DE102019113877A1

DE102019113877A1 - Batteriemodul mit aktivem zellausgleich unter verwendung eines energiespeicherelements und zweier ebenen von schaltern

Info

Publication number: DE102019113877A1
Application number: DE102019113877.9A
Authority: DE
Inventors: Tamara R. Thomson; Fang Wang; Tao Wang; Theodore T. Kim; Larry T. Nitz
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-01-09
Also published as: US20200014219A1; US11146076B2; CN110696639A; CN110696639B

Abstract

Ein Batteriesystem beinhaltet ein Batteriemodul, eine aktive Zellenausgleichsschaltung und eine Batteriesteuerung. Jede Zelle weist diametral gegenüberliegende positive und negative Zelllaschen auf. Die Schaltung beinhaltet Spannungssensoren und an jedem Ende des Batteriemoduls eine erste und zweite Ebene von Schaltern und ein Energiespeicherelement. Jeder Spannungssensor befindet sich zwischen einem anderen Paar angrenzender Zellen. Die Steuerung empfängt gemessene Spannungen von den Sensoren, die ein elektrisches Potential zwischen angrenzenden Batteriezellen anzeigen. Als Reaktion auf die gemessenen Spannungen befiehlt die Steuerung der ersten Ebene, bestimmte Zellenpaare selektiv mit der entsprechenden zweiten Ebene zu verbinden oder davon zu trennen. Die Steuerung befiehlt auch der zweiten Ebene, die vorgesehenen Zellen selektiv mit einem entsprechenden Energiespeicherelement zu verbinden oder davon zu trennen. Dieser Vorgang pendelt Energie zwischen den bestimmten Paaren von Batteriezellen, um einen Ladezustand auszugleichen.

Description

EINLEITUNG
Elektrochemische Batterien stellen elektrische Energie für drehmomenterzeugende elektrische Maschinen und andere elektrische Vorrichtungen in einer Vielzahl von elektromechanischen Systemen bereit. Ein Batteriemodul beinhaltet mehrere miteinander verbundene Batteriezellen, die in einem Stapel angeordnet sind. Innerhalb einer gegebenen Batteriezelle kann eine dünne Separatorschicht zwischen entgegengesetzt geladenen Elektrodenfolien angeordnet sein. Der Separatorwerkstoff, wie beispielsweise eine Polyethylen- oder Polypropylenfolie, dient als ein Isolator, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden. Die Elektrodenfolien und der Separatorwerkstoff sind innerhalb eines eine Elektrolytlösung enthaltenden Folienbeutels versiegelt, wobei die Elektrolytlösung einen freien Elektronenaustausch zwischen den Elektroden ermöglicht.
Batteriezellen, die vorhergehend erwähnte Folienbeutelkonstruktion verwenden, können in einigen Ausführungsformen eine symmetrische Zellenlaschenkonfiguration aufweisen. In einer symmetrischen Batterielaschenkonfiguration ragen die positiven und negativen Zellenlaschen jeder Batterie aus gegenüberliegenden Umfangskanten des Folienbeutels heraus. Die Zellenlaschen mehrerer ähnlich konstruierter Batteriezellen sind über ein leitfähiges Element oder eine Sammelschienenkappe elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet, um ein Batteriemodul mit einer anwendungsspezifischen Spannungskapazität zu konstruieren.
Ein Batteriemodul kann eine Batteriesteuerung und eine oder mehrere Cell-Sense-Boards (CSBs) beinhalten, die als Flex-Schaltungen oder starre Leiterplatten ausgeführt sind. Ein CSB kann verwendet werden, um einzelne Batteriezellenspannungen, d.h. das gesamte elektrische Potential zwischen Kathode und Anode und andere relevante Batteriedaten, wie z. B. die Zellentemperatur, zu lesen. Das CSB meldet dann die gemessenen Batteriedaten an die Batteriesteuerung als Teil einer umfassenden Batteriesteuerungs- und Energieverwaltungsstrategie. Um die einzelnen Zellspannungen richtig zu messen, können daher bestehende Batteriemanagementtechniken das Verlängern von elektrischen Kabeln oder Kabelbäumen zwischen den Zelllaschen jeder der Batteriezellen beinhalten.
KURZDARSTELLUNG
Ein Batteriesystem, das ein Batteriemodul und eine Steuerung aufweist, ist hierin offenbart. Das Batteriemodul beinhaltet eine Zellenausgleichsschaltung und mehrere Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle eine symmetrische Batteriezellenkonfiguration des im Allgemeinen vorstehend beschriebenen Typs aufweist. Die Steuerung führt ein aktives Zellenausgleichsverfahren unter Verwendung der Zellenausgleichsschaltung durch, um Energie kontrolliert zwischen bestimmten Paaren von Batteriezellen zu pendeln. Der vorliegende Ansatz zielt darauf ab, die Notwendigkeit von verlängerten Kabeln zwischen Zelllaschen der verschiedenen Batteriezellen beim Durchführen einer Zellenspannungsmessung und von Ausgleichvorgängen sowie auch anderen Batterieverwaltungsfunktionen zu eliminieren. Darüber hinaus kann die Verwendung der offenbarten Zellenausgleichsschaltung Energieverluste im Vergleich zu bestimmten Arten von passiven Ausgleichsvorgängen reduzieren.
