DE102021212023A1

DE102021212023A1 - Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems, Batteriesystem

Info

Publication number: DE102021212023A1
Application number: DE102021212023.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Manka
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2023-04-27
Also published as: WO2023072444A1; TW202329576A; CN118159445A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (10), das mehrere Batteriepacks (2, 2a, 2b) umfasst, die parallel miteinander verschaltet sind und jeweils eine Batteriesteuereinheit (6, 6a, 6b) zur Steuerung und Überwachung des entsprechenden Batteriepacks (2, 2a, 2b) und eine Schalteinheit (8, 8a, 8b) zum Ein- und Ausschalten des entsprechenden Batteriepacks (2, 2a, 2b) aufweisen, wobei die Schalteinheiten (8, 8a, 8b) jeweils mehrere Schaltzustände des entsprechenden Batteriepacks (2, 2a, 2b) ermöglichen, die jeweils mit einer Zustandsnummer beziffert sind. Das Verfahren umfasst nachfolgende Schritte: - Auswählen einer der Batteriesteuereinheiten (6, 6a, 6b) als Master-Batteriesteuereinheit, während die anderen Batteriesteuereinheiten (6, 6a, 6b) jeweils als Slave-Batteriesteuereinheit bezeichnet werden; - Festlegen einer Anzahl N an verfügbaren Batteriepacks (2, 2a, 2b); - Übermitteln von Zustandsinformationen der jeweiligen Batteriepacks (2, 2a, 2b) an die Master-Batteriesteuereinheit; - Berechnen von Ausgleichsströmen für jede Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b), die zwischen den Batteriepacks (2, 2a, 2b) im Falle der jeweiligen Kombination fließen, anhand der Zustandsinformationen und eines Modells für das Batteriesystem (10) zusammengesetzt aus den Batteriemodellen (20, 20a, 20b) der jeweiligen Batteriepacks (2, 2a, 2b); - Berechnen von Lade- und Entladestromgrenzen des Batteriesystems (10) für jede Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) anhand der Zustandsinformationen und des Batteriemodells (20, 20a, 20b) der jeweiligen Batteriepacks (2, 2a, 2b); - Registrieren in einer N-dimensionalen Matrix für alle möglichen Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b), ob in der jeweiligen Kombination unter allen Randbedingungen die Ausgleichsströme sowohl in Lade- und Entladerichtung für alle Batteriepacks (2, 2a, 2b) im Bereich der Lade- und Entladestromgrenzen der Batteriepacks (2, 2a, 2b) liegen; - Aussortieren der Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b), die zum Bruch der Lade- und/oder Entladestromgrenzen bei zumindest einem Batteriepack (2, 2a, 2b) führen und somit nicht valid sind; - Suchen der Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) für die maximale Leistung oder die

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems, das mehreren Batteriepacks umfasst, die parallel miteinander verschaltet sind und jeweils eine Batteriesteuereinheit zur Steuerung und Überwachung des entsprechenden Batteriepacks und eine Schalteinheit zum Ein- und Ausschalten des entsprechenden Batteriepacks aufweisen. Dabei ermöglichen die Schalteinheiten jeweils mehrere Schaltzustände des entsprechenden Batteriepacks, die jeweils mit einer Zustandsnummer beziffert sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriesystem.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene Fahrzeuge zum Einsatz kommen werden. Solche elektrisch angetriebenen Fahrzeuge, wie z.B. Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge, umfassen jeweils ein Batteriesystem, wie beispielsweise ein 48V-Batteriesystem, zur Energieversorgung bzw. Traktion des Fahrzeugs. Das Batteriesystem kann dabei mehrere Batteriepacks umfassen. Das Parallelschalten mehrerer einzelner Batteriepacks zu einem Batteriesystem ist vorteilhaft, da Energie- und Leistung für unterschiedliche Einsatzzwecke skaliert werden können.
Das Dokument US 2016/0049813 A1 beschreibt eine Energiespeichervorrichtung, die eine Vielzahl von Modulen, die jeweils Sekundärbatterien enthalten, einen Ladeschalter, der das Laden der Sekundärbatterien steuert, einen Entladeschalter, der das Entladen der Sekundärbatterien steuert, und eine Spannungsmesseinheit, die eine Spannung des Moduls misst, sowie eine Schaltersteuereinheit, die den Ladeschalter und/oder den Entladeschalter steuert, umfasst.
Das Dokument US 2019/0103750 A1 beschreibt ein Energiemanagementsystem zur Verwendung in Verbindung mit Batteriezellen, das es ermöglicht, die Zellen und Batterien in variable Energiespeicherquellen umzuwandeln, die in Vorrichtungen wie z. B. Elektrofahrzeugen oder Netzspeichern verwendet werden können.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems vorgeschlagen, das mehrere Batteriepacks umfasst, die parallel miteinander verschaltet sind und jeweils eine Batteriesteuereinheit zur Steuerung und Überwachung des entsprechenden Batteriepacks und eine Schalteinheit zum Ein- und Ausschalten des entsprechenden Batteriepacks aufweisen. Dabei ermöglichen die Schalteinheiten jeweils mehrere Schaltzustände des entsprechenden Batteriepacks, die jeweils mit einer Zustandsnummer beziffert sind. Die Schalteinheiten können dabei jeweils als ein Halbleiterschalter, wie beispielsweise MOSFET oder IGBT, ausgebildet sind. Die Schalteinheit kann dabei mehrere Schalter umfassen, die zur Abschalten von großen Strömen parallel zueinander geschaltet sind. Die Schalteinheit kann auch zwei Schalter umfassen, die antiseriell verschaltet sind. Durch diese antiserielle Schaltung kann ein Strom sowohl in Lade- als auch in Entladerichtung erlaubt werden. Die Batteriepacks umfassen dabei jeweils eine oder mehrere Batteriezellen, die parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sind. Vorzugsweise sind die Batteriezellen als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet.
