.In one embodiment, the operating parameter is the battery block voltage, that is, the output voltage of the individual battery blocks. In this embodiment, the battery blocks are measured in the ascending order of their measured at the beginning of the charging period and during the charging period, i. current battery block voltage switched on. In other words, the battery blocks are switched in the order of their measured at the beginning of the charging time battery block voltage, thus the battery pack is loaded with at this time lowest battery block voltage last and the battery pack with at this time highest battery pack voltage last. For example, the connection takes place at fixed predetermined time intervals, such as at a uniform interval, when the battery block voltage, for example, all battery blocks is within a predetermined interval.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Zuschaltung des gemäß der Reihenfolge nachfolgenden Batterieblocks jeweils dann erfolgt, sofern die Differenz zwischen der mittleren Batterieblockspannung aller bereits zugeschalteten Batterieblöcke und der Batterieblockspannung des gemäß der aufsteigenden Reihenfolge nächsten Batterieblocks einen vorgegebenen Wert unterschreitet oder unterschritten hat. Anders ausgedrückt hat sich die mittlere Batterieblockspannung an die Batterieblockspannung des in der aufsteigenden Reihenfolge nachfolgenden Batterieblocks auf ein vorgegebenes Maß angenähert oder dieses Maß unterschritten, erfolgt das Zuschalten des betreffend nachfolgenden Batterieblocks. Dadurch kann der Ladevorgang beschleunigt werden.According to a preferred embodiment, it is provided that the connection of the battery block following the sequence takes place in each case if the difference between the mean battery block voltage of all already connected battery blocks and the battery block voltage of the next battery block according to the ascending order has fallen below or falls below a predetermined value. In other words, the mean battery block voltage has approximated to the battery block voltage of the battery block following in the ascending order to a predetermined level or falls below this level, the connection of the subsequent battery block takes place. This can speed up the charging process.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der vom Ladegerät abgegebene Ladestrom über die Ladedauer stetig abnimmt und bevorzugt ferner sich asymptotisch am Ende der Ladedauer Null nähert.It is preferably provided that the charging current delivered by the charger steadily decreases over the charging time and furthermore preferably approaches zero asymptotically at the end of the charging period.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens ist vorgesehen, dass die Mastersteuereinheit über die oder eine weitere Datenverbindung mit dem Ladegerät kommuniziert, um wenigstens eine Sollladespannung für das Ende der Ladedauer vorzugeben, bevorzugt um die Ladespannung über den Verlauf der Ladedauer zu steuern.According to a preferred embodiment of the charging method according to the invention, it is provided that the master control unit communicates via the or a further data connection with the charger to specify at least one desired charging voltage for the end of the charging time, preferably to control the charging voltage over the course of the charging time.