Die Zellenausgleichsschaltung verwendet zwei Ebenen der aktiven Zellausgleichsmechanisierung. Der hier verwendete Begriff „Ebene“ bezieht sich auf das Positionieren von Schaltern in Bezug auf einen Stapel oder eine Reihe von miteinander verbundenen Batteriezellen. Eine erste Ebene von Schaltern, z. B. einpolige Schalter, verbindet bestimmte Paare von Batteriezellen mit der zweiten Ebene von Schaltern. Die zweite Ebene von Schaltern, bei denen es sich um zweipoliger Schalter handeln kann, verbindet die bestimmten Paare von Batteriezellen mit einem Energiespeicherelement, z. B. einem Kondensator oder einem Induktor, oder trennt diese davon. Spannungsmessungen werden zwischen jeweils zwei angrenzenden Batteriezellen innerhalb des Stapels durchgeführt, wobei die Gesamtsteuerung der Schalter letztlich einen Ladezustand der Batteriezellen ausgleicht.
Hierin wird ein Batteriesystem offenbart, das in einer exemplarischen Ausführungsform ein Batteriemodul, eine aktive Zellausgleichsschaltung und eine Batteriesteuerung beinhaltet. Das Batteriemodul weist ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Reihe von Batteriezellen auf. Jede einzelne Batteriezelle weist diametral entgegengesetzte positive und negative Zellenlaschen auf, d.h. sie ist symmetrisch. Die Schaltung beinhaltet Spannungssensoren und an jedem aus dem ersten und dem zweiten Ende des Batteriemoduls eine erste und zweite Ebene von Schaltern und ein Energiespeicherelement. Jeder Spannungssensor befindet sich jeweils zwischen einem anderen Paar angrenzender Batteriezellen des Strangs.
Die Steuerung empfängt gemessene Spannungen von den Spannungssensoren, die ein elektrisches Potential zwischen jedem Paar der angrenzenden Batteriezellen anzeigen. Als Reaktion auf die gemessenen Spannungen befiehlt die Steuerung der erste Ebene von Schaltern am ersten oder am zweite Ende bestimmte Paare von Batteriezellen selektiv mit der zweiten Ebene von Schaltern an einem entsprechenden aus dem ersten oder dem zweiten Ende zu verbinden oder zu trennen. Die Steuerung befiehlt auch der zweiten Ebene von Schaltern, die bestimmten Paare von Batteriezellen selektiv mit einem entsprechenden der Energiespeicherelemente zu verbinden oder zu trennen, um dadurch Energie zwischen den bestimmten Paare von Batteriezellen zu pendeln und dadurch einen Ladezustand des Strangs auszugleichen.
Die Energiespeicherelemente können Kondensatoren oder Induktoren in zwei möglichen Ausführungsformen sein.
Die Batteriesteuerung kann unter Verwendung der gemessenen Spannungen eine Batteriezellspannung für jede einzelne Batteriezelle des Strangs berechnen, die berechnete Batteriezellspannung für jede der Batteriezellen mit einer kalibrierten Schwellenzellspannung vergleichen und der ersten und zweiten Ebene von Schaltern des ersten und des zweiten Endes befehlen, sich als Reaktion auf eine oder mehrere der berechneten Batteriezellspannungen, die die kalibrierte Schwellenzellspannung überschreiten, zu öffnen oder zu schließen.
Die Batteriesteuerung kann verschiedenen Schaltern der ersten und/oder der zweiten Ebene von Schaltern befehlen, sich als Reaktion darauf, dass die eine der Batteriezellen im Strang, die an die eine der Batteriezellen im Strang angrenzt, die eine niedrigste Zellspannung im Strang aufweist, eine höchste Zellspannung aufweist, zu öffnen oder zu schließen.
Die Schalter der ersten Ebene von Schaltern können einpolige Schalter und die Schalter der zweiten Ebene von Schaltern zweipolige Schalter sein.
Ein Verfahren zum aktiven Ausgleich eines Ladezustands einer Strangs von Batteriezellen in einem Batteriemodul wird ebenfalls offenbart. Das Verfahren kann jeweils eine aktive Zellenausgleichsschaltung an einem ersten und zweiten Ende des Batteriemoduls beinhalten, wobei die aktive Zellenausgleichsschaltung Energiespeicherelemente und eine Vielzahl von Spannungssensoren beinhaltet. Jeder Spannungssensor befindet sich jeweils zwischen einem anderen Paar angrenzender Batteriezellen des Strangs. Die Schaltung beinhaltet ferner eine erste und zweite Ebene von Schaltern, die sich an jedem aus dem ersten und dem zweiten Enden des Batteriemoduls befinden.
