DE102018108041B4 - Procedure for connecting several battery blocks connected in parallel - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum elektrischen Aufschalten mehrerer parallel geschalteter Batterieblöcke (1, 2, 3) zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung für einen Verbraucher mit den folgenden Schritten:Bereitstellen eines elektrischen Verbrauchers;Bereitstellen mehrerer parallel verschalteter Batterieblöcke (1, 2, 3), wobei jeder, eine Batterieblockspannung als Ausgangsspannung 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 den jeweils restlichen Batterieblöcken (1, 2, 3) und zur Bewirkung einer elektrischen Aufschaltung 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);Aufschalten mittels der Mastersteuereinheit (11) über eine Aufschaltdauer derart, dass in Abhängigkeit des wenigstens einen Betriebsparameters wenigstens eine Trennung oder ein Aufschalten durch wenigstens eine der Schalteinrichtungen (17, 18, 19) während einer Teildauer der Aufschaltdauer bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet dass das Aufschalten ohne einen vom elektrischen Verbraucher abgegriffenen, gleichzeitigen Laststrom erfolgt.Method for electrically connecting a plurality of battery blocks (1, 2, 3) connected in parallel to provide an electrical voltage for a consumer, having the following steps: providing an electrical consumer; providing a plurality of battery blocks (1, 2, 3) connected in parallel, each one Battery block (1, 2, 3) providing battery block voltage as output voltage, each having a plurality of secondary battery cells (7) connected in series, each having a control unit (4, 5, 6) assigned to the respective battery block (1, 2, 3), at least one via a data connection (13) Monitoring unit (8, 9, 10) communicating with the control unit (4, 5, 6) for detecting at least one operating parameter of the respective battery block (1, 2, 3) and via the or a further data connection (23) with the Control unit (4, 5, 6) communicating switching device (17, 18, 19) to effect an electrical, preferably galvanic, separation of the associated en battery blocks (1, 2, 3) from the respective remaining battery blocks (1, 2, 3) and for effecting an electrical connection of the associated battery block (1, 2, 3);providing a connection with the control units (4, 5, 6 ) master control unit (11) communicating via the or a further data connection (14); intrusion by means of the master control unit (11) over an on-connection period such that, depending on the at least one operating parameter, at least one disconnection or intrusion by at least one of the switching devices (17, 18 , 19) is effected during part of the switch-on period, characterized in that the switch-on takes place without a load current being tapped from the electrical consumer at the same time.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufschalten mehrerer, parallel verschalteter 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 method for connecting a plurality of battery blocks connected in parallel. Battery packs are also called battery troughs and have several secondary battery cells that are connected in series in order to achieve a sufficient operating voltage. By using secondary battery cells, i.e. rechargeable galvanic cells, the battery blocks function as accumulators. For example, to increase the capacity of a traction battery of an electrically powered motor vehicle, battery blocks are connected in parallel. This means that existing battery blocks, such as those used in smaller vehicles, can be used without having to assemble special battery blocks for larger vehicles. Furthermore, connecting several battery blocks in parallel simplifies service and maintenance, since in the event of a fault or failure, a single battery block can be replaced without having to remove the entire battery system. With the parallel connection of the battery blocks, however, there is the problem that uncontrollable equalizing currents can occur between the battery blocks due to different states of charge of the battery blocks, which can also lead to an undesirable deep discharge of the least charged battery block.

Aus der US 2015/0 194 707 A1 ist ein Aufschaltverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.From the US 2015/0 194 707 A1 an intrusion method according to the preamble of claim 1 is known.

Vor diesem Hintergrund bestand Bedarf nach einer Lösung 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 Aufschaltverfahren gemäß Anspruch 1 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 connection method, in particular for a connection method immediately preceding load operation, for a plurality of battery blocks connected in parallel, in which such equalizing currents are minimized or even suppressed in an improved manner. This object is achieved by an override method according to claim 1. An equally advantageous use is the subject of the secondary use claim. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent claims. It should be pointed out that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technologically meaningful manner and show further refinements of the invention. The description, in particular in connection with the figures, additionally characterizes and specifies the invention.

