DE102021212816A1 - Method and device for balancing battery cells of a battery module - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls (3). Zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen (EZ) weisen jeweils eine schaltbare elektrisch leitenden Verbindung (CS) zu einem Ausgang (TA) eines DC/DC-Wandlers (5) auf. Für ein Symmetrierschritt wird die schaltbare elektrisch leitende Verbindung (CS) einer ausgewählten Akkumulatorzelle (EZ) leitend geschalten, so dass ein Pol der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZ), einen Zwischenknoten (K) bildet, der mit dem Ausgang (TA) des DC/DC-Wandlers (5) verbunden ist und der so die Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ)in eine erste Untergruppe (G1) an Akkumulatorzellen (EZ), die zwischen dem Zwischenknoten (K) und einem ersten Anschluss (TPLUS) des Akkumulatormoduls (3) in Serie geschaltet sind, und eine zweite Untergruppe (G2) an Akkumulatorzellen (EZ), die zwischen dem Zwischenknoten (K) und einem zweiten Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3) in Serie geschaltet sind, unterteilt. Eine Stromrichtung eines Ausgangsstroms (IA) des DC/DC-Wandlers (5) wird abhängig von einem Ladezustand (SOC) der ausgewählten Akkumulatorzelle konfiguriert. Wenn der Ladezustand (SOC) der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi) eine vorgegebene Bedingung erfüllt, wird der Schalter der elektrisch leitenden Verbindung (CSi) der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi) geöffnet und die Prozedur für zumindest ein Teil der weiteren Akkumulatorzellen wiederholt.The present invention relates to a method and device for balancing battery cells in a battery module (3). At least some of the accumulator cells (EZ) each have a switchable electrically conductive connection (CS) to an output (TA) of a DC/DC converter (5). For a balancing step, the switchable electrically conductive connection (CS) of a selected battery cell (EZ) is turned on, so that one pole of the selected battery cell (EZ) forms an intermediate node (K) that is connected to the output (TA) of the DC/DC -Converter (5) is connected and thus the plurality of battery cells (EZ) in a first subgroup (G1) of battery cells (EZ) between the intermediate node (K) and a first connection (TPLUS) of the battery module (3) in Are connected in series, and a second subgroup (G2) divided into accumulator cells (EZ), which are connected in series between the intermediate node (K) and a second terminal (TMINUS) of the accumulator module (3). A current direction of an output current (IA) of the DC/DC converter (5) is configured depending on a state of charge (SOC) of the selected battery cell. If the state of charge (SOC) of the selected battery cell (EZi) meets a predetermined condition, the switch of the electrically conductive connection (CSi) of the selected battery cell (EZi) is opened and the procedure is repeated for at least some of the other battery cells.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls. Ferner betrifft die Erfindung ein Akkumulatorsystem, ein Computerprogramm zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen und ein computerlesbares Speichermedium.The present invention relates to a method and a device for balancing battery cells of a battery module. Furthermore, the invention relates to an accumulator system, a computer program for balancing accumulator cells and a computer-readable storage medium.

Um eine maximal nutzbare Gesamtenergie eines Akkumulatormoduls, das mehrere Akkumulatorzellen aufweist, zu erhöhen, kann das Akkumulatormodul symmetriert werden. Dabei wird ein Akkumulatormodul üblicherweise als symmetrisch betrachtet, sobald ein Ladezustand aller Akkumulatorzellen zu einem Zeitpunkt einer vollständigen Zyklisierung einen identischen Wert aufweist. Bei der Symmetrierung werden mittels einer entsprechenden Symmetriereinrichtung die Ladezustände der einzelnen Akkumulatorzellen beispielsweise durch passives Entladen, bei dem einzelne Akkumulatorzellen mittels eines jeweiligen Widerstands, der parallel zu einer jeweiligen Energiespeicherzelle geschaltet ist, entladen, oder durch aktiven Ladungstransfer, bei dem jeweils ausgewählten einzelnen Akkumulatorzellen Ladung zugeführt oder Ladung entzogen wird, angeglichen.In order to increase the maximum usable total energy of a battery module that has a number of battery cells, the battery module can be balanced. In this case, a battery module is usually considered to be symmetrical as soon as a state of charge of all battery cells has an identical value at a point in time of complete cycling. During balancing, the charge states of the individual accumulator cells are, for example, by passive discharging, in which individual accumulator cells are discharged by means of a respective resistor, which is connected in parallel to a respective energy storage cell, by means of a corresponding balancing device, or by active charge transfer, in the case of the respectively selected individual accumulator cells being charged is supplied or charge is withdrawn, adjusted.

