DE102020115793A1

DE102020115793A1 - Betreiben einer eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweisenden Batterie

Info

Publication number: DE102020115793A1
Application number: DE102020115793.2A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2021-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (32) aufweisenden Batterie (30), bei dem Ladungszustände der Batteriezellen (32) mittels einer Ladungsausgleichseinrichtung (34) der Batterie (30) eingestellt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass für wenigstens eine der Batteriezellen (32) der Reihenschaltung eine jeweilige batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung (24, 26, 28) ermittelt und abhängig von einem Batterieladungszustand anhand der batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannung (24, 26, 28) eine ladezustandsabhängige Batteriezellensollspannung (Usoll) für diese Batteriezelle (32) ermittelt wird, eine Batteriezellenspannung (U) erfasst und mittels der Ladungsausgleichseinrichtung (34) entsprechend der Batteriezellensollspannung (Usoll) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweisenden Batterie, bei dem Ladungszustände der Batteriezellen mittels einer Ladungsausgleichseinrichtung der Batterie eingestellt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung zum Betreiben einer eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweisenden Batterie, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, eine Ladungsausgleichseinrichtung der Batterie zu steuern, um Ladungszustände der Batteriezellen einzustellen. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, einem eine Fahrzeugbatterie aufweisenden Bordnetz, an das die Antriebseinrichtung angeschlossen ist, und einer Steuereinrichtung zum Betreiben der Fahrzeugbatterie.
Verfahren zum Betreiben von Batterien, Steuereinrichtungen hierfür sowie Kraftfahrzeuge sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. Batterien der gattungsgemäßen Art finden neben stationären Anwendungen, beispielsweise bei unterbrechungsfreien Energieversorgungen, elektrischen Energieversorgungen im Inselbetrieb und/oder dergleichen, auch bei Kraftfahrzeugen Einsatz, und zwar insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder dergleichen.
Die Batterie dient in der Regel dazu, eine elektrische Energie reversibel zu speichern. Eine solche Batterie wird auch als Akkumulator bezeichnet. Zum Zwecke des reversiblen Energiespeicherns umfasst die Batterie in der Regel mehrere Batteriezellen, die jeweils eine galvanische Zelle umfassen, die die elektrische Energie chemisch zu speichern vermag. Zu diesem Zweck weist die galvanische Zelle in der Regel zwei Elektroden auf, die jeweilige elektrische Potentialanschlüsse der galvanischen Zelle bilden. Die Elektroden stehen elektrochemisch miteinander in Verbindung, beispielsweise über einen Elektrolyten, der mit den Elektroden wechselwirkt. An den Elektroden stellt sich dann eine elektrische Gleichspannung ein, die sich im Wesentlichen aufgrund der Elektrochemie ergibt. Die Gleichspannung, die sich zwischen den Elektroden einer einzelnen galvanischen Zelle einstellt, beträgt üblicherweise wenige Volt, abhängig von der Zellchemie beispielsweise etwa 1,2 V bis etwa 4,5 V.
Batterien der gattungsgemäßen Art sollen häufig große Gleichspannungen bereitstellen, insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, bei denen zum Beispiel eine Gleichspannung in einem Bereich von mehreren 100 V, vorzugsweise etwa 400 V oder mehr, insbesondere etwa 800 V, bereitgestellt werden soll. Daraus ergibt sich, dass zur Realisierung solcher Gleichspannungen durch die Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet werden müssen. Je nach Energie- beziehungsweise Leistungsbedarf kann ergänzend auch noch eine Parallelschaltung von Batteriezellen erforderlich beziehungsweise vorgesehen sein.
Unter anderem ergeben sich hierdurch besondere Anforderungen, beispielsweise aus konstruktiver Sicht und aus Sicht der elektrischen Sicherheit, die bei derartigen Batterien, auch Hochvoltbatterien genannt, zu beachten sind. Der Begriff „Hochvolt“ bezeichnet vorliegend eine elektrische Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Vorzugsweise entspricht der Begriff „Hochvolt“ der Norm ECE R 100. Eine Gleichspannung, die kleiner ist, wird vorliegend Niedervolt genannt.
Die Batteriezellen können beispielsweise durch Lithium-Ion-Zellen, Blei-Säure-Zellen oder dergleichen gebildet sein. Innerhalb einer Batterie sind die Batteriezellen in der Regel basierend auf einer einheitlichen Zellchemie der galvanischen Zellen ausgebildet.
Während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Batterie, das heißt, insbesondere während eines Aufladevorgangs der Batterie, werden die in Reihe geschalteten Batteriezellen mit dem gleichen Ladestrom beaufschlagt. In der Praxis zeigt sich, dass die in Reihe geschalteten Batteriezellen nicht völlig identisch sind, woraus sich Abweichungen in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften ergeben. So kann zum Beispiel die elektrische Kapazität der Batteriezellen aufgrund von Fertigungstoleranzen variieren. Darüber hinaus können auch weitere Eigenschaften der Batteriezellen variieren, beispielsweise ein Innenwiderstand, geometrische Abmessungen und/oder dergleichen. Insgesamt kann dies dazu führen, dass die in Reihe geschalteten Batteriezellen während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Batterie relativ zueinander ungleichmäßig belastet werden. Um hier eine Ausgleichsmöglichkeit zu schaffen, umfasst die Batterie eine Ladungsausgleichseinrichtung, die vorliegend als passive Ladungsausgleichseinrichtung ausgebildet ist. Die Ladungsausgleichseinrichtung ist an jede der in Reihe geschalteten Batteriezellen angeschlossen und kann jede der Batteriezellen selektiv mit einem vorgegebenen Entladestrom beaufschlagen. Der Entladestrom wird üblicherweise durch ein elektrisches Widerstandselement oder dergleichen bereitgestellt. Dadurch kann erreicht werden, dass Batteriezellen während des bestimmungsgemäßen Betriebs gleichmäßiger belastet werden, insbesondere auch bei einem Aufladevorgang.