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Mastersteuereinheit das Ladegerät derart ansteuert, dass eine an allen zuvor zugeschalteten Batterieblöcke zum Laden anliegende Ladespannung über deren Ladedauer der Batterieblockspannung des gemäß der aufsteigenden Reihenfolge nächst zuzuschaltenden Batterieblocks entspricht oder jeweils ein vorgegebene, positive, bevorzugt für alle Batterieblöcke konstante, Offset-Spannung zur Batterieblockspannung des gemäß der Reihenfolge als nächstes zuzuschaltenden Batterieblocks aufweist. Damit ist gemeint, dass die Ladespannung die Batterieblockspannung des nächsten Batterieblocks jeweils um die Offset-Spannung übersteigt. Dadurch kann ein besonders effektives Laden erreicht werden.It is preferably provided that the master control unit controls the charger in such a way that a charging voltage applied to all previously connected battery blocks over the charging duration corresponds to the battery block voltage of the battery block to be connected next according to the ascending order, or in each case a predetermined, positive, preferably constant for all battery blocks, Offset voltage to the battery block voltage of the next zuzuschaltenden battery block according to the order. This means that the charging voltage exceeds the battery block voltage of the next battery block by the offset voltage. As a result, a particularly effective loading can be achieved.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Aufschalten mehrerer parallel geschalteter Batterieblöcke zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung für einen Verbraucher, insbesondere um in einem unmittelbar nachfolgenden Schaltschritt, den elektrischen Verbraucher mit der Spannung aller aufgeschalteten Batterieblöcke zu beaufschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufschalten weist folgende Schritte auf: In einem Bereitstellungsschritt wird ein elektrischer Verbraucher, beispielsweise der elektrische Fahrmotor eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs bereitgestellt. In einem weiteren Bereitstellungsschritt werden mehrere parallel verschaltete Batterieblöcke bereitgestellt, wobei jeder Batterieblock eine Batterieblockspannung als Ausgangsspannung für den Abgriff durch den elektrischen Verbraucher aufweist. Jeder Batterieblock weist jeweils mehrere in Serie verschaltete sekundäre Batteriezellen auf. Jedem Batterieblock ist eine Steuereinheit sowie wenigstens eine über eine Datenverbindung, wie eine CAN-Bus-Leitung, mit der Steuereinheit kommunizierende Überwachungseinheit zur Detektion wenigstens eines Betriebsparameters des Batterieblocks zugehörig. Ferner ist pro Batterieblock jeweils eine über die oder eine weitere Datenverbindung, wie eine CAN-Bus-Leitung, mit der Steuereinheit kommunizierende Schalteinrichtung zur Bewirkung einer elektrischen, bevorzugt galvanischen, Trennung des zugehörigen Batterieblocks von den weiteren Batterieblöcken oder einer Aufschaltung des zugehörigen Batterieblocks vorgesehen.The invention further relates to a method for connecting a plurality of battery blocks connected in parallel to provide an electrical voltage for a consumer, in particular in order to act on the electrical load with the voltage of all connected battery blocks in an immediately subsequent switching step. The method according to the invention for switching on comprises the following steps: In a provisioning step, an electrical load, for example the electric traction motor of a motor vehicle driven by an electric motor, is provided. In a further provision step, a plurality of battery blocks connected in parallel are provided, each battery block having a battery block voltage as the output voltage for the tapping by the electrical load. Each battery block has several series-connected secondary battery cells. Each battery block has a control unit and at least one monitoring unit communicating with the control unit via a data connection, such as a CAN bus line, for detecting at least one operating parameter of the battery block. Furthermore, one battery block each via the or a further data connection, such as a CAN bus line, communicating with the control unit switching device for effecting an electrical, preferably galvanic, separation of the associated battery block of the other battery blocks or an attachment of the associated battery block is provided.