Der Ausgleich des Ladezustands eines Akkumulatormoduls erfordert insbesondere bei der aktiven Symmetrierung (im Englischen auch als „active balancing“ bezeichnet) einen hohen Schaltungs- und Steuerungsaufwand. Die Erzielung einer erschwinglichen Lösung ist eine besondere Herausforderung im Falle sehr langer Hochspannungsreihen von Akkumulatorzellen, die zum Beispiel für ein Hybridfahrzeug erforderlich sind.Balancing the state of charge of an accumulator module requires a high level of switching and control complexity, particularly in the case of active balancing. Achieving an affordable solution is a particular challenge in the case of very long, high-voltage battery cell strings required for a hybrid vehicle, for example.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls bereitzustellen, die es ermöglichen, eine Symmetrierung der Akkumulatorzellen mit geringem Schaltungsaufwand zu realisieren.The object of the present invention is to provide a method and a device for balancing battery cells of a battery module, which make it possible to balance the battery cells with little circuit complexity.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is solved by the features of the independent patent claims. Advantageous developments of the invention are characterized in the dependent claims.

Gemäß einem ersten und zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls. Das Akkumulatormodul weist eine Vielzahl an Akkumulatorzellen auf, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des Akkumulatormoduls. Der erste Anschluss des Akkumulatormoduls ist mit einem ersten Eingangsanschluss eines DC/DC-Wandlers und der zweite Anschluss des Akkumulatormoduls ist mit einem zweiten Eingangsanschluss des DC/DC-Wandlers elektrisch leitend verbunden. Zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen sind mit zumindest einem ihrer Pole jeweils über eine elektrisch leitende Verbindung, die einen Schalter zur Unterbrechung der Verbindung aufweist, mit einem Ausgang des DC/DC-Wandlers verbindbar.According to a first and second aspect, the invention is characterized by a method and a corresponding device for balancing battery cells of a battery module. The accumulator module has a multiplicity of accumulator cells which are connected in series between a first connection and a second connection of the accumulator module. The first connection of the accumulator module is electrically conductively connected to a first input connection of a DC/DC converter and the second connection of the accumulator module is electrically conductively connected to a second input connection of the DC/DC converter. At least some of the battery cells can be connected to an output of the DC/DC converter with at least one of their poles via an electrically conductive connection that has a switch for interrupting the connection.

Hierbei umfasst das Verfahren die im Folgenden angeführten Schritte, wobei die Reihenfolge der einzelnen Schritte zumindest teilweise vertauscht oder die Schritte zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden können.In this case, the method comprises the steps listed below, in which case the order of the individual steps can be at least partially interchanged or the steps can be carried out at least partially simultaneously.

In einem Schritt a) wird eine Akkumulatorzelle des zumindest einen Teils an Akkumulatorzellen mit einer schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung ausgewählt.In a step a), a battery cell of the at least one part of battery cells with a switchable electrically conductive connection is selected.

In einem Schritt b) wird die schaltbare elektrisch leitende Verbindung der ausgewählten Akkumulatorzelle leitend geschalten und die anderen schaltbaren elektrischen Verbindungen werden unterbrochen, so dass ein Pol der ausgewählten Akkumulatorzelle, der mit der schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung verbunden ist, einen Zwischenknoten bildet, der mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers verbunden ist und der so die Vielzahl an Akkumulatorzellen in eine erste Untergruppe an Akkumulatorzellen, die zwischen dem Zwischenknoten und dem ersten Anschluss in Serie geschaltet sind, und eine zweite Untergruppe an Akkumulatorzellen, die zwischen dem Zwischenknoten und dem zweiten Anschluss in Serie geschaltet sind, unterteilt. Eine Zuverlässigkeit kann erhöht werden, wenn zunächst alle schaltbaren elektrischen Verbindungen unterbrochen werden und dann die schaltbare elektrisch leitende Verbindung der ausgewählten Akkumulatorzelle leitend geschaltet wird.In a step b), the switchable electrically conductive connection of the selected battery cell is switched on and the other switchable electrical connections are interrupted, so that a pole of the selected battery cell that is connected to the switchable electrically conductive connection forms an intermediate node that is connected to the output of the DC/DC converter and thus dividing the plurality of battery cells into a first sub-group of battery cells connected in series between the intermediate node and the first terminal and a second sub-group of battery cells connected in series between the intermediate node and the second Connection are connected in series divided. Reliability can be increased if all switchable electrical connections are first interrupted and then the switchable electrically conductive connection of the selected battery cell is switched on.