Das Verfahren beinhaltet das Empfangen gemessener Spannungen von den Spannungssensoren über eine Batteriesteuerung. Die gemessenen Spannungen sind ein Indikator für ein elektrisches Potential zwischen den verschiedenen Paaren angrenzender Batteriezellen. Als Reaktion auf die gemessenen Spannungen beinhaltet das Verfahren das Verwenden der Batteriesteuerung, um der ersten Ebene von Schaltern des ersten oder des zweiten Endes zu befehlen, sich zu öffnen oder zu schließen und dadurch jeweils bestimmte Paare von Batteriezellen mit einem entsprechenden aus der zweiten Ebene von Schaltern zu verbinden oder davon zu trennen. Im Rahmen des Verfahrens wird auch der zweiten Ebene von Schaltern befohlen, die bestimmten Paare von Batteriezellen selektiv über die Batteriesteuerung mit einem der Energiespeicherelemente zu verbinden oder davon zu trennen, um damit Energie zwischen den bestimmten Paaren von Batteriezellen zu pendeln und einen Ladezustand des Strangs auszugleichen.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine aktive Zellenausgleichsschaltung für die Verwendung mit dem vorhergehenden Batteriemodul vorgesehen. Die Schaltung beinhaltet ein erstes und ein zweites Energiespeicherelement, die am ersten und zweiten Ende angeordnet sind, Spannungssensoren, die jeweils zwischen einem anderen Paar angrenzender Batteriezellen des Strangs angeordnet sind, und eine erste und zweite Ebene von Schaltern, die sich am ersten Ende des Batteriemoduls befinden und wie vorhergehend beschrieben konfiguriert sind.
Die vorhergehende Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorhergehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, wie hierin dargelegt. Die vorstehend aufgeführten und andere Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Kraftfahrzeugs mit einem mehrzelligen Batteriemodul unter Verwendung einer aktiven Zellenausgleichsmethode, wie hierin dargelegt.
2 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer symmetrischen Batteriezelle des in 1 dargestellten Batteriemoduls.
3 ist eine schematische Teilexplosionsansichtsdarstellung einer Ausführungsform eines Batteriemoduls, das symmetrische Batteriezellen und Zellenerfassungsschaltungen darstellt, die konfiguriert sind, um das hierin beschriebene aktive Zellenausgleichsverfahren durchzuführen.
4 ist ein schematischer Schaltplan für eine aktive Zellenausgleichsschaltung, die mit dem in den 1 und 2 dargestellten exemplarischen Batteriemodul verwendbar ist.
5 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform zur Umsetzung der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung der in 4 dargestellten aktiven Zellenausgleichsschaltung beschreibt.

Für die vorliegende Offenbarung können Modifikationen und alternative Formen in Betracht gezogen werden, wobei repräsentative Ausführungsformen exemplarisch in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden ausführlich beschrieben werden. Erfindungsgemäße Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die besonderen Formen dieser Offenbarung beschränkt. Vielmehr zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, Änderungen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen abzudecken, die in den Schutzumfang der Offenbarung fallen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei sich in den mehreren Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, wird in 1 ein Batteriemodul 10 und eine Batteriesteuerung (C) 50 als Teil eines elektromechanischen Systems 14 gezeigt. Das elektromechanische System 14 kann, wie dargestellt, als Kraftfahrzeug 14V, oder alternativ als Kraftwerk, mobile Plattform oder Roboter, Schienen- oder Luftfahrzeug oder Schiff ausgeführt sein. In dem dargestellten Kraftfahrzeug 14V kann ein Satz von Antriebsrädern 16 in Bezug auf eine Fahrzeugkarosserie 18 angeordnet werden. Das Drehmoment einer elektrischen Maschine (nicht dargestellt), wenn eine solche Maschine durch das Batteriemodul 10 mit Strom versorgt wird, kann zum elektrischen Antreiben der Antriebsräder 16 oder einer anderen gekoppelten Last verwendet werden.
Das Batteriemodul 10 kann in nicht einschränkenden exemplarischen Ausführungsformen vielfältig als wiederaufladbarer Lithium-Ionen- oder Nickel-Cadmium-Batteriepack konfiguriert werden. Andere Ausführungsformen des Batteriemoduls 10 können mit unterschiedlichen Modulformen und/oder Leistungsklassen vorgesehen sein oder aktive Werkstoffe mit der Ausnahme von Lithium oder Nickel-Cadmium verwenden. Die in 1 dargestellte spezifische Konfiguration und Anwendung des Batteriemoduls 10 soll daher dazu beitragen, die vorliegenden Lehren zu veranschaulichen, ohne auf derartige Lehren in Bezug auf das spezifische Kraftfahrzeug 14V beschränkt zu sein.
Unter kurzer Bezugnahme auf 2 verwendet das Batteriemodul 10 von 1 eine Batteriezelle 20 mit einer symmetrischen Konfiguration. Das heißt, jede Batteriezelle 20, die bei der Konstruktion des Batteriemoduls 10 verwendet wird, weist einen Folienbeutel 22 mit Kanten 21 auf, wobei die Kanten 21 sich zwischen den länglichen Seiten 23 in der dargestellten rechteckigen Konfiguration erstrecken. Positive (+) und negative (-) Zelllaschen 24 und 25, d.h. eine Kathodenlasche bzw. eine Anodenlasche sind mit positiven und negativen Elektrodenfolien (nicht dargestellt), die sich innerhalb des Folienbeutels 22 befinden, elektrisch verbunden. Die Zellenlaschen 24 und 25, die ein wenig von den Kanten 21 nach außen ragen, sind, wie vorstehend beschrieben, diametral gegenüberliegend voneinander angeordnet. Obwohl in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen, Obwohl zur Veranschaulichung aus 2 weggelassen, können die Kanten 21 bündig mit den Außenflächen des Batteriemoduls 10 angeordnet sein, so dass die Zellenlaschen 24 und 25 einer bestimmten Seite oder eines bestimmten Endes des Batteriemoduls 10, wie in 3 dargestellt, in einer einzigen Spalte angeordnet sind.