In einem weiteren Bereitstellungsschritt wird eine mit den Steuereinheiten über die oder eine weitere Datenverbindung, wie eine CAN-Bus-Leitung, kommunizierende Mastersteuereinheit bereitgestellt und weist somit ein den Batterieblöcken zugeordneten Batteriemanagementsystemen hierarchisch übergeordnetes Masterbatteriemanagementsystem auf.In a further provisioning step, a master control unit communicating with the control units via the or a further data connection, such as a CAN bus line, and thus has a battery management systems assigned to the battery blocks hierarchically superior master battery management system.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem nachfolgenden Aufschaltschritt das Aufschalten mittels der Mastersteuereinheit über eine Aufschaltdauer derart erfolgt, dass in Abhängigkeit des wenigstens einen Betriebsparameters wenigstens eine Trennung oder Aufschaltung durch eine der Schalteinrichtungen während einer Teildauer der Aufschaltdauer bewirkt wird, ohne dass eine elektrische Verbindung zum elektrischen Verbraucher besteht. Durch dieses gezielt sequentielle Aufschalten der Batterieblöcke in Abhängigkeit eines Betriebsparameters, wie Temperatur oder Spannung einer oder mehrerer der sekundären Batteriezellen, können Ausgleichsströme zwischen den Batterieblöcken minimiert werden.According to the invention it is provided that in a subsequent Aufschaltschritt the Switching on by means of the master control unit over a switch-on time takes place such that, depending on the at least one operating parameter, at least one disconnection or connection is effected by one of the switching devices during a partial duration of the switch-on duration without an electrical connection to the electrical load. As a result of this deliberately sequential connection of the battery blocks as a function of an operating parameter, such as temperature or voltage of one or more of the secondary battery cells, equalizing currents between the battery blocks can be minimized.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufschaltverfahrens ist der Betriebsparameter die Batterieblockspannung und die Batterieblöcke werden in der absteigenden Reihenfolge ihrer jeweils vor dem Aufschalten gemessenen Batterieblockspannung aufgeschaltet. Anders ausgedrückt die Batterieblöcke werden in der Reihenfolge ihrer jeweils vor dem Beginn des Aufschaltens gemessenen Batterieblockspannung aufgeschaltet, womit somit der Batterieblock mit zu diesem Zeitpunkt höchster Batterieblockspannung zuerst und der Batterieblock mit zu diesem Zeitpunkt niedrigster Batterieblockspannung zuletzt aufgeschaltet wird. Beispielsweise erfolgt die Aufschaltung in fest vorgegebenen Zeitabständen, wie in gleichmäßigem Zeitabstand, wenn beispielsweise die Batterieblockspannung aller Batterieblöcke in einem vorgegebenen Intervall liegt.According to a preferred embodiment of the Aufschaltverfahrens invention, the operating parameter is the battery block voltage and the battery blocks are switched in the descending order of their measured before the onset of battery block voltage. In other words, the battery blocks are switched in the order of their respective measured before the start of the Aufschalts battery block voltage, thus the battery block is switched on at this time highest battery block voltage first and the battery pack with at this time lowest battery block voltage last. For example, the connection takes place at fixed predetermined time intervals, such as at a uniform interval, for example, if the battery block voltage of all battery blocks is within a predetermined interval.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Aufschalten des gemäß der Reihenfolge nachfolgenden Batterieblocks jeweils nur dann erfolgt, falls die Differenz zwischen der mittleren Batterieblockspannung aller bereits aufgeschalteten Batterieblöcke und der Batterieblockspannung des gemäß der Reihenfolge nachfolgenden Batterieblocks einen vorgegebenen Spannungswert untersch reitet.In a preferred embodiment, it is provided that the switching on of the battery block following the sequence only takes place if the difference between the average battery block voltage of all the already connected battery blocks and the battery block voltage of the battery block following the sequence underlines a predetermined voltage value.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach Ablauf der Aufschaltdauer ein Schaltschritt vorgenommen wird, bei dem der elektrische Verbraucher, beispielsweise der elektrische Fahrmotor eines Kraftfahrzeugs, über eine weitere Schalteinrichtung mit der Batterieblockspannung mehrerer Batterieblöcke, bevorzugt aller Batterieblöcke, beaufschlagt wird.According to a preferred embodiment of the method, it is provided that after the switch-on duration, a switching step is performed, in which the electrical load, for example, the electric traction motor of a motor vehicle, via a further switching device with the battery block voltage of multiple battery blocks, preferably all battery blocks, is applied.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Verfahrens, wie das Ladeverfahren oder das Aufschaltverfahren, in einer seiner zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem elektromotorisch betriebenen Kraftfahrzeug.The invention further relates to the use of the method, such as the charging method or the Aufschaltverfahren, in one of its previously described embodiments in an electric motor-powered motor vehicle.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung des dem erfindungsgemäßen Lade- und Aufschaltverfahren zugrundeliegende Batteriesystem;
2 ein elektrisches Ersatzschaltbild zu dem in 1 gezeigten Batteriesystem;
3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens;
4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens.