Ein wichtiges Kriterium beim Aufladevorgang der Batterie ist, dass beim Aufladevorgang der Batterie eine vorgegebene maximal zulässige Batteriezellenspannung beziehungsweise eine Ladeendspannung einer jeweiligen der in Reihe geschalteten Batteriezellen nicht überschritten wird. Dies führt dazu, dass die Batteriezelle, die die kleinste elektrische Kapazität aufweist, während eines vorgegebenen Ladevorgangs die größte Ladeendspannung erreicht. Damit die maximal zulässige Batteriezellenspannung nicht überschritten wird, wird die Batteriezellenspannung aller in Reihe geschalteten Batteriezellen während der Ladung zellenspezifisch überwacht. Mittels der passiven Ladungsausgleichseinrichtung wird vorzugsweise diejenige der in Reihe geschalteten Batteriezellen, deren Batteriezellenspannung am größten ist, mit einem Entladestrom beaufschlagt. Daraus folgt, dass auch der Ladestrom der gesamten Batterie soweit abgesenkt werden muss, damit ein Überladen der jeweiligen Batteriezelle vermieden werden kann. Dies führt dazu, dass die Ladeleistung für die gesamte Batterie, insbesondere gegen Ende des Aufladevorgangs, stark reduziert ist. Dadurch ergibt sich insgesamt eine große Ladedauer für die gesamte Batterie, weil der Ladestrom für die gesamte Batterie maximal nur so groß sein darf, wie der Strom, mit dem die Ladungsausgleichseinrichtung diejenige der in Reihe geschalteten Batteriezellen belastet, die die maximale Batteriezellenspannung bereits erreicht hat.
Daraus ergeben sich besondere Betriebsbedingungen, insbesondere für den Aufladevorgang der Batterie, wenn die Batterie zu Beginn des Aufladevorgangs einen im Wesentlichen vollständig entladenen Ladungszustand hat und auf einen maximalen beziehungsweise aufgeladenen Ladungszustand aufgeladen werden soll. Es zeigt sich nämlich die folgende Problematik. Diejenigen der Batteriezellen, die aufgrund ihrer vergleichsweise kleineren elektrischen Kapazität anfangs eine entsprechende kleine Batteriezellenspannung haben, werden mit dem vollen Ladestrom aufgeladen. Mit dem gleichen Ladestrom werden die Batteriezellen, die eine vergleichsweise größere elektrische Kapazität aufweisen, aufgeladen, obwohl sie zu Beginn des Aufladevorgangs bereits eine entsprechend größere Zellenspannung aufweisen. Dadurch werden mit der häufig als passive Ladungsausgleichseinrichtung ausgebildeten Ladungsausgleichseinrichtung diejenigen Batteriezellen, die die größere Anfangszellenspannung aufweisen, entladen, um ein Angleichen ihrer Ladungszustände an die Ladungszustände derjenigen Batteriezellen der Reihenschaltung erreichen zu können, die die kleinere elektrische Kapazität aufweisen.
Während des Aufladevorgangs gleichen sich die Batteriezellenspannungen an, bis die Batteriezellenspannungen derjenigen der in Reihe geschalteten Batteriezellen, die die vergleichsweise kleinere elektrische Kapazität haben, größer als die Batteriezellenspannung derjenigen der in Reihe geschalteten Batteriezellen sind, die die vergleichsweise größere elektrische Kapazität aufweisen. Ab diesem Betriebszustand werden dann diejenigen der Batteriezellen, die die kleinere elektrische Kapazität aufweisen, durch die Ladungsausgleichseinrichtung entladen, weil deren Batteriezellenspannung größer als die der Batteriezellen ist, die die größere elektrische Kapazität aufweisen. Insgesamt führt dies dazu, dass der Aufladevorgang nicht nur unnötig verlängert wird, sondern es wird durch die Ladungsausgleichseinrichtung zudem zusätzlich Energie während des Aufladevorgangs verbraucht. In der Regel wird diese Energie bei einer passiven Ladungsausgleichseinrichtung in Wärme umgesetzt. Dies stellt besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen einen signifikanten Nachteil dar.
Insgesamt führt dies zu unnötigen Verlusten gerade in Bezug auf das Balancing durch die Ladungsausgleichseinrichtung und zu einer deutlich verlängerten zeitlichen Batterieaufladung, insbesondere abhängig von der Größe des jeweiligen Entladestroms durch die Ladungsausgleichseinrichtung.
In diesem Zusammenhang offenbart die AT 509 383 A1 ein Verfahren zur Ladungsverteilung. Ferner offenbart die DE 10 2014 219 582 A1 ein Verfahren zum Vermessen oder Prüfen der Leistungsfähigkeit von Akkumulatoren. Darüber hinaus offenbart die DE 195 41 959 A1 eine Fahrzeugbatterie-Steuervorrichtung.
Insgesamt liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Betreiben einer Batterie, insbesondere in Bezug auf einen Aufladevorgang, zu verbessern.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Verfahren, eine Steuereinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass für wenigstens eine der Batteriezellen der Reihenschaltung eine jeweilige batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung ermittelt und abhängig von einem Batterieladungszustand anhand der batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannung eine ladezustandsabhängige Batteriezellensollspannung für diese Batteriezelle ermittelt wird, eine Batteriezellenspannung erfasst und mittels der Ladungsausgleichseinrichtung entsprechend der Batteriezellensollspannung eingestellt wird.