Obwohl aus Gründen der Einfachheit aus 2 weggelassen, können Batteriemodule wie das Batteriemodul 10 aus 1 unter Verwendung einer „sich wiederholenden Rahmenkonfiguration“ konstruiert werden, bei der einzelne Zellenrahmen einen Kühlmittelverteiler bilden und gleichzeitig den Batteriezellen 20 strukturelle Steifigkeit verleihen. In einer möglichen Konfiguration kann ein Paar der Batteriezellen 20 aus 2, die positive und negative Elektrodenfolien enthalten, eine thermische Rippe, die innere Kühlmittelkanäle definiert, und ein Schaumteiler zwischen angrenzenden Zellrahmen in einer sich wiederholenden Anordnung im gesamten Batteriemodul 10 angeordnet werden. Batteriekühlmittel kann über einen Kühlmittelanschluss in das Batteriemodul 10 eingeleitet und zur Wärmeregulierung durch oder um die Batteriezellen 20 herum zirkuliert werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann die Batteriesteuerung 50 als eine Master-Batteriesteuereinheit ausgeführt sein und kann einen oder mehrere Prozessoren (P) und ausreichende Mengen an Speicher (M) beinhalten, z. B. Nur-Lese-Speicher, Direktzugriffsspeicher und elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher. Die Batteriesteuerung 50 ist konfiguriert, um Anweisungen auszuführen, die ein aktives Zellenausgleichsverfahren 100 beinhalten, dessen Beispiel im Folgenden mit Bezug auf 5 beschrieben wird. Als Teil des Verfahrens 100 sendet und empfängt die Batteriesteuerung 50 Batteriesteuerungsdaten (Doppelpfeil 11) zum und vom Batteriemodul 10, einschließlich gemessener oder berechneter Spannungen, Ströme, Temperaturen und Steuersignale bezüglich eines offenen/geschlossenen Schalterzustands, wie im Folgenden unter besonderer Bezugnahme auf die 3 und 4 näher erläutert.
3 stellt schematisch ein Batteriesystem 40 dar, das einen Zellenstapel 28 verwendet. Der Zellenstapel 28 beinhaltet eine Vielzahl der in 2 dargestellten Batteriezellen 20, wie beispielsweise zwölf solcher Batteriezellen 20 in der dargestellten exemplarischen Ausführungsform. Wie bereits erwähnt, sind die Batteriezellen 20 in ihrer Laschenkonfiguration symmetrisch. Das heißt, die jeweiligen positiven und negativen Zelllaschen 24 und 25 einer gegebenen Batteriezelle 20 ragen aus den Kanten 21 des Folienbeutels 22 (siehe 2) an den gegenüberliegenden Enden E1 und E2 des Zellenstapels 28 nach außen heraus. Die Gesamtheit des Zellenstapels 28 kann in einem Batteriegehäuse 15 eingeschlossen sein, wobei in 3 aus Gründen der Klarheit und Einfachheit nur ein Abschnitt des Batteriegehäuses 15 dargestellt ist. Die Ausrichtung des Batteriegehäuses 15 kann je nach Verwendungszweck variieren, d.h. sie kann horizontal wie abgebildet oder vertikal sein. Infolgedessen kann der Begriff „Ende“ die lateralen Seiten des Batteriegehäuses 15 oder alternativ die Ober- und Unterseite des Batteriegehäuses umfassen.
Ein Cell-Sense-Board (CSB) 42, d.h. ein Gehäuse für eine Leiterplattenanordnung oder unterstützende Hardware-Elemente der offenbarten aktiven Zellenausgleichsschaltung 60 aus 4, kann elektrisch mit den positiven Zelllaschen 24 und negativen Zelllaschen 25 an jedem Ende E1 und E2 verbunden sein. Die positive Zellenlasche der Zelle (1) ist mit der negativen Zellenlasche der Zelle (2) bei E1 verbunden, die positive Zellenlasche der Zelle (2) ist mit der negativen Zellenlasche der Zelle (3) bei E2 verbunden, und so weiter. Der exemplarische Zellenstapel 28 von 3 beinhaltet insgesamt zwölf Batteriezellen 20 und damit insgesamt zwölf positive Zelllaschen 24, zwölf negative Zelllaschen 25 und zwei CSBs 42. Dadurch werden sechs verschiedene Spannungen für die jeweiligen Zelllaschen 24 und 25 plus eine Blockspannung von Zelle (1) zu Zelle (12) am Ende E2 und fünf verschiedene Spannungen für die jeweiligen Paare der zwölf Zelllaschen 24 und 25 plus eine Blockspannung von Zelle (2) zu Zelle (11) am Ende E1 gemessen.
Anstatt die Längen von Hochspannungsleitungen oder Verdrahtungskabeln zwischen den Zelllappen 24 und 25 einer bestimmten Batteriezelle 20 zu verlängern, misst der alternative Ansatz der 4 und 5 stattdessen die Zwischenzellspannungen, d.h. das elektrische Potential zwischen angrenzenden Paaren der Batteriezellen 20, wobei dies an jedem der Enden E1 und E2 geschieht. Die Batteriesteuerung 50 berechnet anschließend unter Verwendung der Zwischenzellmessungen Zellspannungen für jede der Batteriezellen 20 und steuert anschließend als Reaktion auf abgeleitete Daten einen Zellenausgleichsvorgang des Batteriemoduls 10.