In einem Schritt c) wird eine Stromrichtung eines Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers in den Zwischenknoten abhängig von einem Ladezustand oder einer Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle konfiguriert. Hierfür wird insbesondere ein Ladezustand oder eine Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle verglichen mit einem Ladezustand beziehungsweise einer Zellspannung einer Akkumulatorzelle, die benachbart zu der ausgewählten Akkumulatorzelle und in der anderen Untergruppe als die ausgewählte Akkumulatorzelle angeordnet ist. Vorzugsweise wird ein Ladezustand oder eine Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle verglichen mit einem Ladezustand beziehungsweise einer Zellspannung einer Akkumulatorzelle, die unmittelbar benachbart zu der ausgewählten Akkumulatorzelle angeordnet ist. Wenn die ausgewählte Akkumulatorzelle einen höheren Ladezustand beziehungsweise eine höhere Zellspannung aufweist als die benachbarte Akkumulatorzelle, wird der DC/DC-Wandler so konfiguriert, dass ein vorgegebener Strom in den Ausgang des DC/DC-Wandlers fließt, und wenn die ausgewählte Akkumulatorzelle einen niedrigeren Ladezustand beziehungsweise eine niedrigere Zellspannung aufweist, wird der DC/DC-Wandler so konfiguriert, dass ein vorgegebener Strom aus dem Ausgang des DC/DC-Wandlers herausfließt.In a step c), a current direction of an output current of the DC/DC converter in the intermediate node is configured depending on a state of charge or a cell voltage of the selected battery cell. For this purpose, in particular a state of charge or a cell voltage of the selected battery cell is compared with a state of charge or a cell voltage of a battery cell which is arranged adjacent to the selected battery cell and in the other subgroup than the selected battery cell. A state of charge or a cell voltage of the selected accumulator cell is preferably compared with a state of charge or a cell voltage of an accumulator cell which is arranged directly adjacent to the selected accumulator cell. If the selected battery cell has a has a higher state of charge or a higher cell voltage than the neighboring battery cell, the DC/DC converter is configured in such a way that a specified current flows into the output of the DC/DC converter and if the selected battery cell has a lower state of charge or a lower cell voltage , the DC/DC converter is configured so that a predetermined current flows out of the output of the DC/DC converter.

In einen Schritt d) wird, sobald der Ladezustand oder die Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle eine vorgegebene Bedingung erfüllt, der Schalter der elektrisch leitenden Verbindung der ausgewählten Akkumulatorzelle geöffnet. Hierbei wird insbesondere, wenn ein Differenzbetrag zwischen dem Ladezustand oder der Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle und dem Ladezustand beziehungsweise der Zellspannung der benachbarten Zelle einen vorgegeben Schwellwert unterschreitet, der Schalter der elektrisch leitenden Verbindung der ausgewählten Akkumulatorzelle geöffnet.In a step d), as soon as the state of charge or the cell voltage of the selected battery cell meets a predetermined condition, the switch of the electrically conductive connection of the selected battery cell is opened. In particular, when the difference between the state of charge or the cell voltage of the selected accumulator cell and the state of charge or the cell voltage of the adjacent cell falls below a predetermined threshold value, the switch of the electrically conductive connection of the selected accumulator cell is opened.

Die Schritte a) bis d) werden
für zumindest eine weitere Akkumulatorzelle des verbleibenden Teils an Akkumulatorzellen, die eine schaltbaren elektrisch leitende Verbindung aufweisen, ebenfalls ausgeführt.Steps a) to d) are
for at least one further accumulator cell of the remaining part of accumulator cells which have a switchable electrically conductive connection.