Gemäß dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst eine der Batteriesteuereinheiten als Master-Batteriesteuereinheit ausgewählt, während die anderen Batteriesteuereinheiten jeweils als Slave-Batteriesteuereinheit bezeichnet werden. Das Batteriepack, das die Master-Batteriesteuereinheit umfasst, wird als Master-Batteriepack bezeichnet, während die anderen Batteriepacks jeweils als Slave-Batteriepack bezeichnet werden.
Anschließend wird eine Anzahl N an verfügbaren Batteriepacks festgelegt. Unter dem „verfügbaren Batteriepack“ werden alle Batteriepacks des Batteriesystems unabhängig von deren Ladezustand verstanden. Dabei wird die Anzahl N von der Master-Batteriesteuereinheit ermittelt und festgelegt.
Danach werden Zustandsinformationen der jeweiligen Batteriepacks an die Master-Batteriesteuereinheit übermittelt. Die Zustandsinformationen umfassen die zur weiteren Berechnung erforderlichen Parameter z. B. eines maximal erlaubten Stroms, der durch das Batteriesystem fließt. Dabei können die Parameter beispielsweise die Temperatur des Batteriepacks, den Ladezustand (State Of Charge, SOC) des Batteriepacks und die Spannungslage des Batteriepacks sowie die ständig aktualisierten Parameter eines Batteriemodells für das jeweilige Batteriepack, die aktuellen Lade- und Entladestromgrenzen für das jeweilige Batteriepack und die Impedanz aus dem Batteriemodell für das jeweilige Batteriepack usw. umfassen, und werden von den jeweiligen Slave-Batteriesteuereinheiten an die Master-Batteriesteuereinheit übermittelt. Die Übermittlung kann dabei via einer Kommunikationsleitung, wie beispielsweise einen CAN- oder LIN-Bus, erfolgen.
Das Batteriemodell eines Batteriepacks kann dabei als Thevenin-Batteriemodell mit einem RC-Glied ausgebildet sein. Denkbar ist auch, dass das Batteriemodell eines Batteriepacks mehrere RC-Glieder umfasst. Bei einem Thevenin-Batteriemodell mit einem RC-Glied umfasst das Batteriemodell einen ohmschen Innenwiderstand, einen Polarisationswiderstand und eine Polarisationskapazität, die parallel zu dem Polarisationswiderstand geschaltet ist, und eine ideale Spannungsquelle. Zu den Zustandsinformationen gehören beispielsweise auch die Leerlaufspannung der idealen Spannungsquelle, die Größe des ohmschen Innenwiderstands und der Spannungsabfall über das RC-Glied.
Anschließend werden Ausgleichsströme für jede Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks, die zwischen den Batteriepacks im Falle der jeweiligen Kombination fließen, anhand der Zustandsinformationen und eines Modells für das Batteriesystem zusammengesetzt aus den Batteriemodellen der jeweiligen Batteriepacks, berechnet.
Anhand der Zustandsinformationen und des Batteriemodells der jeweiligen Batteriepacks werden danach Lade- und Entladestromgrenzen des Batteriesystems für jede Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks berechnet. Die Berechnung kann dabei von der Master-Batteriesteuereinheit durchgeführt werden.
Anschließend wird in einer N-dimensionalen Matrix für alle möglichen Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks registriert, ob in der jeweiligen Kombination unter allen Randbedingungen die Ausgleichsströme sowohl in Lade- und Entladerichtung für alle Batteriepacks im Bereich der Lade- und Entladestromgrenzen der Batteriepacks liegen. Als Randbedingungen werden die maximale Lade- und Entladestromgrenzen für das Batteriesystem im Moment des Zuschaltens eingesetzt.
Danach werden die Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks aussortiert, die zum Bruch der Lade- und/oder Entladestromgrenzen bei zumindest einem Batteriepack führen und somit nicht valid sind.
Anschließend wird die Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks für die maximale Leistung oder die maximale Energieausnutzung des Batteriesystems aus den validen Kombinationen aus der N-dimensionalen Matrix gesucht.
Vorzugsweise wird das Suchen der Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks anhand eines Modussignals, dessen Priorität auf Laden oder Entladen liegt, eines Priosignals, dessen Priorität auf maximaler Leistung oder maximaler Energieausnutzung liegt, und eines prädizierten durchschnittlichen Entladestroms durchgeführt. Das Modussignal, das Priosignal und der prädizierte durchschnittliche Entladestrom können dabei von einer den Batteriesteuereinheiten übergeordneten Steuereinheit, wie beispielsweise einer Fahrzeugsteuereinheit (Vehicle Control Unit, VCU) bereitgestellt werden. Der prädizierte durchschnittliche Entladestrom kann beispielsweise aus den letzten Fahrzyklen berechnet werden.