Zu diesem Zweck sind die CSBs 42 aus 3 mit der Batteriesteuerung 50 in Verbindung, z. B. über Übertragungsleiter oder über eine drahtlose Verbindung. Die an den Enden E1 und E2 befindlichen CSBs 42 übermitteln die Eingangsdaten der Batteriesteuerung (Pfeil CC_I) an die Batteriesteuerung 50 während des laufenden Betriebs des Batteriesystems 40. Die Steuerung 50 wiederum führt das Verfahren 100 durch, um einen Ladezustand der Batteriezellen 20 aktiv auszugleichen, wobei die Batteriesteuerung 50 letztendlich binäre Schaltsteuersignale (Pfeil CCo) an einen Satz von Schalthardware ausgibt, von dem ein Beispiel in 4 dargestellt ist.
4 bildet die oben erwähnte aktive Zellenausgleichsschaltung 60 ab, wobei die Schaltung 60 mit dem Batteriemodul 10 aus 1 verwendbar ist. Eine Ausführungsform des in 5 dargestellten Verfahrens 100 ist durch die Batteriesteuerung 50 in der Gesamtsteuerung der aktiven Zellenausgleichsschaltung 60 verwendbar. Die Schaltung 60 von 4 zeigt die Enden E1 und E2 von 3, wobei einige der Batteriezellen 20 an jedem der Enden E1 und E2 wie abgebildet zugänglich sind. Das heißt, aufgrund der symmetrischen Konfiguration der Batteriezellen 20 sind die positiven und negativen Zellen 24 und 25 der benachbarten Batteriezellen 20 wie in 3 am besten dargestellt, an den Enden E1 und E2 zugänglich.
In der dargestellten Ausführungsform können Energiespeicherelemente 62, wie die Kondensatoren C1 und C2, die elektrostatische Feldenergie speichern, an den jeweiligen Enden E1 und E2 in Verbindung mit den Batteriezellen 20 verwendet werden, wobei zwölf exemplarische Batteriezellen 20 als 20-1, 20-2, ...., 20-12 bezeichnet sind. In anderen Ausführungsformen können die Energiespeicherelemente 62 die Induktoren L1 und L2 sein, die Energie in Form von elektromagnetischer Feldenergie speichern, so dass die Verwendung der Kondensatoren C1 und C2 nicht begrenzt ist.
Für jedes Ende E1 und E2 beinhaltet die aktive Zellenausgleichsschaltung 60 zwei entsprechende Ebenen von elektrischen Schaltern, wobei die Schalter auf ein binäres Schaltsteuersignal von der Batteriesteuerung 50 reagieren. Die beiden Ebenen beinhalten für die jeweiligen Enden E1 und E2 die ersten Ebenen T1A und T1B und die zweiten Ebenen T2A und T2B. Die ersten Ebenen T1A und T1B können als einpolige Schalter ausgeführt sein, während die Schalter der zweiten Ebenen T2A und T2B zweipolige Schalter sein können. Zusätzlich sind die auf der ersten Ebene T1A verwendeten Schalter in 4 mit ungeraden Zahlen als S1, S3, S5, S7, S9 und S11 nummeriert. Die Schalter der ersten Ebene T1B sind mit geraden Zahlen nummeriert, d. h. S0, S2, S4, S6, S8, S10 und S12, wobei die Bezugzeichen 0-12 die Batteriezellen 20, mit denen die Schalter verbunden sind, eindeutig identifizieren. So ist beispielsweise der Schalter S1 mit einer Batteriezelle 20 mit der Bezeichnung „20-1“ und einer benachbarten Zelle mit der Bezeichnung „20-2“ verbunden, wobei der Schalter S0 eine Endzelle ist, die ebenfalls mit der Zelle 20-1 verbunden ist. Ebenso ist der Schalter S12 mit Zelle 20-12 verbunden, und da es in der dargestellten Ausführungsform keine 13 Batteriezelle 20 gibt, ist die Zelle 20-12 auch eine letzte Zelle im Zellenstapel 28.
Die zweiten Ebenen der Schalter T2A und T2B weisen ebenfalls Schalter, die jeweils mit ungeraden bzw. geraden Zahlen nummeriert sind, auf, d. h. S_O1 und S_O3 sind die für die Ebene T2A vorgesehenen Schalter und S_E0 und S_E2 sind die für die Ebene T2B vorgesehenen Schalter. Die physikalischen Schalter der ersten und zweiten Ebenen T1A, T1B und T2A, T2B können als Schaltschütze oder Relais oder als Halbleiter- oder Halbleiterschalter in verschiedenen Ausführungsformen ausgeführt sein. Die Steuerung der verschiedenen Schalter in der aktiven Zellenausgleichsschaltung 60 erfolgt gemäß sequenziellen Logikblöcken des Verfahrens 100, deren exemplarische Ausführungsform in 5 dargestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 5 und beginnend mit der Initialisierung der Steuerung 50 bei Block S101, z. B. bei der Inbetriebnahme des exemplarischen Fahrzeugs 14V aus 1, fährt das Verfahren 100 mit der Messung der Zwischenzellspannungen bei Block S102 fort. Zu diesem Zweck können Spannungssensoren 65, wie in 3 schematisch dargestellt, zwischen benachbarten Batteriezellen 20 angeordnet und zu diesem Zweck verwendet werden, wobei die Spannungssensoren 65 mit Stromkreisspuren (nicht dargestellt) der CSBs 42 verbunden sind, und wobei sich CSBs 42, wie vorstehend beschrieben, in drahtgebundener oder drahtloser Kommunikation mit der Batteriesteuerung 50 befinden.