Hierin wird zur Erläuterung des technologischen Hintergrundes ein nichterfindungsgemäßes Ladeverfahren mehrerer Batterieblöcke mit den folgenden Schritten beschrieben. 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.Here, to explain the technological background, a non-inventive charging method for multiple battery blocks is described with the following steps. In a provision step, a charging device, for example a so-called charging station, is provided. In a further provision step, several battery blocks electrically connected in parallel to one another and to the charging device are provided. In this case, each battery pack has at least a plurality of secondary battery cells electrically connected in series in order to provide the battery pack voltage as the output voltage in their entirety. In this case, it should not be ruled out that, in addition to a plurality of battery cells connected in series, further series of battery cells connected in parallel are provided within the battery block in order to increase the capacity of the battery block. 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. Beispielsweise ist eine über die oder eine weitere Datenverbindung, wie eine CAN-Bus-Leitung mit der Steuereinheit kommunizierende Schalteinrichtung zur Bewirkung einer elektrischen, beispielsweise 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 consisting of one or more sensors for detecting at least one operating parameter of the battery pack. 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 battery cells of the battery pack or the output current of each battery pack is detected. For example, a switching device that communicates with the control unit via the or a further data connection, such as a CAN bus line, to effect an electrical, for example galvanic, selective disconnection of the associated battery block from the charger and the other battery blocks and to effect a selective electrical connection of the associated battery blocks provided. In other words, the switching device has two alternative switching states: one switching state in which the battery block in question is electrically isolated from the other battery blocks and the charger and one in which the electrical connection to the charger and, if other battery blocks are connected, a parallel connection of the affected battery blocks is effected with the other connected battery blocks. In other words, each of the battery blocks has its own so-called battery management system assigned to 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 provision step, a master control unit that communicates with the control units via the or a further data connection, such as a CAN bus line, is provided and thus has a battery management system that is hierarchically superordinate to the battery blocks, also known as the 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 charging step that follows the provision steps in time, charging takes place using the master control unit over a charging period such that, depending on the at least one operating parameter, a switching state change in disconnection or connection of at least one switching device is effected for part of the charging period.

Durch das 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 thus makes it possible to reduce or suppress compensating currents between these by purposefully selectively connecting or disconnecting one or more 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 configuration, the operating parameter is the battery block voltage, ie the output voltage of the individual battery blocks. In this embodiment, the battery blocks are switched on in the ascending order of their current battery block voltage measured at the beginning of the charging period and during the charging period. In other words, the battery blocks are connected in the order of their battery block voltage measured at the beginning of the charging period, which means that the battery block with the lowest battery block voltage at this point in time is charged first and the battery block with the highest battery block voltage at this point in time is charged last. For example, the connection takes place at fixed time intervals, such as at regular time intervals when the battery pack voltage, for example, of all battery packs is within a given interval.

Beispielsweise 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.For example, it is provided that the battery block that follows according to the sequence is switched on if the difference between the average battery block voltage of all battery blocks already connected and the battery block voltage of the next battery block according to the ascending sequence falls below or has fallen below a predetermined value. In other words, if the average battery block voltage has approached the battery block voltage of the battery block that follows in the ascending order to a predetermined level or has fallen below this level, the relevant subsequent battery block is switched on. This can speed up the loading process.

Beispielsweise ist vorgesehen, dass der vom Ladegerät abgegebene Ladestrom über die Ladedauer stetig abnimmt und ferner sich asymptotisch am Ende der Ladedauer Null nähert.For example, it is provided that the charging current delivered by the charger steadily decreases over the charging period and also approaches zero asymptotically at the end of the charging period.

Beispielsweise 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, beispielsweise um die Ladespannung über den Verlauf der Ladedauer zu steuern.For example, it is provided that the master control unit communicates with the charger via the or another data connection in order to specify at least one target charging voltage for the end of the charging period, for example in order to control the charging voltage over the course of the charging period.

Beispielsweise 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.For example, it is provided that the master control unit controls the charger in such a way that a charging voltage present at all previously connected battery blocks for charging corresponds to the battery block voltage of the next battery block to be connected according to the ascending order or a predetermined, positive, preferably constant for all battery blocks, over their charging duration. Offset voltage to the battery pack voltage of the battery pack to be switched on next in accordance with 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, particularly effective charging can be achieved.