Die Akkumulatorzellen des Akkumulatormoduls werden somit jeweils in zwei Untergruppen beziehungsweise Blöcke unterteilt. Insofern der zweite Anschluss des Akkumulatormoduls dem Minuspol entspricht, wird Energie von der zweiten Untergruppe in das gesamte Akkumulatormodul transferiert. Der Transfer der Energie kann hierbei bidirektional erfolgen, d. h. es wird von der zweiten Untergruppe Energie an das gesamte Akkumulatormodul abgegeben oder es wird von dem gesamten Akkumulatormodul Energie an die zweite Untergruppe abgeben. Die erste Untergruppe und die zweite Untergruppe können hierdurch zumindest teilweise symmetriert werden.The accumulator cells of the accumulator module are thus each divided into two subgroups or blocks. Insofar as the second connection of the accumulator module corresponds to the negative pole, energy is transferred from the second subgroup to the entire accumulator module. The energy can be transferred bidirectionally, i. H. energy is delivered from the second subgroup to the entire accumulator module or energy is delivered from the entire accumulator module to the second subgroup. As a result, the first subgroup and the second subgroup can be at least partially balanced.

Die Zusammenfassung der Akkumulatorzellen zu jeweiligen Untergruppen, die geladen oder entladen werden, hat den Vorteil, dass weniger Komponenten, wie zum Beispiel Schalter, Induktivitäten und/oder pulsweitenmodulierte Leitungen, benötigt werden und damit die Hardwarekosten gesenkt werden können.The combination of the accumulator cells into respective subgroups that are charged or discharged has the advantage that fewer components, such as switches, inductances and/or pulse width modulated lines, are required and the hardware costs can therefore be reduced.

Vorzugsweise ist die Vielzahl von Akkumulatorzellen gleich einer Anzahl N an Akkumulatorzellen, wobei N eine ganze Zahl und N ≥ 4 ist. Vorzugsweise werden die Akkumulatorzellen so ausgewählt und weist das Akkumulatormodul eine ausreichende Anzahl von schaltbaren elektrisch leitenden Verbindungen auf, die so angeordnet sind, dass, wenn das Verfahren durchgeführt wird, zumindest für eine ausgewählte Akkumulatorzelle, für die die Schritte a) bis d) durchgeführt wird, die erste Untergruppe und die zweite Untergruppe jeweils zumindest zwei Akkumulatorzellen aufweisen.Preferably, the plurality of battery cells is equal to a number N of battery cells, where N is an integer and N≧4. The accumulator cells are preferably selected and the accumulator module has a sufficient number of switchable electrically conductive connections which are arranged such that when the method is carried out, at least for a selected accumulator cell for which steps a) to d) are carried out , the first subgroup and the second subgroup each have at least two battery cells.

In wenigstens einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt ist der DC/DC-Wandler als Zweiquadranten-DC/DC-Wandler ausgebildet. Der DC/DC-Wandler kann somit an seinem Ausgang Energie abgeben und Energie aufnehmen.In at least one advantageous embodiment according to the first and second aspect, the DC/DC converter is designed as a two-quadrant DC/DC converter. The DC/DC converter can thus emit and absorb energy at its output.

In wenigstens einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt wird in dem Schritt a) die Akkumulatorzelle nach einer vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt. Dies ermöglicht einen sehr einfachen Algorithmus.In at least one advantageous embodiment according to the first and second aspect, the accumulator cell is selected according to a predetermined sequence in step a). This allows for a very simple algorithm.

In wenigstens einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt wird die Akkumulatorzelle abhängig von einem Ladezustand und/oder einer Zellspannung einer vorgegebenen Untermenge der Vielzahl an Akkumulatorzellen ausgewählt. Insbesondere kann die Akkumulatorzelle abhängig von einem mittleren Ladezustand und/oder einer mittleren Zellspannung einer vorgegebenen Untermenge der Vielzahl an Akkumulatorzellen ausgewählt werden. Dies hat den Vorteil, dass je nach Ladungsverteilung die Symmetrierungsdauer reduziert werden kann.In at least one advantageous embodiment according to the first and second aspect, the battery cell is selected depending on a state of charge and/or a cell voltage of a predetermined subset of the plurality of battery cells. In particular, the accumulator cell can be selected depending on an average state of charge and/or an average cell voltage of a predefined subset of the multiplicity of accumulator cells. This has the advantage that, depending on the charge distribution, the balancing time can be reduced.