In Bezug auf eine gattungsgemäße Steuereinrichtung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, für wenigstens eine der Batteriezellen der Reihenschaltung eine jeweilige batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung zu ermitteln und abhängig von einem Batterieladungszustand anhand der batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannung eine ladezustandsabhängige Batteriezellensollspannung dieser Batteriezelle zu ermitteln, eine Batteriezellenspannung zu erfassen und die Ladungsausgleichseinrichtung zu steuern, um die Batteriezellenspannung entsprechend der Batteriezellensollspannung einzustellen.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass nachteilige Wirkungen der Ladungsausgleichseinrichtung reduziert werden können, wenn die Batteriezellenspannungen der einzelnen Batteriezellen, die in Reihe geschaltet sind, nicht auf die gleiche Batteriezellenbezugsspannung eingestellt werden. Dies führt nämlich zu den eingangs bereits beschriebenen Nachteilen des Stands der Technik, dass nämlich zumindest während eines Aufladevorgangs die Ladungsausgleichseinrichtung nahezu permanent aktiv ist und auf diese Weise zu Ladungsverlusten führt, die darüber hinaus den Aufladevorgang der Batterie insgesamt verlängern. Dabei nutzt die Erfindung den Gedanken, dass für jede der Batteriezellen eine batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung ermittelt werden kann, die beispielsweise für jede der Batteriezellen individuell sein kann. Diese Ladeverlaufsspannung ist eine Batteriezellensollspannung, die sich abhängig von einem Ladungszustand der Batterie beziehungsweise der jeweiligen Batteriezelle einstellt, wenn die Ladungsausgleichseinrichtung nicht aktiv ist beziehungsweise deaktiviert ist. Das bedeutet, dass zum Beispiel eine Batteriezelle mit einer vergleichsweise kleinen elektrischen Kapazität nur bis zu der entsprechenden batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannung aufgeladen zu werden braucht, die kleiner sein kann als eine mittlere Batteriezellenspannung. Entsprechendes gilt für Batteriezellen mit einer vergleichsweise großen elektrischen Kapazität, die insbesondere bei kleinen Ladungszuständen nicht noch zusätzlich entladen zu werden brauchen. Insgesamt kann dadurch der Eingriff der Ladungsausgleichseinrichtung erheblich reduziert, wenn nicht sogar vollständig eingespart werden, sodass Verluste des Aufladevorgangs reduziert werden können. Zugleich kann dadurch auch eine Ladezeit für den Aufladevorgang insgesamt reduziert werden.
Die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung gibt eine elektrische Spannung an Zellenanschlüssen der jeweiligen Batteriezellen an, die von spezifischen Batteriezellenparametern, beispielsweise der jeweiligen elektrischen Kapazität, parasitären Effekten wie einer inneren Zellenendladung und/oder dergleichen, abhängig sein kann. Vorzugsweise gibt die Ladeverlaufsspannung eine Batteriezellenspannung abhängig von zumindest einem Ladungszustand der jeweiligen Batteriezelle beziehungsweise der Batterie an.
Besonders die jeweilige elektrische Kapazität der Batteriezellen kann die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung deutlich beeinflussen, insbesondere bestimmen. So zeigt sich, dass die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung für Batteriezellen mit vergleichsweise kleiner elektrischer Kapazität steiler verläuft als eine entsprechende batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung für Batteriezellen mit einer vergleichsweise großen elektrischen Kapazität. Dies ist im Übrigen auch der Grund, weshalb im Stand der Technik beim Aufladevorgang, insbesondere bei Nutzung einer passiven Ladungsausgleichseinrichtung, bei kleinen Ladungszuständen der Batteriezellen mit großer elektrischer Kapazität beziehungsweise der Batterie diese Batteriezellen zusätzlich durch die Ladungsausgleichseinrichtung belastet werden. Bei großen Ladungszuständen, insbesondere im Bereich eines Endes des Aufladevorgangs, werden im Stand der Technik solche Batteriezellen durch die Ladungsausgleichseinrichtung zusätzlich belastet, die eine vergleichsweise geringe elektrische Kapazität aufweisen. Dies führt dazu, dass zu Beginn des Aufladevorgangs, wenn die Batterie insgesamt einen kleinen Ladungszustand aufweist, Batteriezellen mit vergleichsweise großer elektrischer Kapazität zusätzlich entladen werden, wohingegen ein zusätzliches Entladen für Batteriezellen mit vergleichsweise kleiner elektrischer Kapazität erfolgt, wenn sich der Aufladevorgang dem Ende zuneigt. Dies kann mit der Erfindung vermieden werden, weil nämlich die Ladungsausgleichseinrichtung nur dann einzugreifen braucht, wenn eine jeweilige individuell erfasste Batteriezellenspannung von er entsprechend ermittelten Batteriezellensollspannung abweicht, die durch die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung bestimmt ist. Dadurch wird unter anderem zugelassen, dass bei unterschiedlichen Ladungszuständen der Batterie insgesamt die Batteriezellenspannungen der einzelnen in Reihe geschalteten Batteriezellen entsprechend voneinander abweichen können. Die Batteriezellenspannungen der in Reihe geschalteten Batteriezellen brauchen also nicht gleich zu sein. Vorzugsweise sind die Batteriezellenspannungen der in Reihe geschalteten Batteriezellen nur dann im Wesentlichen gleich, wenn sich die Batterie insgesamt im Bereich des vollständig aufgeladenen Ladungszustands befindet.
Die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung ist ein funktioneller Zusammenhang, bei dem die Batteriezellensollspannung zumindest von einer elektrischen Ladung der Batterie abhängig ist. Dem Grunde nach besteht die Möglichkeit, die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung in Bezug auf einen Ladungszustand einer jeweiligen einzelnen Batteriezelle oder auch der gesamten Batterie zu beziehen. Die Erfindung ist jedoch von diesem Bezug unabhängig anwendbar.