Die über die Spannungssensoren 65 durchgeführten Spannungsmessungen stellen Teilspannungsmessungen dar, d.h. die Zellenspannung der jeweiligen Batteriezelle 20 wird im vorliegenden Ansatz nicht direkt gemessen. Stattdessen stemmen die Spannungsmessungen von Spannungen V1-V12 aus 3. Wie in 3 dargestellt, ist beispielsweise die Spannung „V1&V2“ die Spannung zwischen den Batteriezellen 20 aus 4, die mit 20-1 und 20-2 gekennzeichnet sind; „V2&V3“ ist die Spannung zwischen den Zellen 20-2 und 20-3, usw. Die Batteriesteuerung 50 zeichnet solche Zwischenzellspannungen vorübergehend im Speicher (M) auf. Die Batteriesteuerung 50 kann danach die entsprechenden Zellspannungen für die verschiedenen Batteriezellen 20 unter Verwendung der Zwischenzellspannungsdaten berechnen. Das heißt, durch die Messung des elektrischen Potentials zwischen benachbarten Batteriezellen 20 im Gegensatz zur direkten Messung der Zellenspannungen jeder der Batteriezellen 20 vermeidet man die Notwendigkeit eines verlängerten Kabelbaums zwischen den Elektrodenlaschen 24 und 25 jeder der Batteriezellen 20. Das Verfahren 100 geht dann zu Block S104 über.
Block S104 beinhaltet den Vergleich der am Block S102 abgeleiteten Zellspannungen mit kalibrierten Schwellenzellspannungen. Die Batteriesteuerung 50 bestimmt bei Block S106, ob ein aktiver Zellenausgleichsvorgang erforderlich ist, d.h. ob einige oder alle Zellenspannungen unter oder über dem kalibrierten Spannungsschwellenwert liegen. Das Verfahren 100 geht dann zu Block S108 über, wenn die Batteriesteuerung 50 bestimmt, dass ein aktiver Zellenausgleich erforderlich ist. Block S102 wird wiederholt, wenn die Batteriesteuerung 50 feststellt, dass kein aktiver Zellenausgleich erforderlich ist.
Block S107 beinhaltet das Identifizieren der Batteriezellen 20, welche die höchsten und niedrigsten berechneten Zellenspannungen aufweisen, wobei die Batteriesteuerung 50 die Batteriezelle 20 mit der höchsten Spannung nominal als „N“-Zelle identifiziert und die Batteriezelle 20 mit der niedrigsten Spannungszelle 20 als „M“-Zelle identifiziert, wobei N und M die numerischen Identifikatoren der Batteriezellen 20 sind, d. h. 1-12 im exemplarischen Zellenstapel 28 aus 3, die zwölf solche Batteriezellen 20 aufweisen. Das Verfahren 100 geht dann zu Block S108 über.
Block S108 wird erreicht, wenn die Batteriesteuerung 50 bei Block S106 feststellt, dass ein aktiver Zellenausgleich erforderlich ist. Bei Block S108 bestimmt die Batteriesteuerung 50, ob die im Block S107 identifizierten N- und M-Zellen innerhalb des Zellenstapels 28 aus 3 nebeneinander liegen. Das Verfahren 100 geht zu Block S120 über, wenn die N- und M-Zellen benachbart sind. Das Verfahren 100 geht ansonsten zu Block S110 über.
Bei Block S110 wertet die Batteriesteuerung 50 als Nächstes die Batteriezellen 20 aus, die der identifizierten N-Zelle aus Block S10, d. h. der Batteriezelle 20 mit der höchsten Spannung, benachbart sind, um zu sehen, ob der Spannungspegel (V_N-1) einer benachbarten Batteriezelle 20 höher als ein Spannungspegel (V_N+1) einer anderen benachbarten Batteriezelle 20 ist. Das heißt, wenn die (N)-Batteriezelle 20 die Batteriezelle 20-5 in 3 ist, dann ist die (N-1)-Batteriezelle 20 die Batteriezelle 20-4 und die (N+1)-Batteriezelle 20 die Batteriezelle 20-6. Das Verfahren 100 fährt mit dem Block S112 fort, wenn V_N-1 > V_N+1. Das Verfahren 100 fährt alternativ mit dem Block S113 fort, wenn V_N-1 ≤ V_N+1.
Block S112 beinhaltet das Schließen der Schalter T1A oder T1B der Ebene 1 entsprechend den Batteriezellen (N) und (N-2). Die Schalter T1A oder T1B der Ebene 1 in der Ausführungsform von 4 sind mit S1-S10 gekennzeichnet. Das Verfahren 100 geht dann zu Block S114 über.