Vorzugsweise, wenn das Modussignal auf Laden liegt und das Priosignal auf maximaler Leistung liegt, werden die validen Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks mit der maximalen Ladeleistung aufgrund der Ladestromgrenze sortiert, und, wenn mehrere Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks mit gleicher Ladeleistung existieren, wird für diese Kombinationen jeweils die Summe der Zustandsnummer der jeweiligen Batteriepacks gebildet und die Kombination mit der größten Summe wird ausgewählt.
Vorzugsweise, wenn das Modussignal auf Entladen liegt und das Priosignal auf maximaler Leistung liegt, werden die validen Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks mit der maximalen Entladeleistung aufgrund der Endladestromgrenze sortiert, und, wenn mehrere Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks mit gleicher Entladeleistung existieren, wird für diese Kombinationen jeweils die Summe der Zustandsnummer der jeweiligen Batteriepacks gebildet und die Kombination mit der größten Summe wird ausgewählt.
Vorzugsweise, wenn das Priosignal auf maximaler Energieausnutzung oder zwischen maximaler Energieausnutzung und maximaler Leistung liegt, werden für ein Entladen mit dem prädizierten durchschnittlichen Entladestrom die Energieverluste beim Entladen für alle Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks errechnet. Maximale Energieausnutzung ist beispielsweise dann gegeben, wenn viele Batteriepacks mit geringem Innenwiderstand zum Laden/Entladen beitragen, also zugeschaltet sind. In diesem Fall ist der Innenwiderstand des Batteriesystems gering und somit sind die Verluste minimal. Der Punkt der maximalen Energieausnutzung kann sich deutlich vom Punkt der maximalen Leistung unterscheiden. Beispielsweise können einzelne Batteriepacks im Batteriesystem den Entladestrom des Batteriesystems aufgrund dessen Nähe zu einem Temperaturlimit beschränken. Für die Anwendung im Zusammenhang mit einer Fahrzeugsteuereinheit bedeutet dies, dass beispielsweise bei geringen Leistungsanforderungen auf maximale Energieausnutzung geschaltet wird, z. B Fahrzeug steht, oder eben auf maximale Leistung geschaltet wird, wenn ein Beschleunigungsvorgang anliegt. Es wird dabei die Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks ausgewählt, die zugleich entsprechend des Priosignals einen Strom bereitstellt, der in einem vorgegebenen Bereich des prädizierten durchschnittlichen Entladestroms liegt. Beispielsweise kann der Strom in einem Bereich von 5 % bis 200 % des prädizierten durchschnittlichen Entladestroms liegen. Maximale Energieausnutzung bedeutet beispielsweise, dass der erwartete Strom aktuell nur bei 5 % des durchschnittlichen prädizierten Ladestroms liegt. Maximale Leistung bedeutet beispielsweise, dass der erwartete Strom bei 200 % des durchschnittlichen prädizierten Ladestroms liegt.
Vorzugsweise wird über eine neue Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks in Abhängigkeit der aktuellen Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks entschieden. Die Entscheidung kann beispielsweise von der Master-Batteriesteuereinheit getroffen werden. Dabei wird die neue Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks nur dann ausgegeben, wenn die resultierende Leistungs- und/oder Energieausnutzung der neuen Kombination um eine relative und eine absolute Toleranz über der aktuellen Kombination liegt.
Die Toleranzen sollten so kalibriert werden, dass eine bestmögliche Energie- und/oder Leistungsausbeute erzielt wird und die Schalteinheiten nicht durch ständige Schaltvorgänge überhitzt werden. Die Leistung im neuen Schaltzustand sollte um eine relative Toleranz, wie z. B. um 5 % ...10 %, oder eine absolute Toleranz, wie z. B. mindestens 1 % der maximalen Leistung über dem aktuellen Schaltzustand liegen.
Vorzugsweise wird das Umschalten von der aktuellen Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks zu der neuen Kombination in einer Reihenfolge ausgeführt, sodass Ausgleichsströme außerhalb der Lade- und Entladestromgrenzen der einzelnen Batteriepacks ausgeschlossen sind. Ob und welche Priorisierung erforderlich ist, hängt davon ab, für welche kurzzeitigen Strompeaks die Schalteinheiten, die Batteriezellen und weitere Systemkomponenten ausgelegt sind, sowie davon, welche zeitlichen Abstände beim Schalten von zwei Batteriepacks auftreten können. Dadurch können große Ausgleichströme aufgrund nicht synchronen Schaltens der einzelnen Batteriepacks ausgeschlossen sein. Dabei wird die Reihenfolge in einer Priorisierungsmatrix, deren Felder mit Priorisierungen gefüllt sind, festgelegt.
Die oben ausgeführten, berechneten Lade- und Endladestromgrenzen können für die neue Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks an die Fahrzeugsteuereinheit gesendet werden und dienen dieser zur Begrenzung des maximalen Stroms.
Es wird auch ein Batteriemanagementsystem vorgeschlagen. Das Batteriemanagementsystem ist dabei eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Es wird auch ein Batteriesystem vorgeschlagen, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, und/oder das das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem umfasst.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, und/oder das das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem umfasst und/oder das das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es, eine optimale Kombination der Schaltzustände der parallel zueinander geschalteten Batteriepacks zu wählen. Dabei werden dieses Optimum berechnet und die Schaltzustände der einzelnen Batteriepacks festgelegt. Weiterhin können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Lade- und Entladestromgrenzen für das Batteriesystem berechnet werden.