Die Erfindung betrifft 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 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 apply the voltage of all connected battery blocks to the electrical consumer in an immediately subsequent switching step. The method according to the invention for switching on has the following steps: In a preparation step, an electrical consumer, for example the electric drive motor of an electric motor-driven motor vehicle, is made available. 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 tapping by the electrical consumer. Each battery block has a plurality of secondary battery cells connected in series. 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 are associated with each battery block. Furthermore, a switching device communicating with the control unit via the or a further data connection, such as a CAN bus line, is provided for each battery block in order to effect an electrical, preferably galvanic, separation of the associated battery block from the other battery blocks or a connection of the associated battery block.

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 provision step, a master control unit that communicates with the control units via the or a further data connection, such as a CAN bus line, is provided and thus assigns a battery block ten battery management systems 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 activation step, the activation by means of the master control unit takes place over an activation period in such a way that, depending on the at least one operating parameter, at least one disconnection or connection is effected by one of the switching devices during part of the activation period, without an electrical connection to the electrical consumer exists. Equalizing currents between the battery blocks can be minimized by this targeted sequential connection of the battery blocks depending on an operating parameter, such as temperature or voltage of one or more of the secondary battery cells.

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 connection method according to the invention, the operating parameter is the battery block voltage and the battery blocks are connected in the descending order of their respective battery block voltages measured before connection. In other words, the battery blocks are connected in the order of the battery block voltage measured before the start of connection, so that the battery block with the highest battery block voltage at this point in time is connected first and the battery block with the lowest battery block voltage at this point in time is connected last. For example, the connection takes place at fixed time intervals, such as at regular time intervals, for example if the battery pack voltage of all battery packs is within a given 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 unterschreitet.In a preferred embodiment, it is provided that the battery block that follows according to the sequence is only connected if the difference between the average battery block voltage of all battery blocks already connected and the battery block voltage of the battery block that follows according to the sequence falls below 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 connection time has elapsed, a switching step is carried out in which the electrical consumer, for example the electric traction motor of a motor vehicle, is charged with the battery block voltage of several battery blocks, preferably all battery blocks, via a further switching device.

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 also relates to the use of the method, such as the charging method or the switching method, in one of its previously described embodiments in a motor vehicle operated by an electric motor.

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 is explained in more detail with reference to the following figures. The figures are only to be understood as examples and only represent a preferred embodiment variant.
  • 1 a schematic representation of the battery system on which the charging and switching method according to the invention is based;
  • 2 an electrical equivalent circuit diagram for the in 1 battery system shown;
  • 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 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 to describe the battery system that belongs to and is provided for the switching method according to the invention. This has several battery blocks 1, 2, 3. Each battery block 1, 2, 3 has a plurality of secondary battery cells 7 connected in series, of which only one is indicated in more detail in the figures for the sake of clarity. The battery cells 7 are grouped in modules 21, which will not be discussed in detail here. Each module 21 comprises a plurality of battery cells 7 connected in series. The modules 21 are monitored for temperature and voltage by a sensor system, not shown in detail, with the associated data being transmitted via a CAN bus line 12 to a control unit belonging to the respective battery block 1, 2, 3 4, 5, 6 is transmitted. Each of the battery blocks 1, 2, 3 also has a monitoring unit 8, 9, 10 for detecting an operating parameter, here the current output by the respective battery block 1, 2, 3 and the respective battery block voltage as the output voltage of the battery block 1, 2, 3. This monitoring unit 8, 9, 10 is connected via a CAN bus line 13 to the associated control unit 4, 5, 6 for data communication. The control units 4, 5, 6 also communicate via an external CAN bus line 14 related to the battery blocks 1, 2, 3 with a master control unit 11 that is higher than the control units 4, 5, 6 of the battery blocks 1, 2, 3. This in turn communicates via a data connection according to the CAN standard with an on-board control unit 16 or a charger that is external to the vehicle and 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 shows a to 1 corresponding electrical equivalent circuit diagram, in which case the data communication lines are also added, so that reference is made to the previous description. In the charging method according to the invention, the battery blocks 1, 2, 3 are connected to the charger 20 connected in parallel via the electrical line 22 . In the connection method according to the invention, not shown, the charger 20 is replaced by an electrical consumer, such as an electric traction motor. Out of 2 it can also be seen that each of the battery blocks 1, 2, 3 has a switching device 17, 18, 19 for separating the associated battery block 1, 2, 3 from the respective remaining battery blocks 1, 2, 3 and for the electrical connection, ie connection, of the respective Battery blocks 1, 2, 3 has. The connection and disconnection takes place at the command of the respective battery block 1, 2, 3 higher-level master control unit 11 via the respective battery block 1, 2, 3 associated control unit 4, 5, 6, which in turn uses the respective CAN bus line 23 in data communication with the switching device 17, 18, 19 in question. The respective battery pack 1, 2, 3 is disconnected and connected as a function of the battery pack voltages measured by the detection devices 8, 9, 10, as explained below with reference to FIG 3 and 4 is explained.