Die erfindungsgemäße Verfahrensführung braucht natürlich nicht nur für eine einzige der Batteriezellen, die in Reihe geschaltet sind, ausgeführt zu sein, sondern sie kann vorzugsweise für mehrere oder besonders bevorzugt sogar für sämtliche der in Reihe geschalteten Batteriezellen realisiert sein.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Ladungsausgleichseinrichtung zum Ermitteln der batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannung der wenigstens einen Batteriezelle der Reihenschaltung deaktiviert wird. Dadurch kann erreicht werden, dass durch Auswerten von Daten während des bestimmungsgemäßen Betriebs, beispielsweise von Parametern der jeweiligen in Reihe geschalteten Batteriezellen wie elektrischer Strom, Batteriezellenspannung und/oder dergleichen, ermittelt werden kann, wie die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung ist. Die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung kann separat als Funktion oder auch nach Art einer Tabelle gespeichert werden, sodass anhand eines vorgegebenen Batterieladungszustands die batteriezellenspezifische Batteriezellensollspannung ermittelt werden kann. Dabei zeigt es sich als vorteilhaft, dass die in Reihe geschalteten Batteriezellen in der Regel mit dem im Wesentlichen gleichen elektrischen Strom beaufschlagt sind, sodass sich entsprechende gleiche Ladungsänderungen für sämtliche der in Reihe geschalteten Batteriezellen ergeben. Dies kann ausgewertet werden, um entsprechend die jeweiligen batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannungen ermitteln zu können. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ladeverlaufsspannung nicht über den gesamten Bereich durch Erfassen der Parameter ermittelt zu sein braucht. Vielmehr kann vorgesehen sein, dass ergänzend auch eine Zellchemie und/oder eine Konstruktion der Batteriezellen berücksichtigt wird, um anhand einer oder mehrerer ausgewählter Betriebssituationen die entsprechenden batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannungen ermitteln zu können.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung der wenigstens einen Batteriezelle der Reihenschaltung während eines Aufladevorgangs der Batterie ermittelt wird, bei dem zumindest die wenigstens eine Batteriezelle der Reihenschaltung auf eine Ladeendspannung aufgeladen wird. Die Ladeendspannung ist vorzugsweise eine elektrische Batteriezellenspannung, die die Batteriezelle maximal einnehmen darf, um Beschädigungen und/oder gefährliche Zustände zu vermeiden. Die Ladeendspannung ist somit eine elektrische Spannung, die durch die Batteriezelle reversibel im bestimmungsgemäßen Betrieb maximal eingenommen werden soll. Für eine Lithium-Ion-Batteriezelle kann dies zum Beispiel eine Spannung von etwa 4,2 V sein.
Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass sämtliche der in Reihe geschalteten Batteriezellen auf die maximale Ladeendspannung aufgeladen werden. Die maximale Ladeendspannung ist im Wesentlichen abhängig von der Zellchemie und daher für die in Reihe geschalteten Batteriezellen, die in der Regel die gleiche Zellchemie nutzen, gleich.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung der wenigstens einen Batteriezelle der Reihenschaltung unter Berücksichtigung einer elektrischen Kapazität dieser Batteriezelle ermittelt wird. Die elektrische Kapazität der Batteriezelle kann zum Beispiel während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Batterie ermittelt werden, insbesondere wenn zugleich auch Eingriffe der Ladungsausgleichseinrichtung berücksichtigt werden. Beispielsweise kann zu diesem Zweck eine Spannungsänderung der Batteriezellenspannung unter Einwirkung eines Batteriestroms beziehungsweise eines Batteriezellenstroms ausgewertet werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die elektrische Kapazität dieser Batteriezelle durch Auswerten von Eingriffen der Ladungsausgleichseinrichtung bei dieser Batteriezelle ermittelt wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass ausschließlich die Eingriffe der Ladungsausgleichseinrichtung ausgewertet werden, insbesondere wenn ein Batteriestrom beziehungsweise ein Batteriezellenstrom etwa null ist. Auch hier kann durch Erfassen von entsprechenden Batteriezellenparametern ermittelt werden, welchen Wert die elektrische Kapazität der jeweiligen Batteriezelle hat.
Das Ermitteln der elektrischen Kapazität der Batteriezellen kann initial bei einer Inbetriebnahme der Batterie durchgeführt werden. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, das Ermitteln der elektrischen Kapazität der Batteriezellen auch zu einem späteren Zeitpunkt durchzuführen beziehungsweise erneut durchzuführen, um beispielsweise Veränderungen der elektrischen Kapazität während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Batterie, beispielsweise in Form von Alterung oder dergleichen, zu berücksichtigen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die elektrische Kapazität dieser Batteriezelle durch Auswerten ihrer Batteriezellenspannung während des bestimmungsgemäßen Betriebs ermittelt wird, wenn die Ladungsausgleichseinrichtung deaktiviert ist. Dabei kann zum Beispiel durch Erfassen des Batteriestroms beziehungsweise des Batteriezellenstroms und der jeweiligen Batteriezellenspannung die jeweilige elektrische Kapazität ermittelt werden.
Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass der bestimmungsgemäße Betrieb zumindest teilweise ein Entladen der Batterie umfasst. Vorzugsweise umfasst der bestimmungsgemäße Betrieb ein vollständiges Entladen der Batterie. Dabei kann wenigstens eine der in Reihe geschalteten Batteriezellen eine minimale Ladeendspannung erreichen, die durch die Batteriezellen nicht unterschritten werden soll. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Ermitteins der elektrischen Kapazität der jeweiligen Batteriezellen weiter verbessert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Verfahren für alle Batteriezellen der Reihenschaltung zeitgleich durchgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass spezifisch einzustellende Betriebsbedingungen zur Verfahrensdurchführung genutzt werden können, um für sämtliche der Batteriezellen, die in Reihe geschaltet sind, die entsprechende Verfahrensführung zu realisieren. Es brauchen also keine zeitlich voneinander getrennten Betriebsbedingungen für die Batterie beziehungsweise die Batteriezellen eingestellt zu werden. Dies erleichtert die Verfahrensführung und erlaubt es, das Verfahren in kurzer Zeit zu realisieren.
Darüber hinaus kann die Erfindung unter anderem den weiteren Gedanken nutzen, dass, wenn im voll aufgeladenen Ladungszustand der Batterie die Batteriezellen im Wesentlichen die gleiche maximale Ladeendspannung haben, dieser Betriebszustand reversibel während des bestimmungsgemä-ßen Betriebs der Batterie wieder eingenommen werden kann, weil die Batteriezellen mit dem gleichen elektrischen Strom beaufschlagt werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Eingriff durch die Ladungsausgleichseinrichtung weitgehend reduziert oder sogar gänzlich vermieden werden kann. Dies hat den weiteren Vorteil, dass nicht nur durch das Balancing bewirkte Ladungsverluste reduziert oder sogar gänzlich vermieden werden können, sondern auch die diesbezügliche Wärmeentwicklung entsprechend reduziert werden kann. Zugleich kann auf einfache Weise erreicht werden, dass der Zeitbedarf für den Aufladevorgang reduziert werden kann, weil bei einer vorgegebenen Ladeleistung keine Leistung mehr für die Ladungsausgleichseinrichtung zur Verfügung gestellt zu werden braucht und der Aufladevorgang nicht durch den maximalen Entladestrom, den die Ladungsausgleichseinrichtung bestellen kann, begrenzt zu sein braucht.