The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. The figures are to be understood only as an example and represent only a preferred embodiment. It shows:

1 a schematic representation of the charging and Aufschaltverfahren underlying battery system according to the invention;
2 an electrical equivalent circuit diagram to the in 1 shown battery system;
3 an embodiment of the charging method according to the invention;
4 a second embodiment of the charging method according to the invention.

1 dient der Beschreibung des zum erfindungsgemäßen Lade- und Aufschaltverfahren gehörenden und bereitgestellten Batteriesystem. Dieses weist mehrere Batterieblöcke 1, 2, 3 auf. Jeder Batterieblock 1, 2, 3 weist mehrere in Serie geschaltete, sekundäre Batteriezellen 7 auf, von denen in den Figuren der Übersichtlichkeit halber lediglich eine näher bezeichnet ist. Die Batteriezellen 7 sind dabei in Modulen 21 gruppiert, worauf hier nicht näher eingegangen wird. Jedes Modul 21 umfasst mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 7. Die Module 21 sind durch eine nicht näher dargestellte Sensorik temperatur- und spannungsüberwacht, wobei die zugehörigen Daten über eine CAN-Bus-Leitung 12 an eine zum jeweiligen Batterieblock 1, 2, 3 gehörige Steuereinheit 4, 5, 6 übermittelt wird. Jeder der Batterieblöcke 1, 2, 3 weist ferner eine Überwachungseinheit 8, 9, 10 zur Detektion eines Betriebsparameters, hier des vom jeweiligen Batterieblocks 1, 2, 3 abgegebenen Stroms sowie der jeweiligen Batterieblockspannung als Ausgangsspannung des Batterieblocks 1, 2, 3 auf. Diese Überwachungseinheit 8, 9, 10 ist jeweils über eine CAN-Bus-Leitung 13 mit der zugehörigen Steuereinheit 4, 5, 6 zur Datenkommunikation verbunden. Die Steuereinheiten 4, 5, 6 kommunizieren ferner über eine bezogen auf die Batterieblöcke 1, 2, 3 bezogene externe CAN-Bus Leitung 14 mit einer den Steuereinheiten 4, 5, 6 der Batterieblöcke 1, 2, 3 übergeordnete Mastersteuereinheit 11. Diese kommuniziert wiederum über eine Datenverbindung gemäß dem CAN-Standard mit einer fahrzeugeigenen Steuereinheit 16 oder einem bezüglich des Fahrzeugs externen, nicht dargestellten Ladegeräts. 1 serves for the description of the charging and Aufschaltverfahren belonging to the invention and provided battery system. This has several battery blocks 1 . 2 . 3 on. Every battery block 1 . 2 . 3 has several series connected, secondary battery cells 7 of which in the figures for the sake of clarity, only one is designated in more detail. The battery cells 7 are in modules 21 grouped, which is not discussed here. Every module 21 includes several series connected battery cells 7 , The modules 21 are temperature and voltage monitored by a sensor, not shown, with the associated data via a CAN bus line 12 to one for each battery block 1 . 2 . 3 associated control unit 4 . 5 . 6 is transmitted. Each of the battery blocks 1 . 2 . 3 also has a monitoring unit 8th . 9 . 10 for detecting an operating parameter, here of the respective battery block 1 . 2 . 3 output current and the respective battery block voltage as the output voltage of the battery pack 1 . 2 . 3 on. This monitoring unit 8th . 9 . 10 is in each case via a CAN bus line 13 with the associated control unit 4 . 5 . 6 connected to data communication. The control units 4 . 5 . 6 also communicate via one related to the battery blocks 1 . 2 . 3 referenced external CAN bus line 14 with one of the control units 4 . 5 . 6 the battery blocks 1 . 2 . 3 higher master control unit 11 , This in turn communicates via a data connection according to the CAN standard with an on-board control unit 16 or a charger external to the vehicle, not shown.