Anhand der 3 wird eine erste Ausführungsform des nicht-erfindungsgemäßen 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 ΔUmax, 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 Ucharge 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. Beispielsweise 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 Ucharge1 = U2 + Uoffset entspricht. Der Batterieblock 1 wird bis zum Erreichen von Ucharge1 geladen. Unterschreitet die Differenz von U1 und Uz den Spannungswert ΔUmax wird der in der Reihenfolge nächste Batterieblock 2 zugeschaltet. Die Ladespannung UCharge2 = U3 (=U4=U5=U6) + Uoffset wird auf die Batterieblockspannungen der nächsten Batterieblöcke plus der Offset-Spannung Uoffset eingeregelt. Die Batterieblöcke 1 und 2 werden geladen, bis deren Batterieblockspannung Ucharge2 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 ΔUmax unterschreitet, erfolgt ein Zuschalten dieser Batterieblöcke in zeitlich konstanter Reihenfolge, beispielsweise 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 Ucharge max ohne Offset geladen.Based on 3 a first embodiment of the charging method not according to the invention is described. In this case, the battery blocks 1 to 6 are connected in the ascending order of their battery block voltage U measured at the start of the charging process, with the connection taking place at 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 pack voltages does not fall within this interval, the in 4 charging method shown is applied. This deviation in the battery pack voltage can be caused by aging (drift in the internal resistances of the secondary battery cells 7) or failure or replacement of battery packs. In this case, a special charging strategy is required. In this configuration, the in 2 shown master control unit 11 the charging voltage of the in 2 charger 20 shown and specifies its charging voltage U charge . Furthermore, one embodiment provides that the master control unit 11 in 2 controls the charging device 20 in such a way that the charging current is regulated down as the target voltage is approached, so that the charging current asymptotically approaches zero. Thus, when the battery block in question is switched on, the charging voltage applied to it during charging is selected such that it corresponds at least to the battery block voltage that the battery block that follows according to the ascending order has or has had. For example, the charging voltage for each connection process is selected to be a predetermined constant offset voltage Uoffset greater. As 4 shows the battery block 1 is switched on first, with the charging voltage U charge1 =U 2 +Uoffset corresponding. Battery pack 1 is charged until U charge1 is reached. If the difference between U 1 and Uz falls below the voltage value ΔU max, the next battery block 2 in the sequence is switched on. The charging voltage U Charge2 =U 3 (=U 4 =U 5 =U 6 ) +Uoffset is adjusted to the battery block voltages of the next battery blocks plus the offset voltage Uoffset. Battery blocks 1 and 2 are charged until their battery block voltage has reached U charge2 . If the voltage difference between the average battery block voltage of battery blocks 1 and 2, which changes as a result of charging, and the battery block voltage of the remaining battery blocks 3, 4, 5, 6 that are not connected falls below the voltage value ΔU max , these battery blocks are connected in a time-constant sequence, For example, in the ascending order of their battery block voltage measured before charging, the difference in the 4 The variant shown is only minimal and is no longer shown in high resolution. The last battery pack 6 is charged with a charging voltage U charge max without offset.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Aufschaltverfahren 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 ΔUmax von der Batterieblockspannung des gemäß der absteigenden Reihenfolge nachfolgend aufzuschaltenden Batterieblocks wird auf die Aufschaltung zumindest bei diesem Aufschaltvorgang verzichtet.The override method according to the invention is described below. The connection and thus the mutual electrical connection of the battery blocks connected in parallel by the switching device takes place in "idle mode", ie without a simultaneous load current being tapped off by the electrical consumer. The battery blocks are always connected in the descending order of the battery block voltage measured before the respective connection. This means that before the switching connection of the entire battery system to the electrical load, the connection of the battery blocks in their parallel network begins with the battery block with the highest battery block voltage before 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 battery blocks already connected differs by a predetermined voltage value ΔU max from the battery block voltage of the battery block to be connected next in descending order, the connection is dispensed with at least during this connection process.