Diesem Zweck dient hierbei der vorgegebene Aufladevorgang, bei dem sämtliche Batteriezellen zunächst auf die maximale zulässige Batteriezellenspannung aufgeladen werden. Hierbei kann es sich um einen einmaligen beziehungsweise initialen Aufladevorgang handeln. Dies kann unter Nutzung der Ladungsausgleichseinrichtung erfolgen, weil die Batteriezellen aufgrund ihrer fertigungstechnischen Abweichungen - wie oben erläutert - geringfügig voneinander abweichende Eigenschaften aufweisen. Sind sämtliche der Batteriezellen auf die maximale Zellenspannung aufgeladen, kann die Batterie zur Energieversorgung eines elektrischen Netzes, beispielsweise eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, genutzt werden. Bei Bereitstellung von elektrischer Energie wird die Batterie entladen, wobei Batteriezellen mit einer kleineren elektrischen Kapazität einen größeren Spannungsabfall abhängig von der Ladungsentnahme als Batteriezellen mit einer entsprechend größeren elektrischen Kapazität aufweisen. Die Ladungsausgleichseinrichtung braucht an dieser Stelle nicht einzugreifen. Wird nämlich die Batterie beziehungsweise deren Batteriezellen wieder mit einem Ladestrom beaufschlagt, werden sämtliche der in Reihe geschalteten Batteriezellen mit dem gleichen Ladestrom beaufschlagt, sodass der Aufladevorgang durchgeführt werden kann. Dabei zeigt sich, dass die in Reihe geschalteten Batteriezellen ihre maximale jeweiligen Batteriezellenspannung im Wesentlichen etwa zeitgleich wieder erreichen können. Die Ladungsausgleichseinrichtung braucht hierzu im Wesentlichen daher nicht einzugreifen. Die im Stand der Technik auftretende Problematik des Eingriffs der Ladungsausgleichseinrichtung, insbesondere während des Aufladevorgangs, kann dadurch vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden.
Die passive Ladungsausgleichseinrichtung kann eine elektronische Schaltung umfassen, die an vorzugsweise jede der in Reihe geschalteten Batteriezellen angeschlossen sein kann. Zur Durchführung des Ladungsausgleichs kann vorgesehen sein, dass zum Beispiel entsprechende Entladewiderstände vorgesehen sind, mit denen eine jeweilige der Batteriezellen belastet werden kann. Die Leistung der Ladungsausgleichseinrichtung in Bezug auf eine einzelne Batteriezelle kann etwa 1 % bis etwa 5 % der entsprechenden Ladeleistung betragen. Die passive Ladungsausgleichseinrichtung ist vorzugsweise ein Bestandteil der Batterie. Die Ladungsausgleichseinrichtung kann jedoch zumindest teilweise auch batterieextern ausgebildet sein, insbesondere durch eine Fahrzeughardware oder dergleichen gebildet sein.
Die Ladeendspannung ist eine elektrische Spannung der Batteriezellen, die sich unter anderem abhängig von der Zellchemie der Batteriezellen beziehungsweise deren galvanischer Zellen ergibt. Bei einer Lithium-Ionen-Batteriezelle kann die Ladeendspannung zum Beispiel 4,2 V betragen. Die Ladeendspannung entspricht daher vorzugsweise einer maximalen Batteriezellenspannung, die während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Batteriezellen nicht überschritten werden soll, um Beschädigungen der Batteriezellen zu vermeiden.
Der vorgegebene Aufladevorgang der Batterie kann zum Beispiel ein erstmaliger Aufladevorgang sein, bei dem sämtliche der Batteriezellen auf die gleiche maximal zulässige Batteriezellenspannung beziehungsweise Ladeendspannung aufgeladen werden. Zu diesem Zweck kann die passive Ladungsausgleichseinrichtung aktiviert sein. Nach Durchführung des vorgegeben Aufladevorgangs sollte sich im folgenden bestimmungsgemäßen Betrieb der Batterie im Wesentlichen kein Bedarf bei folgenden Aufladungs- und Entladungszyklen für den Betrieb der passiven Ladungsausgleichseinrichtung einstellen, das heißt, wenn beim Entladen der Batterie allen Batteriezellen die gleiche Ladung entnommen wird. Dies ist bei einer Reihenschaltung in der Regel gegeben. Daraus ergibt sich ferner, dass sich bei einer auf das Entladen der Batterie folgenden Aufladung wieder die gleichen Ladeendspannungen bei allen in Reihe geschalteten Batteriezellen einstellen sollten. Somit brauchen nur noch zum Beispiel eventuelle Leckströme der Batteriezellen mittels der passiven Ladungsausgleichseinrichtung ausbalanciert zu werden. Diese sind jedoch in der Regel sehr gering.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Ladungsausgleichseinrichtung deaktiviert wird, sobald alle Batteriezellen der Reihenschaltung die maximale Ladeendspannung erreicht haben. Dies hat den Vorteil, dass ein vorgegebener Ausgangszustand für die gesamte Batterie erreicht werden kann, der während des bestimmungsgemäßen Betriebs mit einem folgenden Aufladevorgang jeweils in der Regel wieder im Wesentlichen erreicht werden kann. Der Betrieb der Ladungsausgleichseinrichtung kann nicht nur eingespart sondern der Verbrauch von elektrischer Energie durch die Ladungsausgleichseinrichtung kann reduziert werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Ladungsausgleichseinrichtung bei einem auf den vorgegebenen Aufladevorgang unmittelbar folgenden Betrieb der Batterie zumindest für einen vorgegebenen Zeitraum deaktiviert bleibt. Der vorgegebene Zeitraum kann vorzugsweise das Entladen der Batterie umfassen. Dadurch kann das Betrieben der Batterie weiter verbessert werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass bei einem auf den vorgegebenen Aufladevorgang folgenden späteren Aufladevorgang die Ladungsausgleichseinrichtung zumindest zeitweise deaktiviert bleibt. Dadurch kann der spätere Aufladevorgang ebenfalls sehr effizient durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft erweist sich dies für den bestimmungsgemäßen Gebrauch bei einem Kraftfahrzeug, welches regelmäßig an einer Ladestation angeschlossen wird, damit der Batterie elektrische Energie zugeführt werden kann. Die Ladungsausgleichseinrichtung ist vorzugsweise erst zum Ende des folgenden späteren Aufladevorgangs aktiviert. Dies hat den Vorteil, dass die Ladungsausgleichseinrichtung nur bei besonderen Betriebszuständen aktiviert zu sein braucht.