2 zeigt ein zu 1 entsprechendes elektrisches Ersatzschaltbild, wobei ferner die Datenkommunikationsleitungen ergänzt sind, so dass auf die vorherige Beschreibung Bezug genommen wird. Die Batterieblöcke 1, 2, 3 sind beim erfindungsgemäßen Ladeverfahren an das Ladegerät 20 über die elektrische Leitung 22 parallel angeschlossen. Beim erfindungsgemäßen, nicht dargestellten Aufschaltverfahren ist das Ladegerät 20 durch einen elektrischen Verbraucher, wie einen elektromotorischen Fahrmotor, ersetzt. Aus 2 ist ferner ersichtlich, dass jeder der Batterieblöcke 1, 2, 3 eine Schalteinrichtung 17, 18, 19 zur Trennung des zugehörigen Batterieblocks 1, 2, 3 von den jeweilig verbleibenden Batterieblöcken 1, 2, 3 und zur elektrischen Verbindung, d.h. Zuschaltung, des jeweiligen Batterieblocks 1, 2, 3 aufweist. Das Zuschalten und Trennen erfolgt auf Befehl der dem jeweiligen Batterieblock 1, 2, 3 übergeordneten Mastersteuereinheit 11 über die dem jeweiligen Batterieblock 1, 2, 3 zugehörige Steuereinheit 4, 5, 6, die ihrerseits über die jeweilige CAN-Bus-Leitung 23 in Datenkommunikation mit der betreffenden Schalteinrichtung 17, 18, 19 steht. Das Trennen und Zuschalten des jeweiligen Batterieblocks 1, 2, 3 erfolgt in Abhängigkeit der von den Detektionseinrichtungen 8, 9, 10 gemessenen Batterieblockspannungen, wie nachfolgend anhand der 3 und 4 erläutert wird. 2 indicates one 1 corresponding equivalent electrical circuit diagram, wherein further the data communication lines are supplemented, so that reference is made to the previous description. The battery blocks 1 . 2 . 3 are in the charging method according to the invention to the charger 20 over the electrical line 22 connected in parallel. In the invention, not shown Aufschaltverfahren is the charger 20 replaced by an electrical load, such as an electric motor traction motor. Out 2 It can also be seen that each of the battery blocks 1 . 2 . 3 a switching device 17 . 18 . 19 for separating the associated battery block 1 . 2 . 3 from the remaining battery blocks 1 . 2 . 3 and for the electrical connection, ie connection, of the respective battery block 1 . 2 . 3 having. The connection and disconnection is carried out on command of the respective battery block 1 . 2 . 3 parent master control unit 11 over the respective battery block 1 . 2 . 3 associated control unit 4 . 5 . 6 , in turn, via the respective CAN bus line 23 in data communication with the relevant switching device 17 . 18 . 19 stands. The disconnection and connection of the respective battery block 1 . 2 . 3 occurs as a function of the detection devices 8th . 9 . 10 measured battery block voltages, as described below with reference to 3 and 4 is explained.