In wenigstens einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt weist das Akkumulatormodul in Summe N Akkumulatorzellen auf von denen N-1 Akkumulatorzellen über ihren positiven Pol an die schaltbare elektrisch leitende Verbindung angebunden sind und die Schritte a) bis d) werden für diese N-1 Akkumulatorzellen ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass das Akkumulatormodul vollständig symmetriert werden kann, aber gleichzeitig gegenüber einer jeweiligen Einzelakkumulatorzellladung oder -entladung der Schaltungsaufwand reduziert werden kann.In at least one advantageous embodiment according to the first and second aspect, the accumulator module has a total of N accumulator cells, of which N-1 accumulator cells are connected to the switchable electrically conductive connection via their positive pole, and steps a) to d) are carried out for these N 1 accumulator cells running. This has the advantage that the accumulator module can be completely balanced, but at the same time the circuit complexity can be reduced compared to a respective individual accumulator cell charging or discharging.

Gemäß einem dritten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Akkumulatorsystem. Das Akkumulatorsystem umfasst ein Akkumulatormodul, einen DC/DC-Wandler und eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt. Das Akkumulatormodul weist eine Vielzahl von Akkumulatorzellen auf, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des Akkumulatormoduls. Der erste Anschluss des Akkumulatormoduls ist mit einem ersten Eingangsanschluss des DC/DC-Wandlers und der zweite Anschluss des Akkumulatormoduls mit einem zweiten Eingangsanschluss des DC/DC-Wandlers elektrisch verbunden. Zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen sind mit zumindest einem ihrer Pole jeweils über eine elektrisch leitende Verbindung, die einen Schalter zur Unterbrechung der Verbindung aufweist, mit einem Ausgang des DC/DC-Wandlers verbindbar.According to a third aspect, the invention is characterized by an accumulator system. The accumulator system comprises an accumulator module, a DC/DC converter and a device according to the second aspect. The accumulator module has a multiplicity of accumulator cells which are connected in series between a first connection and a second connection of the accumulator module. The first connection of the accumulator module is electrically connected to a first input connection of the DC/DC converter and the second connection of the accumulator module is electrically connected to a second input connection of the DC/DC converter. At least part of the accumulator cell len can be connected to an output of the DC/DC converter with at least one of their poles via an electrically conductive connection that has a switch for interrupting the connection.

Gemäß einem vierten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm Anweisungen umfasst, die, wenn das Computerprogramm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer dazu veranlassen das Verfahren zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls gemäß dem ersten Aspekt durchzuführen.According to a fourth aspect, the invention is characterized by a computer program, the computer program comprising instructions which, when the computer program is executed by a computer, cause the computer to carry out the method for balancing accumulator cells of an accumulator module according to the first aspect.

Gemäß einem fünften Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gemäß dem vierten Aspekt gespeichert ist.According to a fifth aspect, the invention is distinguished by a computer-readable storage medium on which the computer program according to the fourth aspect is stored.

Optionale Ausgestaltungen des ersten Aspekts können auch entsprechend bei den weiteren Aspekten vorhanden sein und entsprechende Wirkungen aufweisen.Optional configurations of the first aspect can also be present correspondingly in the further aspects and have corresponding effects.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren werden für Elemente mit im Wesentlichen gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet, diese Elemente müssen jedoch nicht in allen Einzelheiten identisch sein.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the schematic drawings. In the figures, the same reference numbers are used for elements with essentially the same function, but these elements do not have to be identical in all details.