Block S113 beinhaltet das Schließen der Schalter T1A oder T1B der Ebene 1 entsprechend den (N-1) und (N+1) Batteriezellen 20, d.h. die Batteriezellen 20, die sich auf beiden Seiten der Batteriezelle 20 mit der höchsten Zellenspannung befinden. Das Verfahren 100 geht dann zu Block S114 über.
Block S114 beinhaltet das Schließen der Schalter T2A oder T2B der Ebene 2 am gleichen Ende E1 oder E2 wie die Batteriezellen 20, die aktiv ausgeglichen sind. Das Schließen der Schalter T2A oder T2B führt zum Laden der Energiespeicherelemente 62, in diesem Fall des Kondensators C1 oder C2. Das Verfahren 100 geht dann zu Block S116 über.
Bei Block S116 öffnet die Batteriesteuerung 50 die an die (N-)Batteriezelle 20 angeschlossenen Schalter der Ebene 1 und geht dann zu Block S118 über.
Block S118 beinhaltet das Schließen der Schalter der Ebene 1 für die (M) und (M-2) Batteriezellen 20 oder für die (M-1) und (M+1) Batteriezellen 20, d.h. das Schließen des jeweiligen Schaltersatzes, der dem geladenen Energiespeicherelement 62 entspricht, und kehrt dann zu Block S102 zurück.
Block S120 wird erreicht, wenn am Block S108 bestimmt wird, dass die (N) und (M) Batteriezellen 20 nebeneinander liegen, wobei die (N) Zelle wiederum die höchste Zellspannung im Zellenstapel 28 aufweist und die (M) Zelle die niedrigste Zellspannung im Zellenstapel 28 aufweist. Block S120 beinhaltet das Bestimmen, ob die (N) oder (M) Batteriezelle 20 die erste oder die letzte Batteriezelle 20 im Zellenstapel 28 ist. Das heißt, wenn die Batteriezellen 20, wie in 4 dargestellt, in einem seriell geschalteten elektrischen Strang angeordnet sind, weist eine Batteriezelle 20 als „letzte“ Zelle nur eine benachbarte Batteriezelle 20 auf, d. h. sie ist nicht zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 20 eingeklemmt. In einer solchen Situation gibt es keine (N+1) oder (N-1) Batteriezelle 20. Das Verfahren 100 geht zu Block S110 über, wenn weder die (N)-Batteriezelle 20 noch die (M)-Batteriezelle 20 die letzte Batteriezelle 20 im Zellenstapel 28 ist. Das Verfahren 100 geht stattdessen gleichzeitig zu den Blöcken S122 und S123 über, wenn die (N) oder (M) Batteriezelle 20 die letzte Batteriezelle 20 im Zellenstapel 28 ist.
Block S122 beinhaltet vor dem Übergang zu Block S 124 das Schließen der Schalter der Ebene 1 für die (N) und (N-2) Batteriezellen 20 über die Batteriesteuerung 50.
Block S123 beinhaltet das Schließen der Schalter der Ebene 1 für die (N-1) und (N+1) Batteriezellen 20 und den Übergang zu Block S124.
Bei Block S124 schließt die Batteriesteuerung 50 die Schalter T2A oder T2B der Ebene am gleichen Ende E1 oder E2 wie die auszugleichenden Batteriezellen 20. Das Schließen der Schalter T2A oder T2B lädt das Energiespeicherelement 62, d.h. den Kondensator C1 oder C2 in der exemplarischen Ausführungsform von 4. Das Verfahren 100 geht dann zu Block S126 über.
Bei Block S126 öffnet die Batteriesteuerung 50 die mit der (N)-Batteriezelle 20 verbundenen Schalter der Ebene 1, d.h. die Batteriezelle 20 mit der höchsten Zellenspannung, und geht dann zu Block S128 über.
Block S128 beinhaltet das Schließen des Schalters der Ebene 1 am Ende E1 oder E2 über die Batteriesteuerung 50, entsprechend dem geladenen Energiespeicherelement 62, und dann das Zurückkehren zum Block S102.
Der vorstehend beschriebene Ansatz verwendet daher zwei Ebenen der aktiven Zellausgleichsmechanisierung, um eine aktive Zellenausgleichung in einem Batteriemodul, z. B. das Batteriemodul 10 aus 1, das, wie in den 2 und 3 dargestellt, Batteriezellen 20 mit einer symmetrischen Batteriezellenkonfiguration aufweist, zu ermöglichen, wobei die offenbarte Batteriesteuerung 50 die Zellenausgleichsschaltung 60 aus 4 verwendet, um Energie auf kontrollierte Weise zwischen bestimmten Paaren solcher Batteriezellen 20 zu pendeln. Der vorliegende Ansatz beseitigt den Bedarf an erweiterten Drahtbündeln zwischen den Zelllaschen 24 und 25 der verschiedenen Batteriezellen 20 aus 3, wenn Batterieverwaltungsfunktionen gemäß dem Verfahren 100 aus 5 durchgeführt werden. Darüber hinaus kann die Verwendung der offenbarten Zellenausgleichsschaltung 60 aus 4 Energieverluste im Vergleich zu bestimmten Arten von passiven Ausgleichsvorgängen reduzieren. Diese und andere damit verbundene Vorteile werden durch gewöhnliche Fachleute auf dem Gebiet der Offenbarung leicht erkannt werden.