Insgesamt ergibt sich durch die Erfindung, dass der Betrieb der Batterie, insbesondere in Bezug auf den Aufladevorgang, deutlich verbessert werden kann. Dies betrifft nicht nur den Zeitvorteil beim Aufladen, sondern auch den Wirkungsgrad.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für die Steuereinrichtung der Erfindung und das mit der Steuereinrichtung der Erfindung ausgerüstete Kraftfahrzeug und umgekehrt. Insbesondere können somit Verfahrensmerkmale auch als Vorrichtungsmerkmale und umgekehrt formuliert sein.
Zu der Erfindung gehört auch die Steuereinrichtung für das Kraftfahrzeug. Die Steuervorrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 in einer schematischen Seitenansicht ein Elektrofahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie;
2 in einer schematischen Schaltbildansicht die Fahrzeugbatterie des Elektrofahrzeugs gemäß 1;
3 eine schematische Diagrammdarstellung eines Aufladevorgangs der Fahrzeugbatterie bei aktivierter passiver Ladungsausgleichseinrichtung; und
4 eine schematische Diagrammdarstellung wie 3, bei der Batteriezellen der Fahrzeugbatterie bei einem vorgegebenen Aufladevorgang auf die gleiche Ladeendspannung aufgeladen werden.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Elektrofahrzeug 50 als Kraftfahrzeug, insbesondere als elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Das Elektrofahrzeug 50 weist eine elektrische Antriebseinrichtung 58 auf, die dazu dient, das Kraftfahrzeug im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb anzutreiben. In der Regel umfasst die elektrische Antriebseinrichtung 58 eine rotierende elektrische Maschine (nicht dargestellt), die üblicherweise als Synchronmaschine oder auch als Asynchronmaschine ausgebildet sein kann, und einen Energiewandler zum Koppeln der rotierenden elektrischen Maschine mit einem Bordnetz 52 des Elektrofahrzeugs 50.
Das Bordnetz 52 umfasst eine Fahrzeugbatterie 30, die vorliegend als Hochvoltbatterie, insbesondere als Lithium-Ion-Batterie ausgebildet ist. Darüber hinaus umfasst das Elektrofahrzeug 50 eine Ladeeinrichtung 54, die ausgebildet ist, mit einer stationären Ladestation außerhalb des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs elektrisch gekoppelt zu werden (nicht dargestellt), um der Fahrzeugbatterie 30 elektrische Energie zuführen zu können. Ferner umfasst das Elektrofahrzeug 50 eine Steuereinrichtung 56 zum Betreiben der Fahrzeugbatterie 30. Die Steuereinrichtung 56 ist in der vorliegenden Ausgestaltung Bestandteil der Fahrzeugbatterie 30. In alternativen Ausgestaltungen kann sie jedoch auch zumindest teilweise von einer übergeordneten Fahrzeugsteuerung des Elektrofahrzeugs 50 umfasst sein, was jedoch in den Figuren vorliegend ebenfalls nicht dargestellt ist.
2 zeigt in einer schematischen Schaltbildansicht einen Aufbau der Fahrzeugbatterie 30. Die Fahrzeugbatterie 30 umfasst vorliegend eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen 32, die als Lithium-Ion-Zellen ausgebildet sind. In alternativen Ausgestaltungen kann hier auch eine anderen Zellchemie zugrundeliegen. Die Reihenschaltung aus den Batteriezellen 32 ist über ein zweipoliges Schütz 36 mit elektrischen Einrichtungen des Bordnetzes 52, insbesondere der Antriebseinrichtung 58, elektrisch gekoppelt. Das Schütz 36 ist an die Steuereinrichtung 56 angeschlossen und wird mittels der Steuereinrichtung 56 gesteuert. Die Batteriezellen 32 werden aufgrund der Reihenschaltung mit dem gleichen Batteriestrom beaufschlagt. Der Batteriestrom kann ein Ladestrom sowie auch ein Entladestrom sein.
Darüber hinaus umfasst die Fahrzeugbatterie 30 vorliegend auch eine passive Ladungsausgleichseinrichtung 34. Diese ist in 2 lediglich schematisch angedeutet. Die passive Ladungsausgleichseinrichtung 34 kann beispielsweise mit jeweiligen der Batteriezellen 32 elektrisch koppelbare Entladewiderstände umfassen, um die Ladungszustände der Batteriezellen 32 anpassen zu können. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 56 über nicht dargestellte Sensoren Zustandsparameter, beispielsweise einen Ladungszustand der Batteriezellen, eine Batteriezellenspannung U (3, 4) und/oder dergleichen, erfasst und verarbeitet. Je nach Bedarf können dann einzelne oder mehrere der Batteriezellen 32 entsprechend entladen werden, um zum Beispiel deren Ladungszustände in der Reihenschaltung gegenüber einander anzugleichen.
Vorliegend ist ferner vorgesehen, dass mittels der passiven Ladungsausgleichseinrichtung 34 die Ladungszustände der Batteriezellen 32 (3) eingestellt werden. Das Einstellen kann auch ein Regeln umfassen.
3 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung, wie sich der Betrieb der passiven Ladungsausgleichseinrichtung 34 während des Aufladevorgangs der Fahrzeugbatterie 30 auswirken kann. Eine Ordinate des Diagramms gemäß 3 ist der Batteriezellenspannung U und eine Abszisse des Diagramms gemäß 3 ist der Ladung Q der Batteriezellen 32 zugeordnet. Das Diagramm gemäß 3 bezieht sich auf einen Aufladevorgang, bei dem die Batteriezellen 32 einen minimalen Anfangsladungszustand Qmin aufweisen. Graphen 10 und 12 beziehen sich dabei jeweils auf eine Batteriezelle 32, die eine im Vergleich zu anderen der Batteriezellen 32 der Reihenschaltung kleine elektrische Kapazität aufweisen. Die Graphen 14 und 16 beziehen sich dagegen auf Batteriezellen 32 der Reihenschaltung, die im Vergleich zu den anderen der Batteriezellen 32 der Reihenschaltung eine große elektrische Kapazität aufweisen.