Die Figuren zeigen:

  • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Akkumulatorsystems 1,
  • 2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein Programm zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls,
  • 3a ein erstes beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul,
  • 3b zugehörig zu dem in 3a gezeigten Ladezustandsdiagramm, welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils leitend geschalten ist,
  • 3c zugehörig zu dem in 3a gezeigten Ladezustandsdiagramm einen zeitlichen Verlauf einer Ausgangs-Stromrichtung eines Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers,
  • 4a ein zweites beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul,
  • 4b zugehörig zu dem in 4a gezeigten Ladezustandsdiagramm, welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils leitend geschalten ist,
  • 4c zugehörig zu dem in 4a gezeigten Ladezustandsdiagramm einen zeitlichen Verlauf der Ausgangs-Stromrichtung des Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers,
  • 5a ein drittes beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul,
  • 5b zugehörig zu dem in 5a gezeigten Ladezustandsdiagramm, welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils leitend geschalten ist, und
  • 5c zugehörig zu dem in 5a gezeigten Ladezustandsdiagramm einen zeitlichen Verlauf einer Ausgangs-Stromrichtung des Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers.
The figures show:
  • 1 a schematic block diagram of an accumulator system 1,
  • 2 an exemplary flowchart for a program for balancing battery cells of a battery module,
  • 3a a first exemplary state of charge diagram for a battery module,
  • 3b belonging to the in 3a State of charge diagram shown, which switchable electrical connection is switched to be conductive in each case,
  • 3c belonging to the in 3a State of charge diagram shown shows a time course of an output current direction of an output current of the DC/DC converter,
  • 4a a second exemplary state of charge diagram for a battery module,
  • 4b belonging to the in 4a State of charge diagram shown, which switchable electrical connection is switched to be conductive in each case,
  • 4c belonging to the in 4a The state of charge diagram shown shows a time course of the output current direction of the output current of the DC/DC converter,
  • 5a a third exemplary state of charge diagram for an accumulator module,
  • 5b belonging to the in 5a State of charge diagram shown, which switchable electrical connection is switched to be conductive in each case, and
  • 5c belonging to the in 5a State of charge diagram shown a time course of an output current direction of the output current of the DC / DC converter.

1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Akkumulatorsystems 1 gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung. 1 shows a schematic block diagram of a battery system 1 according to an exemplary embodiment of the invention.

Das Akkumulatorsystem 1 weist ein Akkumulatormodul 3, einen DC/DC-Wandler 5, eine Schalteinheit 7 und eine Steuereinheit 9 auf.The accumulator system 1 has an accumulator module 3 , a DC/DC converter 5 , a switching unit 7 and a control unit 9 .

Das Akkumulatormodul 3 ist beispielsweise eine Batterie eines Hybridfahrzeugs. Das Akkumulatormodul 3 weist eine Vielzahl von Akkumulatorzellen EZ auf, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss TPLUS und einem zweiten Anschluss TMINUS des Akkumulatormoduls 3. Vorzugsweise weist das Akkumulatormodul 3 zumindest vier Akkumulatorzellen EZ auf. Die einzelnen Spannungen der in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen EZ addieren sich zu einer Summenspannung, die zwischen dem ersten Anschluss TPLUS und dem zweiten Anschluss TMINUS anliegt.The accumulator module 3 is a battery of a hybrid vehicle, for example. The accumulator module 3 has a multiplicity of accumulator cells EZ, which are connected in series between a first connection TPLUS and a second connection TMINUS of the accumulator module 3. The accumulator module 3 preferably has at least four accumulator cells EZ. The individual voltages of the battery cells EZ connected in series add up to form a total voltage which is present between the first connection TPLUS and the second connection TMINUS.

Der DC/DC-Wandler 5 ist parallel geschaltet zu der Vielzahl der Akkumulatorzellen EZ des Akkumulatormoduls 3. Der erste Anschluss TPLUS des Akkumulatormoduls 3 ist mit einem ersten Eingangsanschluss TE des DC/DC-Wandlers 5 elektrisch leitend verbunden und der zweite Anschluss TMINUS des Akkumulatormoduls 3 ist mit einem zweiten Eingangsanschluss TEg des DC/DC-Wandlers 5 elektrisch verbunden.The DC/DC converter 5 is connected in parallel to the plurality of battery cells EZ of the battery module 3. The first connection TPLUS of the battery module 3 is electrically conductively connected to a first input connection TE of the DC/DC converter 5 and the second connection TMINUS of the battery module 3 is electrically connected to a second input terminal TEg of the DC/DC converter 5 .