Anhand der 3 wird eine erste Ausführungsform des Ladeverfahrens beschrieben. Hierbei erfolgt das Zuschalten der Batterieblöcke 1 bis 6 in der aufsteigenden Reihenfolge ihrer zu Beginn des Ladeverfahrens gemessenen Batterieblockspannung U, wobei das Zuschalten in vorgegebenem gleichmäßigem Zeitabstand erfolgt. Dieses Verfahren wird beispielsweise angewandt, wenn sämtliche Batterieblockspannungen in ein vorgegebenes Spannungsintervall ΔU_max, beispielsweise 2V, fallen, wobei die obere Grenze des Spannungsintervalls durch die höchste der Batterieblockspannungen definiert ist. Für den Fall, dass wenigstens einer der Batterieblockspannungen nicht in dieses Intervall fällt, wird das in 4 gezeigte Ladeverfahren angewandt. Diese Abweichung der Batterieblockspannung kann durch Alterung (Drift der Innenwiderstände der sekundären Batteriezellen 7) oder Störung beziehungsweise Austausch von Batterieblöcken hervorgerufen werden. Für den Fall ist eine besondere Ladestrategie erforderlich. Bei dieser Ausgestaltung steuert die in 2 gezeigte Mastersteuereinheit 11 die Ladespannung des in 2 gezeigten Ladegeräts 20 und gibt dessen Ladespannung U_charge vor. Ferner ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Mastersteuereinheit 11 in 2 das Ladegerät 20 so steuert, dass der Ladestrom mit Annäherung an die Sollspannung heruntergeregelt wird, so dass sich der Ladestrom asymptotisch Null nähert. So wird beim Zuschalten des betreffenden Batterieblocks die an diesem beim Laden anliegende Ladespannung so gewählt, dass sie mindestens der Batterieblockspannung entspricht, die der gemäß der aufsteigenden Reihenfolge nachfolgende Batterieblock aufweist oder aufgewiesen hat. Bevorzugt ist die Ladespannung für jeden Zuschaltvorgang um eine vorgegebenes konstante Offset-Spannung Uoffset größer gewählt. Wie 4 zeigt wird zuerst der Batterieblock 1 zugeschaltet, wobei die Ladespannung U_charge1 = U₂ + U_offset entspricht. Der Batterieblock 1 wird bis zum Erreichen von U_charge1 geladen. Unterschreitet die Differenz von U₁ und U₂ den Spannungswert ΔU_max wird der in der Reihenfolge nächste Batterieblock 2 zugeschaltet. Die Ladespannung U_Charge2 = U₃ (=U₄=U₅=U₆) + U_offset wird auf die Batterieblockspannungen der nächsten Batterieblöcke plus der Offset-Spannung Uoffset eingeregelt. Die Batterieblöcke 1 und 2 werden geladen, bis deren Batterieblockspannung U_charge2 erreicht hat. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen der mittleren, durch das Laden sich ändernden Batterieblockspannung der Batterieblöcke 1 und 2 und der Batterieblockspannung der verbleibenden, nicht zugeschalteten Batterieblöcke 3, 4, 5, 6 den Spannungswert ΔU_max unterschreitet, erfolgt ein Zuschalten dieser Batterieblöcke in zeitlich konstanter Reihenfolge, bevorzugt in der aufsteigenden Reihenfolge ihrer vor dem Ladevorgang gemessenen Batterieblockspannung, deren Unterschied in der 4 gezeigten Variante lediglich minimal ausfällt und nicht mehr auflösend dargestellt ist. Der letzte Batterieblock 6 wird mit einer Ladespannung U_charge _max ohne Offset geladen.Based on 3 A first embodiment of the charging method will be described. This is done by connecting the battery blocks 1 to 6 in the ascending order of their battery pack voltage measured at the beginning of the charging process U , wherein the connection takes place in a predetermined uniform time interval. This method is used, for example, when all battery block voltages fall within a predetermined voltage interval ΔU _max, for example 2V, with the upper limit of the voltage interval being defined by the highest of the battery block voltages. In the event that at least one of the battery block voltages does not fall within this interval, the in 4 applied charging method shown. This deviation of the battery block voltage can be due to aging (drift of the internal resistance of the secondary battery cells 7 ) or disruption or replacement of battery blocks are caused. In this case, a special charging strategy is required. In this embodiment, the controls in 2 shown master control unit 11 the charging voltage of in 2 shown charger 20 and specifies its charging voltage U _charge . Furthermore, it is provided in one embodiment that the master control unit 11 in 2 The charger 20 controls so that the charging current is regulated down with approach to the target