Durch die optimale Wahl der Schaltzustände des Batteriepacks kann hingegen der Betrieb für das Laden und Entladen der Batterien entsprechend der jeweiligen Anforderungen gezielt optimal gewählt werden.
Ein Master/Slave-Konzept kann die Rechenaufgaben verteilen. Dabei senden die Batteriepacks, die als Slave-Batteriepacks funktionieren, ihre Zustandsinformationen und die Lade- und Entladestromgrenzen an das Master-Batteriepack, das zuvor beliebig aus allen Batteriepacks ausgewählt wurde. Das Master-Batteriepack entscheidet aufgrund der Zustandsinformationen über den Schaltzustand jedes einzelnen Slave-Batteriepacks. Die Zustandsinformationen jedes Slave-Batteriepacks x sind die bekannten Größen eines Batteriemodells, welche in jedem Zeitschritt, wie beispielsweise 100ms, aktualisiert werden.
Diese Struktur erlaubt es, dass

• die Batteriepacks sich in ihrem Zustand (Temperatur, SOC, Spannungslage) unterscheiden können,
• Batteriepacks zusammengeschaltet werden, die unterschiedlich viele Batteriezellen in serieller und/oder paralleler Verschaltung haben, und
• für das Master-Batteriepack keine Software-Parameter Kalibrierung erforderlich ist.

Ferner ist eine Optimierung des Fahrzeugbetriebs hinsichtlich der Kriterien maximaler Leistung und maximaler Reichweite möglich, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks auf Eingangssignale der Fahrzeugsteuereinheit reagieren kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die maximal erlaubten Lade- und Entladeströme der gewählten Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks errechnen.
Weiterhin kann die Berechnung auf dem Mikrocontroller eines Batteriemanagementsystems durchgeführt werden.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen,
2 eine schematische Darstellung eines Batteriemodells eines Batteriepacks zur Berechnung der Ausgleichströme sowie der Lade- und Entladestromgrenzen,
3 eine schematische Darstellung eines Modells des in 1 dargestellten Batteriesystems und
4 eine schematische Darstellung eines Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 10, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Das Batteriesystem 10 umfasst dabei zwei Batteriepacks 2, und zwar ein erstes Batteriepack 2a und ein zweites Batteriepack 2b. Das erste und zweite Batteriepack 2a, 2b sind dabei parallel zueinander geschaltet. Das Batteriesystem 10 kann auch mehr als zwei Batteriepacks 2 umfassen, die parallel zueinander geschaltet sind.
Das erste Batteriepack 2a umfasst vorliegend in 1 drei seriell verschaltete Batteriezellen 4. Das erste Batteriepack 2a kann auch eine andere Anzahl an Batteriezellen 4 aufweisen, die seriell und/oder parallel verschaltet sind.
Das zweite Batteriepack 2b umfasst vorliegend in 1 drei seriell verschaltete Batteriezellen 4. Das zweite Batteriepack 2a kann auch eine andere Anzahl an Batteriezellen 4 aufweisen, die seriell und/oder parallel verschaltet sind.
Die Batteriepacks 2 umfassen jeweils eine Batteriesteuereinheit 6 zur Steuerung und Überwachung der entsprechenden Batteriepacks 2 und eine Schalteinheit 8 zum Ein- und Ausschalten der entsprechenden Batteriepacks 2. Das erste Batteriepack 2a umfasst dabei eine erste Batteriesteuereinheit 6a und eine erste Schalteinheit 8a. Das zweite Batteriepack 2b umfasst dabei eine zweite Batteriesteuereinheit 6b und eine zweite Schalteinheit 8b. Die erste und zweite Schalteinheit 8a, 8b sind dabei jeweils durch die erste und zweite Batteriesteuereinheit 6a, 6b gesteuert und überwacht.
Die erste und die zweite Batteriesteuereinheit 6a, 6b kommunizieren dabei miteinander durch eine Kommunikationsleitung 16, welche beispielsweise als CAN- oder LIN-Bus ausgebildet sein kann.
Das Batteriesystem 10 umfasst ferner einen ersten Hauptschalter 12 und eine zweiten Hauptschalter 14, die zur elektrischen Verbindung des Batteriesystems 10 mit einem hier nicht dargestellten Verbraucher, wie beispielsweise einem Bordnetz eines Fahrzeugs, dienen.
Dabei ermöglichen die Schalteinheiten 8 jeweils mehrere Schaltzustände des entsprechenden Batteriepacks 2, die jeweils mit einer Zustandsnummer beziffert sind. Beispielsweise kann das Batteriepack 2 vier Schaltzustände aufweisen, die jeweils mit einer Zustandsnummer beziffert sind. Der erste Schaltzustand des Batteriepacks 2 ist „OFF“, welcher „Abschalten des Batteriepacks 2“ entspricht.