Zu Beginn des Aufladevorgangs weisen die Batteriezellen gemäß der Graphen 10, 12 eine kleinere Anfangsbatteriezellenspannung U_min1 als die Batteriezellen gemäß dem Graphen 14, 16 auf, die eine Anfangsbatteriezellenspannung U_min2 aufweisen. Solange die Batteriezellen 32 gemäß den Graphen 14, 16 eine größere Batteriezellenspannung als die Batteriezellen gemäß den Graphen 10, 12 aufweisen, erfolgt mittels der passiven Ladungsausgleichseinrichtung 34 während des Aufladevorgangs ein Entladen der Batteriezellen 32 gemäß den Graphen 14, 16, welches mit einem Pfeil 20 dargestellt ist. Durch das Entladen soll die entsprechende Batteriezellenspannung U dieser Batteriezellen 32 an die Batteriespannung U der anderen Batteriezellen 32 angepasst werden. Dieser Vorgang bleibt bis zu einem Bereich 18 des Auflagevorgangs im Wesentlichen erhalten.
Wird der Bereich 18 durchschritten, wechselt die Situation, weil durch das Aufladen nunmehr die Batteriezellenspannungen U derjenigen der Batteriezellen 32, die gemäß den Graphen 10, 12 die kleinere elektrische Kapazität aufweisen, schneller als die Batteriezellenspannung U derjenigen der Batteriezellen 32 gemäß den Graphen 14, 16 ansteigt, die die größere elektrische Kapazität aufweisen. Die Batteriezellenspannungen U gemäß der Graphen 10, 12 sind nun größer als die Batteriezellenspannungen U gemäß der Graphen 14, 16. Entsprechend werden nun mittels der Ladungsausgleichseinrichtung 34 diejenigen Batteriezellen 32 entladen, die aufgrund ihrer kleineren elektrischen Kapazität die größere Batteriezellenspannung U aufweisen. Dies ist in 3 mit dem Pfeil 22 gekennzeichnet.
Die Fahrzeugbatterie 30 kann zwar mit dem Verfahren gemäß 3 aufgeladen werden, jedoch erweist es sich als nachteilig, dass einerseits ein nicht unerheblicher Teil an Energie durch die Ladungsausgleichseinrichtung 34 verbraucht wird und somit als Ladung für die Fahrzeugbatterie 30 nicht zur Verfügung steht. Darüber hinaus wird durch die passive Ladungsausgleichseinrichtung 34 Wärme erzeugt. Dies ist gerade beim Aufladevorgang der Fahrzeugbatterie 30 ungünstig. Schließlich erweist es sich als nachteilig, dass der Ladevorgang der Fahrzeugbatterie 30 insgesamt zeitlich verlängert ist.
Um die vorgenannte Problematik zu vermeiden beziehungsweise zu reduzieren, wird ein Betrieb, insbesondere ein Aufladen der Fahrzeugbatterie 30, gemäß einer Strategie vorgeschlagen, wie sie anhand der schematischen Diagrammdarstellung gemäß 4 erläutert wird. Die schematische Diagrammdarstellung gemäß 4 entspricht der gemäß 3. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede erläutert.
Die Ladestrategie basierend auf 4 nutzt einen vorgegebenen Aufladevorgang, insbesondere einen initialen vorgegebenen Aufladevorgang, bei dem alle Batteriezellen 32, die in Reihe geschaltet sind, auf die gleiche Ladeendspannung Umax aufgeladen werden. Während dieses Vorgangs ist die passive Ladungsausgleichseinrichtung 34 aktiviert, sodass auch sämtliche der Batteriezellen 32 tatsächlich im Wesentlichen die gleiche vorgegebene Ladeendspannung Umax erreichen können. Ausgehend von diesem Betriebszustand beziehungsweise bei Erreichen der maximalen Ladung Qmax durch die Batteriezellen 32 kann dann die Ladungsausgleichsvorrichtung 34 deaktiviert werden.
4 zeigt mit Graphen 24, 26, 28 für drei ausgewählte Batteriezellen 32 der Fahrzeugbatterie 30 jeweilige batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannungen, die durch die Steuereinrichtung 56 ermittelt worden sind. Die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannungen ermöglichen, für einen jeweiligen Ladungszustand einer jeweiligen der in Reihe geschalteten Batteriezellen 32 jeweilige Batteriezellensollspannungen U_soll zu ermitteln, die zum Steuern der Ladungsausgleichseinrichtung 34 genutzt werden können. Die batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannungen können somit für den weiteren Betrieb der Batterie 30 zugrundegelegt werden, sodass die Ladungsausgleichseinrichtung 34 nur dann einzugreifen braucht, wenn eine jeweilige aktuell erfasste Batteriezellenspannung U von der jeweils durch die entsprechende batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung vorgegebenen Batteriezellensollspannung U_soll abweicht. Abhängig von einem Batterieladungszustand der Batterie 30 beziehungsweise der jeweiligen Batteriezelle 32 werden anhand der batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannungen 24, 26, 28 Batteriezellensollspannungen U_soll für die jeweiligen Batteriezellen 32 vorgegeben und die Batteriezellenspannungen mittels der Ladungsausgleichseinrichtung 34 entsprechend der vorgegebenen Batteriezellensollspannungen U_soll eingestellt.