Claims (5)

Verfahren zum elektrischen Aufschalten mehrerer parallel geschalteter Batterieblöcke (1, 2, 3) zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung für einen Verbraucher mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines elektrischen Verbrauchers; Bereitstellen mehrerer parallel verschalteter Batterieblöcke (1, 2, 3), wobei jeder, eine Batterieblockspannung als Ausgangsspannung 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 den jeweils restlichen Batterieblöcken (1, 2, 3) und zur Bewirkung einer elektrischen Aufschaltung 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); Aufschalten mittels der Mastersteuereinheit (11) über eine Aufschaltdauer derart, dass in Abhängigkeit des wenigstens einen Betriebsparameters wenigstens eine Trennung oder ein Aufschalten durch wenigstens eine der Schalteinrichtungen (17, 18, 19) während einer Teildauer der Aufschaltdauer bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet dass das Aufschalten ohne einen vom elektrischen Verbraucher abgegriffenen, gleichzeitigen Laststrom erfolgt. Method for electrically connecting a plurality of battery blocks (1, 2, 3) connected in parallel to provide an electrical voltage for a consumer, having the following steps: providing an electrical consumer; Providing a plurality of battery blocks (1, 2, 3) connected in parallel, each battery block (1, 2, 3) providing a battery block voltage as output voltage having a plurality of secondary battery cells (7) connected in series, one each being connected to the respective battery block (1, 2, 3) assigned control unit (4, 5, 6), at least one monitoring unit (8, 9, 10) communicating with the control unit (4, 5, 6) via a data connection (13) for detecting at least one operating parameter of the respective battery block (1, 2, 3) and a switching device (17, 18, 19) that communicates with the control unit (4, 5, 6) via the data connection or a further data connection (23) to effect an electrical, preferably galvanic, isolation of the associated battery block (1, 2 , 3) from 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); Activation by means of the master control unit (11) over an activation period such that, depending on the at least one operating parameter, at least one disconnection or activation is effected by at least one of the switching devices (17, 18, 19) during part of the activation period, characterized in that the activation takes place without a simultaneous load current tapped from the electrical consumer. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betriebsparameter die Batterieblockspannung ist und die Batterieblöcke (1, 2, 3) in der absteigenden Reihenfolge ihrer zu Beginn der Aufschaltdauer gemessenen Batterieblockspannung aufgeschaltet werden.procedure after claim 1 , wherein the operating parameter is the battery block voltage and the battery blocks (1, 2, 3) are connected in the descending order of their battery block voltage measured at the beginning of the connection period. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Aufschalten des gemäß der absteigenden Reihenfolge nachfolgenden Batterieblocks (1, 2, 3) jeweils nur dann erfolgt, wenn die Differenz zwischen der mittleren Batterieblockspannung aller bereits aufgeschalteten Batterieblöcke (1, 2, 3) und der Batterieblockspannung des gemäß der absteigenden Reihenfolge nachfolgenden Batterieblocks (1, 2, 3) einen vorgegebenen Spannungswert (ΔUmax) unterschreitet oder unterschritten hat.Method according to the preceding claim, wherein the connection of the following battery block (1, 2, 3) according to the descending order only takes place if the difference between the average battery block voltage of all battery blocks (1, 2, 3) already connected and the battery block voltage of the falls below or has fallen below a predetermined voltage value (ΔU max ) according to the descending order of the following battery blocks (1, 2, 3). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei 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 der Batterieblöcke (1, 2, 3), bevorzugt aller Batterieblöcke, beaufschlagt wird.Method according to any of the preceding Claims 1 until 3 After the switch-on time has elapsed, a switching step is carried out, in which the electrical consumer, for example the electric traction motor of a motor vehicle, is charged with the battery block voltage of several of the battery blocks (1, 2, 3), preferably all battery blocks, via a further switching device. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche bei einem elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeug.Use of the method according to one of the preceding claims in a motor vehicle driven by an electric motor.
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