Der erste Schaltzustand des Batteriepacks 2 ist mit einer Zustandsnummer 1 beziffert. Der zweite Schaltzustand des Batteriepacks 2 ist „Laden ON“, welcher „Laden des Batteriepacks 2“ bzw. „Strom in Laderichtung erlaubt“ entspricht. Der zweite Schaltzustand des Batteriepacks 2 ist mit einer Zustandsnummer 2 beziffert. Der dritte Schaltzustand des Batteriepacks 2 ist „Entladen ON“, welcher „Entladen des Batteriepacks 2“ bzw. „Strom in Entladerichtung erlaubt“ entspricht. Der dritte Schaltzustand des Batteriepacks 2 ist mit einer Zustandsnummer 3 beziffert. Der vierte Schaltzustand des Batteriepacks 2 ist „Laden UND Entladen ON“, welcher „Laden und Entladen des Batteriepacks 2“ bzw. „Strom in Lade- und Entladerichtung erlaubt“ entspricht. Der vierte Schaltzustand des Batteriepacks 2 ist mit einer Zustandsnummer 4 beziffert. Die Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks 2 kann dabei durch (x, y) dargestellt werden, wobei x der Zustandsnummer des ersten Batteriepacks 2a entspricht, während y der Zustandsnummer des zweiten Batteriepacks 2b entspricht.
Die Schalteinheiten 8 können dabei jeweils als ein Halbleiterschalter, wie beispielsweise MOSFET oder IGBT, ausgebildet sind. Die Schalteinheit 8 kann dabei mehrere Schalter umfassen, die zum Abschalten von großen Strömen parallel zueinander geschaltet sind. Die Schalteinheit 8 kann auch zwei Schalter umfassen, die antiseriell verschaltet sind. Durch diese antiserielle Schaltung kann ein Strom sowohl in Lade- als auch in Entladerichtung erlaubt werden.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine der Batteriesteuereinheiten 6 als Master-Batteriesteuereinheit ausgewählt, während die anderen Batteriesteuereinheiten 6 jeweils als Slave-Batteriesteuereinheit bezeichnet werden. Das Batteriepack 2, das die Master-Batteriesteuereinheit umfasst, wird als Master-Batteriepack bezeichnet, während die anderen Batteriepacks 2 jeweils als Slave-Batteriepack bezeichnet werden. Dabei werden die Zustandsinformationen der Slave-Batteriepacks von den jeweiligen Slave-Batteriesteuereinheiten an die Master-Batteriesteuereinheit via die Kommunikationsleitung 16 übermittelt.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemodells 20 eines Batteriepacks 2 zur Berechnung der Ausgleichströme sowie der Lade- und Entladestromgrenzen. Dabei umfasst das Batteriemodell 20 eine ideale Spannungsquelle 22, einen ohmschen Innenwiderstand R_i, einen Polarisationswiderstand R_p und eine Polarisationskapazität C_p, die parallel zu dem Polarisationswiderstand R_p geschaltet ist. Durch die Parallelschaltung des Polarisationswiderstand R_p und der Polarisationskapazität C_p ist ein RC-Glied ausgebildet. Das in 2 dargestellte Batteriemodell wird auch als Thevenin-Batteriemodell mit einem RC-Glied bezeichnet. Zur genaueren Berechnung kann das Batteriemodell 20 auch mehrere seriell miteinander verschaltete RC-Glieder umfassen.
Bei dem in 2 dargestellten Batteriemodell 20 gilt die nachfolgende Gleichung, wenn ein Strom I durch das Batteriepack 2 fließt: $U_{t} = U_{O C V} + U_{R_{i}} + U_{C_{p}}$
wobei U_t die Ausgangsspannung des Batteriepacks 2 ist, Uocv die Leerlaufspannung der idealen Spannungsquelle 22 ist, U_Ri der Spannungsabfall an dem ohmschen Innenwiderstand R_i ist und U_Cp der Spannungsabfall an dem RC-Glied ist.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Modells des in 1 dargestellten Batteriesystems 10, bei welchem die Batteriepacks 2 jeweils durch ein in 2 dargestelltes Batteriemodell 20 ersetzt werden.
Dabei umfasst das erste Batteriemodell 20a des ersten Batteriepacks 2a eine erste ideale Spannungsquelle 22a, einen ersten ohmschen Innenwiderstand R_i1, einen ersten Polarisationswiderstand R_p1 und eine erste Polarisationskapazität C_p1, die parallel zu dem ersten Polarisationswiderstand R_p1 geschaltet ist.
Dabei umfasst das zweite Batteriemodell 20b des zweiten Batteriepacks 2b eine zweite ideale Spannungsquelle 22b, einen zweiten ohmschen Innenwiderstand R_i2, einen zweiten Polarisationswiderstand R_p2 und eine zweite Polarisationskapazität C_p2, die parallel zu dem zweiten Polarisationswiderstand R_p2 geschaltet ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufs 100 des erfindungsgemäßen Verfahrens. Nachfolgend wird der Ablauf 100 mithilfe von 1 bis 3 und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert.
Gemäß dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst in einem ersten Schritt 101 eine der Batteriesteuereinheiten 6 als Master-Batteriesteuereinheit ausgewählt, während die anderen Batteriesteuereinheiten 6 jeweils als Slave-Batteriesteuereinheit bezeichnet werden. Vorliegend wird die erste Batteriesteuereinheit 6a als Master-Batteriesteuereinheit ausgewählt und die zweite Batteriesteuereinheit 6b als Slave-Batteriesteuereinheit bezeichnet. Das erste Batteriepack 2a wird somit als Master-Batteriepack bezeichnet, während das zweite Batteriepack 2b als Slave-Batteriepack bezeichnet wird.
Anschließend oder gleichzeitig wird in einem zweiten Schritt 102 eine Anzahl N an verfügbaren Batteriepacks 2 festgelegt. Vorliegend ist N gleich zwei.