voltage, so that the charging current approaches zero asymptotically. Thus, when the respective battery block is switched on, the charging voltage applied thereto during charging is selected such that it corresponds at least to the battery block voltage which the battery block following the ascending sequence has or has exhibited. Preferably, the charging voltage for each switching operation is selected to be larger by a predetermined constant offset voltage Uoffset. As 4 shows first the battery pack 1 switched, wherein the charging voltage U _charge1 = U ₂ + U _offset corresponds. The battery pack 1 is charged until U _{charge1 is reached} . Falls below the difference of U ₁ and U ₂ the voltage value ΔU _max becomes the next battery block in the order 2 switched on. The charging voltage U _Charge2 = U ₃ (= U ₄ = U ₅ = U ₆ ) + U _offset is adjusted to the battery block voltages of the next battery blocks plus the offset voltage Uoffset. The battery blocks 1 and 2 are charged until their battery _{block voltage} U _has reached _charge2 . When the voltage difference between the average, by charging changing battery block voltage of the battery blocks 1 and 2 and the battery block voltage of the remaining, non-connected battery blocks 3 . 4 . 5 . 6 below the voltage value .DELTA.U _max , these battery blocks are connected in chronologically constant order, preferably in the ascending order of their battery block voltage measured before the charging process, the difference in which 4 variant shown only minimally fails and is no longer displayed dissolving. The last battery pack 6 is charged with a charging voltage U _charge _max without offset.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Ladeverfahren beschrieben. Das Aufschalten und damit das untereinander elektrische Verbinden der parallel geschalteten Batterieblöcke durch die Schalteinrichtung erfolgt im „Leerlauf“, d.h. ohne einen vom elektrischen Verbraucher abgegriffenen, gleichzeitigen Laststrom. Das Aufschalten der Batterieblöcke erfolgt grundsätzlich in der absteigenden Reihenfolge der vor dem jeweiligen Aufschalten gemessenen Batterieblockspannung. D.h.: vor dem schaltenden Verbinden des gesamten Batteriesystems mit dem elektrischen Verbraucher beginnt das Aufschalten der Batterieblöcke in deren parallel geschalteten Verbund mit dem Batterieblock mit der vor dem Aufschalten vorhandenen höchsten Batterieblockspannung und endet mit dem Batterieblock mit der geringsten Batterieblockspannung. Dieses Zuschalten geschieht beispielsweise in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise in einem Zeitabstand von 1 s. Erst danach wird das Batteriesystem mit dem elektrischen Verbraucher verbunden. Unterscheidet sich die durchschnittliche Batterieblockspannung der bereits aufgeschalteten Batterieblöcke jedoch um einen vorgegebenen Spannungswert ΔU_max von der Batterieblockspannung des gemäß der absteigenden Reihenfolge nachfolgend aufzuschaltenden Batterieblocks wird auf die Aufschaltung zumindest bei diesem Aufschaltvorgang verzichtet.The charging method according to the invention will be described below. The switching on and thus the interconnecting electrical connection of the battery blocks connected in parallel by the switching device takes place in the "idle", ie without a tapped by the electrical load, simultaneous load current. The connection of the battery blocks is basically in the descending order of the measured before the respective on-hook battery block voltage. That is, before the switching connection of the entire battery system to the electrical load, the connection of the battery blocks in their parallel connection with the battery block begins with the highest battery block voltage present before the connection and ends with the battery block with the lowest battery block voltage. This connection takes place, for example, at predetermined time intervals, for example at a time interval of 1 s. Only then is the battery system connected to the electrical load. However, if the average battery block voltage of the already connected battery blocks differs by a predetermined voltage value .DELTA.U _max from the battery block voltage of the battery block to be subsequently connected in accordance with the descending order, the connection is dispensed with at least during this connection procedure.