Während ein paar der besten Ausführungsformen und anderen Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Teilkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale. Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Geltungsbereich der vorliegenden Lehren ausschließlich durch die Patentansprüche definiert ist.

Claims

Batteriesystem, umfassend: ein Batteriemodul mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einem Strang von Batteriezellen, wobei jede jeweilige Batteriezelle des Strangs diametral gegenüberliegende positive und negative Zellenlaschen aufweist; eine aktive Zellenausgleichsschaltung mit einer Vielzahl von Spannungssensoren und an jedem aus dem ersten und dem zweiten Ende des Batteriemoduls: Schalter der ersten und der zweiten Ebene und ein Energiespeicherelement, wobei jeder jeweilige Spannungssensor der Vielzahl von Spannungssensoren jeweils zwischen einem anderen Paar benachbarter Batteriezellen des Strangs angeordnet ist; und eine Batteriesteuerung, die konfiguriert ist, um gemessene Spannungen von den Spannungssensoren zu empfangen, die ein elektrisches Potential zwischen jedem Paar der verschiedenen Paare benachbarter Batteriezellen anzeigen; als Reaktion auf die gemessenen Spannungen konfiguriert ist, um der ersten Ebene von Schaltern an dem ersten oder dem zweiten Enden zu befehlen, bestimmte Paare von Batteriezellen selektiv mit der zweiten Ebene von Schaltern an einem entsprechenden aus dem ersten oder dem zweiten Ende zu verbinden oder davon zu trennen; und um der zweiten Ebene von Schaltern zu befehlen, die bestimmten Paare von Batteriezellen selektiv mit einem entsprechenden aus den Energiespeicherelementen zu verbinden oder davon zu trennen, um dadurch Energie zwischen den bestimmten Paaren von Batteriezellen zu pendeln und dadurch einen Ladezustand des Strangs auszugleichen.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei das Energiespeicherelement des ersten Endes ein erster Kondensator ist und das Energiespeicherelement des zweiten Endes ein zweiter Kondensator ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei das Energiespeicherelement des ersten Endes ein erster Induktor ist und das Energiespeicherelement des zweiten Endes ein zweiter Induktor ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die Batteriesteuerung konfiguriert ist, um eine Batteriezellspannung für jede einzelne Batteriezelle des Strangs unter Verwendung der gemessenen Spannungen zu berechnen, die berechnete Batteriezellspannung für jede der Batteriezellen mit einer kalibrierten Schwellenzellspannung zu vergleichen und der ersten und der zweiten Ebene von Schaltern des ersten und des zweiten Endes zu befehlen, sich als Reaktion auf eine oder mehrere der berechneten Batteriezellspannungen, die die kalibrierte Schwellenzellspannung überschreiten, zu öffnen oder zu schließen.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die Batteriesteuerung konfiguriert ist, um verschiedenen Schaltern der ersten und/oder der zweiten Ebene von Schaltern zu befehlen, sich als Reaktion darauf, dass die eine der Batteriezellen im Strang, die an die eine der Batteriezellen im Strang angrenzt, die eine niedrigste Zellspannung im Strang aufweist, eine höchste Zellspannung aufweist, zu öffnen oder zu schließen.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die Schalter der ersten Ebene von Schaltern einpolige Schalter und die Schalter der zweiten Ebene von Schaltern zweipolige Schalter sind.
Aktive Zellenausgleichsschaltung zur Verwendung mit einem Batteriemodul, wobei das Batteriemodul ein erstes und ein zweites Ende und einen Strang von Batteriezellen aufweist, wobei jede jeweilige Batteriezelle des Strangs von Batteriezellen diametral gegenüberliegende positive und negative Zelllaschen aufweist, wobei die aktive Zellenausgleichsschaltung das Folgende umfasst: erste und zweite Energiespeicherelemente, die an dem jeweils ersten und dem zweiten Ende angeordnet sind; eine Vielzahl von Spannungssensoren, wobei sich jeder jeweilige Spannungssensor jeweils zwischen einem anderen Paar benachbarter Batteriezellen des Strangs befindet; eine erste und eine zweite Ebene von Schaltern, die sich am ersten Ende des Batteriemoduls befinden, wobei die erste Ebene von Schaltern des ersten und des zweiten Endes bestimmte Paare von Batteriezellen selektiv mit einer entsprechenden der zweiten Ebene von Schaltern verbindet oder davon trennt, und die zweite Ebene von Schaltern die jeweiligen Batteriezellenpaare selektiv über eine entsprechende der ersten Ebene von Schaltern mit einem aus dem ersten oder dem zweiten Energiespeicherelement verbindet oder davon trennt, um Energie zwischen den bestimmten Batteriezellenpaaren zu pendeln und dadurch einen Ladezustand des Strangs von Batteriezellen auszugleichen.
Aktive Zellenausgleichsschaltung nach Anspruch 7, wobei das erste und zweite Energiespeicherelement erste und zweite Kondensatoren sind.
Aktive Zellenausgleichsschaltung nach Anspruch 7, wobei das erste und zweite Energiespeicherelement erste und zweite Induktoren sind.
Aktive Zellenausgleichsschaltung nach Anspruch 7, wobei die erste Ebene von Schaltern einpolige Schalter und die zweite Ebene von Schaltern zweipolige Schalter sind.