Danach werden in einem dritten Schritt 103 die Zustandsinformationen des zweiten Batteriepacks 2b von der Slave-Batteriesteuereinheit, nämlich der zweiten Batteriesteuereinheit 6b, an die Master-Batteriesteuereinheit, nämlich die erste Batteriesteuereinheit 6a, übermittelt. Die Zustandsinformationen umfassen die zur weiteren Berechnung erforderlichen Parameter, wie beispielsweise die Leerlaufspannung U_OCV der idealen Spannungsquelle 22, die Größe des ohmschen Innenwiderstands R_i und des Spannungsabfalls U_Cp über das RC-Glied.
Anschließend werden in einem vierten Schritt 104 Ausgleichsströme für jede Kombination (x, y) der Schaltzustände des ersten und zweiten Batteriepacks 2a, 2b, die zwischen dem ersten und zweiten Batteriepack 2a, 2b im Falle der jeweiligen Kombination (x, y) fließen, anhand der Zustandsinformationen des ersten und zweiten Batteriepacks 2a, 2b sowie des ersten Batteriemodells 20a und des zweiten Batteriemodells 20b, berechnet.
Für das erste Batteriepack 2a ist der Strom I₁, der durch das erste Batteriepack 2a fließt und den Ausgleichsstrom darstellt, gemäß der nachfolgenden Gleichung zu berechnen: $I_{1} (x, y) = I_{1} (4,4) = \frac{U_{O C V 1} + U_{C p 1} - U_{O C V 2} - U_{C p 2}}{R_{i 1} + R_{i 2}}$
wobei I₁(4, 4) der in Kombination (4, 4) der Schaltzustände des ersten und zweiten Batteriepacks 2a, 2b durch das erste Batteriepack 2a fließende Strom I₁ ist, U_OCV1 die Leerlaufspannung der ersten idealen Spannungsquelle 22a ist, U_OCV2 die Leerlaufspannung der zweiten idealen Spannungsquelle 22b ist, U_Cp1 der Spannungsabfall an dem RC-Glied des ersten Batteriepacks 2a ist und U_Cp2 der Spannungsabfall an dem RC-Glied des zweiten Batteriepacks 2b ist.
Für das zweite Batteriepack 2b ist der Strom I₂, der durch das zweite Batteriepack 2b fließt und den Ausgleichsstrom darstellt, gemäß der nachfolgenden Gleichung zu berechnen: $I_{2} (x, y) = I_{2} (4,4) = - I_{1} (4,4)$
wobei I₂(4, 4) der in Kombination (4, 4) der Schaltzustände des ersten und zweiten Batteriepacks 2a, 2b durch das zweite Batteriepack 2b fließende Strom I₂ ist, U_OCV1 die Leerlaufspannung der ersten idealen Spannungsquelle 22a ist, U_OCV2 die Leerlaufspannung der zweiten idealen Spannungsquelle 22b ist, U_Cp1 der Spannungsabfall an dem RC-Glied des ersten Batteriepacks 2a ist und U_Cp2 der Spannungsabfall an dem RC-Glied des zweiten Batteriepacks 2b ist.
In anderen Kombinationen (x, y) ist das Laden bzw. Entladen eines Batteriepacks 2 gesperrt und der Strom I₁(x, y) bzw. I₂(x, y) wird abhängig von der Stromrichtung zu Null gesetzt.
Anhand der Zustandsinformationen und des ersten Batteriemodells 20a sowie des zweiten Batteriemodells 20b werden danach in einem fünften Schritt 105 Lade- und Entladestromgrenzen des Batteriesystems 10 für jede Kombination (x, y) der Schaltzustände des ersten und zweiten Batteriepacks 2a, 2b berechnet. Die Berechnung kann dabei von der Master-Batteriesteuereinheit durchgeführt werden.
Für das erste und zweite Batteriepack 2a, 2b werden die Ladestromgrenzen I_{lim_cha} und die Entladestromgrenzen I_{lim_dcha} für alle Kombinationen (2, 3), (3, 2), (3, 3), (4, 2), (2, 4), (4, 3), (3, 4) und (4, 4) berechnet.
Beispielhaft wird für die Entladestromgrenze bei der Kombination (2,3) wie folgt berechnet:

Die erste Randbedingung aufgrund der Kombination (2,3) erlaubt für das erste Batteriepack 2a nur Laden und für das zweite Batteriepack 2b nur Entladen. Für die Berechnung der Lade- und Entladestromgrenze wird die Stromrichtung und - höhe an den Extremstellen getestet.

Dazu wird als zweite Randbedingung der Entladestrom I_2dcha des zweiten Batteriepacks 2b gleich der Entladestromgrenze I_{2lim_dcha} des zweiten Batteriepacks 2b eingesetzt, wobei folgendes gilt: $I_{2 d c h a} = I_{2 l i m_d c h a}$
wobei Entladeströme mit negativen Vorzeichen versehen sind.
Es gilt ferner: $U_{t} = U_{O C V 2} + I_{2 d c h a} \cdot R_{i 2} + U_{C_{p} 2}$
und $I_{1} = \frac{U_{t} - U_{C_{p} 1} - U_{O C V 1}}{R_{i 1}}$
Dann wird als dritte Randbedingung der Ladestrom I_1cha des ersten Batteriepacks 2a gleich der Ladestromgrenze I_{1lim_cha} des ersten Batteriepacks 2a eingesetzt, wobei folgendes gilt: $I_{1 c h a} = I_{1 lim_c h a}$
Es gilt ferner: $U_{t} = U_{O C V 1} + I_{1 c h a} \cdot R_{i 1} + U_{C_{p} 1}$
und $I_{2} = \frac{U_{t} - U_{C_{p} 2} - U_{O C V 2}}{R_{i 2}}$
I₁ und I₂ können im Allgemeinen positive oder negative Werte annehmen.