Der folgende Betrieb der Fahrzeugbatterie 30, der im Wesentlichen durch ein Entladen der Fahrzeugbatterie 30 gekennzeichnet ist, führt dazu, dass die Batteriezellenspannungen U der Batteriezellen 32 entsprechend der Ladungsentnahme, die für alle der Batteriezellen 32, die in Reihe geschaltet sind, im Wesentlichen gleich ist, kleiner werden. Abhängig von der jeweiligen individuellen elektrischen Kapazität der Batteriezellen 32 ergeben sich dabei unterschiedliche Spannungen, insbesondere in Bezug auf eine minimale Ladung Qmin. Dies ist anhand der Graphen 24, 26, 28 in 4 dargestellt. Der Graph 24 bezieht sich dabei auf eine Batteriezelle 32, die eine vergleichsweise große elektrische Kapazität aufweist, wohingegen der Graph 26 sich auf eine Batteriezelle 32 bezieht, die eine vergleichsweise kleine elektrische Kapazität aufweist. Der Graph 28 bezieht sich auf eine Batteriezelle 32, die eine mittlere elektrische Kapazität aufweist.
Zu erkennen ist, dass bei Erreichen der Ladungsmenge Qmin die Batteriezelle 32 mit der kleinen elektrischen Kapazität eine elektrische Spannung U_min1 erreicht, wohingegen die Batteriezelle 32 mit der großen elektrischen Kapazität eine Spannung U_min2 erreicht. Die Spannung U_min2 ist größer als die Spannung U_min1. Bleibt die passive Ladungsausgleichseinrichtung 34 weiterhin deaktiviert, kann bei einem folgenden Aufladevorgang im Wesentlichen wieder die gleiche Ladeendspannung Umax durch alle Batteriezellen 32 erreicht werden, und zwar unabhängig von der tatsächlicher elektrischer Kapazität. Diese Ladeendspannung Umax ist für vorzugsweise alle der in Reihe geschalteten Batteriezellen 32 im Wesentlichen gleich groß. Dies hat den Vorteil, dass, insbesondere während des Aufladevorgangs, die Fahrzeugbatterie 30 mit dem vollen zulässigen Ladestrom der Fahrzeugbatterie 30 beziehungsweise der Batteriezellen 32 aufgeladen werden kann. Dadurch kann der Aufladevorgang gegenüber dem Szenario gemäß 3 zeitlich verkürzt werden. Darüber hinaus wird der Energieverlust durch den Betrieb der passiven Ladungsausgleichseinrichtung 34 reduziert beziehungsweise vermieden.
Beispielsweise kann ergänzend vorgesehen sein, dass die passive Ladungsausgleichseinrichtung 34 lediglich am Ende des Aufladevorgangs aktiviert wird, um während des bestimmungsgemäßen Betriebs aufgetretene kleinere Ladungs- beziehungsweise Spannungsdifferenzen ausgleichen zu können. Dadurch braucht die passive Ladungsausgleichseinrichtung 34 auch nicht mehr kontinuierlich betrieben zu werden. Insgesamt kann somit eine deutliche Verbesserung des Betreibens der Fahrzeugbatterie 30 erreicht werden.
Das Ausführungsbeispiel dient ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

AT 509383 A1 [0012]
DE 102014219582 A1 [0012]
DE 19541959 A1 [0012]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (32) aufweisenden Batterie (30), bei dem Ladungszustände der Batteriezellen (32) mittels einer Ladungsausgleichseinrichtung (34) der Batterie (30) eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens eine der Batteriezellen (32) der Reihenschaltung eine jeweilige batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung (24, 26, 28) ermittelt und abhängig von einem Batterieladungszustand anhand der batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannung (24, 26, 28) eine ladezustandsabhängige Batteriezellensollspannung (U_soll) für diese Batteriezelle (32) ermittelt wird, eine Batteriezellenspannung (U) erfasst und mittels der Ladungsausgleichseinrichtung (34) entsprechend der Batteriezellensollspannung (U_soll) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsausgleichseinrichtung (34) zum Ermitteln der batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannung (24, 26, 28) der wenigstens einen Batteriezelle (32) der Reihenschaltung deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung (24, 26, 28) der wenigstens einen Batteriezelle (32) der Reihenschaltung während eines Aufladevorgangs der Batterie (30) ermittelt wird, bei dem zumindest die wenigstens eine Batteriezelle (32) der Reihenschaltung auf eine Ladeendspannung aufgeladen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung (24, 26, 28) der wenigstens einen Batteriezelle (32) der Reihenschaltung unter Berücksichtigung einer elektrischen Kapazität dieser Batteriezelle (32) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kapazität dieser Batteriezelle (32) durch Auswerten von Eingriffen der Ladungsausgleichseinrichtung (34) bei dieser Batteriezelle (32) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kapazität dieser Batteriezelle (32) durch Auswerten ihrer Batteriezellenspannung (U) während des bestimmungsgemäßen Betriebs ermittelt wird, wenn die Ladungsausgleichseinrichtung (34) deaktiviert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmungsgemäße Betrieb zumindest teilweise ein Entladen der Batterie (30) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für alle Batteriezellen (32) der Reihenschaltung zeitgleich durchgeführt wird.
Steuereinrichtung (56) zum Betreiben einer eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (32) aufweisenden Batterie (30), wobei die Steuereinrichtung (56) ausgebildet ist, eine Ladungsausgleichseinrichtung (34) der Batterie (30) zu steuern, um Ladungszustände der Batteriezellen (32) einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (56) ausgebildet ist, für wenigstens eine der Batteriezellen (32) der Reihenschaltung eine jeweilige batteriezellenspezifische Ladeverlaufsspannung (24, 26, 28) zu ermitteln und abhängig von einem Batterieladungszustand anhand der batteriezellenspezifischen Ladeverlaufsspannung (24, 26, 28) eine ladezustandsabhängige Batteriezellensollspannung (U_soll) dieser Batteriezelle (32) zu ermitteln, eine Batteriezellenspannung (U) zu erfassen und die Ladungsausgleichseinrichtung (34) zu steuern, um die Batteriezellenspannung entsprechend der Batteriezellensollspannung (U_soll) einzustellen.
Kraftfahrzeug (50) mit einer elektrischen Antriebseinrichtung (58), einem eine Fahrzeugbatterie (30) aufweisenden Bordnetz (52), an das die Antriebseinrichtung (58) angeschlossen ist, und einer Steuereinrichtung (56) zum Betreiben der Fahrzeugbatterie (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (56) gemäß Anspruch 9 ausgebildet ist.