Claims

A method of charging a plurality of battery blocks (1, 2, 3), comprising the steps of: providing a charger (20); Providing a plurality of battery blocks (1, 2, 3) connected in parallel with the charger (20), each battery block (1, 2, 3) providing a battery block voltage as output voltage each having a plurality of secondary battery cells (7) connected in series, one each the respective Battery unit (1, 2, 3) associated control unit (4, 5, 6), at least one via a data connection (13) with the control unit (4, 5, 6) communicating monitoring unit (8, 9, 10) for detecting at least one operating parameter of the respective battery block (1, 2, 3) and a switching device (17, 18, 19) communicating with the control unit (4, 5, 6) via the or another data connection (23) to effect an electrical, preferably galvanic, separation of the associated battery block (1, 2, 3) of the charger (20) and of the remaining battery blocks (1, 2, 3) and for effecting an electrical connection of the associated battery block (1, 2, 3); Providing a master control unit (11) communicating with the control units (4, 5, 6) via the or a further data connection (14); Charging by means of the master control unit (11) over a charging period such that, depending on the at least one operating parameter, a switching state change in disconnection or in connection of at least one switching device (17, 18, 19) is effected for a partial duration of the charging time.

Charging method after Claim 1 wherein the operating parameter is the battery block voltage, and the battery blocks (1, 2, 3) are successively connected in an ascending order of their battery block voltage measured at the beginning of the charging period.

Charging method according to the preceding claims, wherein the connection of the successive ascending order battery block (1, 2, 3) respectively takes place, provided that the difference between the average instantaneous battery pack voltage of all already connected battery blocks and the battery pack voltage of the successive battery block in a predetermined voltage value (ΔU _max ) has fallen below or fallen below.

Charging method according to one of the preceding claims, wherein the charge current discharged by the charger (20) steadily decreases over the charging time and preferably further approaches zero asymptotically at the end of the charging time.

Loading method according to one of the preceding claims, wherein the master control unit (11) communicates via the or a further data connection with the charger (20) to specify at least one desired charging voltage for the end of the charging time, preferably to control the charging voltage over the course of the charging time.

Charging method according to the preceding claim, wherein the master control unit (11) controls the charger (20) such that the charge voltage applied to all previously connected battery blocks (1, 2, 3) for charging over the charging time of the battery block voltage of the next zuzuschaltenden battery block according to the order (1, 2, 3) corresponds or in each case has a predetermined, positive offset voltage (U _offset ) thereto.

Method for electrically connecting a plurality of parallel connected battery blocks (1, 2, 3) for providing a voltage for a consumer with the following steps: Providing an electrical load; Providing a plurality of battery blocks (1, 2, 3) connected in parallel, each battery block (1, 2, 3) providing a battery block voltage each having a plurality of secondary battery cells (7) connected in series, one each to the respective battery block (1, 2, 3) associated control unit (4, 5, 6), at least one via a data connection (13) with the control unit (4, 5, 6) communicating monitoring unit (8, 9, 10) for detecting at least one operating parameter of the respective battery block (1, 2, 3) and a switching device (17, 18, 19) communicating via the or a further data connection (23) with the control unit (4, 5, 6) to effect an electrical, preferably galvanic, separation of the associated battery block (1, 2 , 3) of the respective remaining battery blocks (1, 2, 3) and for causing an electrical connection of the associated battery block (1, 2, 3); Providing a master control unit (11) communicating with the control units (4, 5, 6) via the or a further data connection (14); Switching on by means of the master control unit (11) over a switch-on duration such that, depending on the at least one operating parameter, at least one disconnection or connection is effected by at least one of the switching devices (17, 18, 19) during a partial duration of the switch-on duration without an electrical connection consists of the electrical consumer.

Method according to Claim 7 , wherein the operating parameter is the battery block voltage and the battery blocks (1, 2, 3) are switched in the descending order of their battery block voltage measured at the beginning of the ON period.

Method according to the preceding claim, wherein the switching on of the battery block (1, 2, 3) following the descending order takes place only when the difference between the mean battery block voltage of all already connected battery blocks (1, 2, 3) and the battery block voltage of the battery block according to the descending order subsequent battery block (1, 2, 3) has fallen below or has fallen below a predetermined voltage value (.DELTA.U _max ).

Method according to one of the preceding Claims 7 to 9 , wherein after the end of the Aufschaltdauer a switching step is carried out, in which the electrical load, for example, the electric traction motor of a motor vehicle, via a further switching device with the battery block voltage of the battery blocks (1, 2, 3), preferably all battery blocks, is applied.

Use of the method according to one of the preceding claims in a motor vehicle driven by an electric motor.