Bei I₁ > 0 fließt Strom in Richtung des ersten Batteriepacks 2a, d.h. das erste Batteriepack 2a wird geladen und das zweite Batteriepack 2b wird entladen.
Bei I₁ < 0 fließt Strom in Richtung des zweiten Batteriepacks 2b, d.h. das zweite Batteriepack 2b wird geladen und das erste Batteriepack 2a wird entladen.
Bei I₂ > 0 fließt Strom in Richtung des zweiten Batteriepacks 2b, d.h. das zweite Batteriepack 2b wird geladen und das erste Batteriepack 2a wird entladen.
Bei I₂ < 0 fließt Strom in Richtung des ersten Batteriepacks 2a, d.h. das erste Batteriepack 2a wird geladen und das zweite Batteriepack 2b wird entladen.
Gilt I₁ < 0, dann ist bei der Kombination (2, 3) nur das zweite Batteriepack 2b beteiligt und das erste Batteriepack 2a wird nicht geladen. Daher ist die Entladestromgrenze I_{lim_dcha} bei dieser Kombination (2, 3) gleich der Entladestromgrenze 1_{2lim_dcha} des zweiten Batteriepacks 2b.
Gilt I₁ > 0, dann ist bei der Kombination (2, 3) das zweite Batteriepacks 2b nicht nur durch einen resultierenden Entladestrom in die Last, wie beispielsweise das Fahrzeug, belastet, sondern auch durch den Strom I₁ belastet, der durch das Laden des ersten Batteriepacks 2a fließt.
Die Entladestromgrenze I_{lim_dcha} ist dann um I₁ gemindert, wobei es gilt: $I_{lim_d c h a} (2,3) = I_{2 lim_d c h a} + I_{1}$
Gelten I₁ > 0 und I₁ > I_{1lim_cha}, dann ist der mit der dritten Randbedingung berechnete Ausgleichstrom für die Entladestromgrenze zu berücksichtigen: $I_{lim_d c h a} (2,3) = I_{2} + I_{1}$
Die Ladestromgrenze I_{1lim_cha} der ersten Batteriepacks 2a darf nicht überschritten werden.
Gelten I₁ > 0 und I₁ < I_{2lim_dcha}, dann ist das Zuschalten nicht erlaubt, da die Entladestromgrenze des zweiten Batteriepacks 2b überschritten ist. Der Ausgleichstrom ist zu groß und die Kombination wird als nicht valid vermerkt.
Für I₂ > 0 und I₁ > I_{1lim_cha} gilt die Entladestromgrenze I_{lim_dcha}(2, 3) = 0.
Die oben ausgeführte Berechnung wird unter Variation der ersten Randbedingung für alle Kombinationen mit einer angepassten Logik durchgeführt. Beispielsweise werden bei der Kombination (3, 2) die Größen der Batteriepacks 2a, 2b gegenseitig ausgetauscht.
Anschließend wird in einem sechsten Schritt 106 in einer 2-dimensionalen Matrix für alle möglichen Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks 2 registriert, ob in der jeweiligen Kombination unter allen Randbedingungen die Ausgleichsströme sowohl in Lade- und Entladerichtung für die beiden Batteriepacks 2 im Bereich der Lade- und Entladestromgrenzen liegen.
Danach werden in einem siebten Schritt 107 die Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks 2 aussortiert, die zum Bruch der Lade- und/oder Entladestromgrenzen bei zumindest einem Batteriepack 2 führen und somit nicht valid sind.
Anschließend wird in einem achten Schritt 108 die Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks 2 für die maximale Leistung oder die maximale Energieausnutzung des Batteriesystems 10 aus den validen Kombinationen aus der 2-dimensionalen Matrix gesucht.
Vorzugsweise wird über eine neue Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks 2 in Abhängigkeit der aktuellen Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks 2 entschieden. Das Umschalten von der aktuellen Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks 2 zu der neuen Kombination wird in einer Reihenfolge ausgeführt, sodass Ausgleichsströme außerhalb der Lade- und Endladestromgrenzen der einzelnen Batteriepacks 2 ausgeschlossen sind. Dabei wird die Reihenfolge in einer Priorisierungsmatrix, deren Felder mit Priorisierungen gefüllt sind, festgelegt:
Dabei sind hohe Prioritäten mit höheren Einträgen in der Priorisierungsmatrix gekennzeichnet, beispielsweise ist 4 die höchste Priorität. Z. B., die erste Batteriesteuereinheit 6a, die als Master-Batteriesteuereinheit ausgewählt ist, gibt einen Zustandswechsel für alle Batteriepacks 2 vor. Nun werden die Batteriepacks 2, die demnach einen Zustandswechsel von Schaltzustand (2) bis (4) nach Schaltzustand (1), falls vorhanden, haben, zuerst angesteuert. Erst wenn diese im Schaltzustand (1) sind, werden Batteriepacks 2 angesteuert, die einen Zustandswechsel von (1) bis (3) auf (4) haben.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016/0049813 A1 [0003]
US 2019/0103750 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (10), das mehrere Batteriepacks (2, 2a, 2b) umfasst, die parallel miteinander verschaltet sind und jeweils eine Batteriesteuereinheit (6, 6a, 6b) zur Steuerung und Überwachung des entsprechenden Batteriepacks (2, 2a, 2b) und eine Schalteinheit (8, 8a, 8b) zum Ein- und Ausschalten des entsprechenden Batteriepacks (2, 2a, 2b) aufweisen, wobei die Schalteinheiten (8, 8a, 8b) jeweils mehrere Schaltzustände des entsprechenden Batteriepacks (2, 2a, 2b) ermöglichen, die jeweils mit einer Zustandsnummer beziffert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nachfolgende Schritte umfasst: - Auswählen einer der Batteriesteuereinheiten (6, 6a, 6b) als Master-Batteriesteuereinheit, während die anderen Batteriesteuereinheiten (6, 6a, 6b) jeweils als Slave-Batteriesteuereinheit bezeichnet werden; - Festlegen einer Anzahl N an verfügbaren Batteriepacks (2, 2a, 2b); - Übermitteln von Zustandsinformationen der jeweiligen Batteriepacks (2, 2a, 2b) an die Master-Batteriesteuereinheit; - Berechnen von Ausgleichsströmen für jede Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b), die zwischen den Batteriepacks (2, 2a, 2b) im Falle der jeweiligen Kombination fließen, anhand der Zustandsinformationen und eines Modells für das Batteriesystem (10) zusammengesetzt aus den Batteriemodellen (20, 20a, 20b) der jeweiligen Batteriepacks (2, 2a, 2b); - Berechnen von Lade- und Entladestromgrenzen des Batteriesystems (10) für jede Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) anhand der Zustandsinformationen und des Batteriemodells (20, 20a, 20b) der jeweiligen Batteriepacks (2, 2a, 2b); - Registrieren in einer N-dimensionalen Matrix für alle möglichen Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b), ob in der jeweiligen Kombination unter allen Randbedingungen die Ausgleichsströme sowohl in Lade- und Entladerichtung für alle Batteriepacks (2, 2a, 2b) im Bereich der Lade- und Entladestromgrenzen der Batteriepacks (2, 2a, 2b) liegen; - Aussortieren der Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b), die zum Bruch der Lade- und/oder Entladestromgrenzen bei zumindest einem Batteriepack (2, 2a, 2b) führen und somit nicht valid sind; - Suchen der Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) für die maximale Leistung oder die maximale Energieausnutzung des Batteriesystems (10) aus den validen Kombinationen aus der N-dimensionalen Matrix.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Suchen der Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) anhand eines Modussignals, dessen Priorität auf Laden oder Entladen liegt, eines Priosignals, dessen Priorität auf maximaler Leistung oder maximaler Energieausnutzung liegt, und eines prädizierten durchschnittlichen Entladestroms durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Modussignal auf Laden liegt und das Priosignal auf maximaler Leistung liegt, - die validen Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) mit der maximalen Ladeleistung aufgrund der Ladestromgrenze sortiert werden, und, wenn mehrere Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) mit gleicher Ladeleistung existieren, - für diese Kombinationen jeweils die Summe der Zustandsnummer der jeweiligen Batteriepacks (2, 2a, 2b) gebildet wird und die Kombination mit der größten Summe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Modussignal auf Entladen liegt und das Priosignal auf maximaler Leistung liegt, - die validen Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) mit der maximalen Entladeleistung aufgrund der Endladestromgrenze sortiert werden, und, wenn mehrere Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) mit gleicher Entladeleistung existieren, - für diese Kombinationen jeweils die Summe der Zustandsnummer der jeweiligen Batteriepacks (2, 2a, 2b) gebildet wird und die Kombination mit der größten Summe ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Priosignal auf maximaler Energieausnutzung oder zwischen maximaler Energieausnutzung und maximaler Leistung liegt, - für ein Entladen mit dem prädizierten durchschnittlichen Entladestrom die Energieverluste beim Entladen für alle Kombinationen der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) errechnet werden und - die Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) ausgewählt wird, die zugleich entsprechend des Priosignals einen Strom (I, I₁, I₂) bereitstellt, der in einem vorgegebenen Bereich des durchschnittlichen Entladestroms liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über eine neue Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) in Abhängigkeit der aktuellen Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) entschieden wird, wobei die neue Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) nur dann ausgegeben wird, wenn die resultierende Leistungs- und/oder Energieausnutzung der neuen Kombination um eine relative und eine absolute Toleranz über der aktuellen Kombination liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten von der aktuellen Kombination der Schaltzustände der Batteriepacks (2, 2a, 2b) zu der neuen Kombination in einer Reihenfolge ausgeführt wird, sodass Ausgleichsströme außerhalb der Lade- und Entladestromgrenzen der einzelnen Batteriepacks (2, 2a, 2b) ausgeschlossen sind, wobei die Reihenfolge in einer Priorisierungsmatrix, deren Felder mit Priorisierungen gefüllt sind, festgelegt wird.
Batteriemanagementsystem, das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Batteriesystem (10), das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, und/oder das ein Batteriemanagementsystem nach Anspruch 8 umfasst.
Fahrzeug, das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, und/oder das ein Batteriemanagementsystem nach Anspruch 8 umfasst und/oder das ein Batteriesystem (10) nach Anspruch 9 umfasst.