Die Schalteinheit 7 stellt schaltbare elektrisch leitende Verbindungen CS zwischen dem Akkumulatormodul 3 und dem DC/DC-Wandler 5 bereit, so dass zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen EZ über eine schaltbare elektrisch leitende Verbindung CS mit dem Ausgang TA des DC/DC-Wandlers 5 verbindbar sind. Die schaltbaren Verbindungen CS weisen jeweils einen Schalter auf, der direkt oder indirekt von der Steuereinheit 9 angesteuert werden kann.The switching unit 7 provides switchable electrically conductive connections CS between the accumulator module 3 and the DC/DC converter 5, so that at least some of the accumulator cells EZ can be connected to the output TA of the DC/DC converter 5 via a switchable electrically conductive connection CS are. The switchable connections CS each have a switch that can be controlled directly or indirectly by the control unit 9 .

Das Akkumulatormodul 3 weist in Summe beispielsweise N Akkumulatorzellen EZ auf, von denen beispielsweise N-1 Akkumulatorzellen EZ über ihren positiven Pol an solch eine schaltbare elektrisch leitende Verbindung CS angebunden sind.The accumulator module 3 has a total of, for example, N accumulator cells EZ, of which, for example, N-1 accumulator cells EZ are connected via their positive pole to such a switchable electrically conductive connection CS.

Der DC/DC-Wandler 5 ist vorzugsweise als Zweiquadranten-DC/DC-Wandler ausgebildet und kann somit in zwei Quadranten betrieben werden. Der DC/DC-Wandler 5 ist vorzugsweise ausgebildet Energie von seiner Eingangsseite auf seine Ausgangsseite zu übertragen und umgekehrt. Der DC/DC-Wandler 5 ermöglicht somit einen bidirekionalen Energiefluss.The DC/DC converter 5 is preferably designed as a two-quadrant DC/DC converter and can therefore be operated in two quadrants. The DC/DC converter 5 is preferably designed to transfer energy from its input side to its output side and vice versa. The DC/DC converter 5 thus enables a bidirectional flow of energy.

Durch Schließen des Schalters einer ausgewählten schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung CSi und Öffnen bzw. Offenhalten der Schalter der anderen schaltbaren elektrisch leitenden Verbindungen CS, bildet beispielsweise der positive Pol der zugehörigen Akkumulatorzelle EZi, der an die schaltbare elektrisch leitende Verbindung CSi mit geschlossenem Schalter angebunden ist, einen Zwischenknoten K, der mit dem Ausgang TA des DC/DC-Wandlers 5 verbunden ist und der die Vielzahl an Akkumulatorzellen EZ in eine erste Untergruppe G1 an Akkumulatorzellen EZ, die zwischen dem Zwischenknoten K und dem ersten Anschluss TPLUS in Serie geschaltet sind, und eine zweite Untergruppe G2 an Akkumulatorzellen EZ, die zwischen dem Zwischenknoten K und dem zweiten Anschluss TMINUS in Serie geschaltet sind, unterteilt.By closing the switch of a selected switchable electrically conductive connection CS i and opening or keeping the switch of the other switchable electrically conductive connections CS open, the positive pole of the associated accumulator cell EZ i forms, for example, which is connected to the switchable electrically conductive connection CSi with the switch closed is, an intermediate node K, which is connected to the output TA of the DC/DC converter 5 and which divides the plurality of battery cells EZ into a first subgroup G1 of battery cells EZ, which are connected in series between the intermediate node K and the first terminal TPLUS , and a second subgroup G2 of accumulator cells EZ, which are connected in series between the intermediate node K and the second terminal TMINUS.

Die Steuereinheit 9, die auch als Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen EZ eines Akkumulatormoduls 3 bezeichnet werden kann, ist insbesondere ausgebildet, die Schalterstellungen der Schalter der Schalteinheit 7 zu steuern.The control unit 9, which can also be referred to as a device for balancing battery cells EZ of a battery module 3, is designed in particular to control the switch positions of the switches of the switching unit 7.

Die Steuereinheit 9 ist beispielsweise zusätzlich mit dem DC/DC-Wandler 5 gekoppelt und ausgebildet, den DC/DC-Wandler 5 zu konfigurieren in Bezug auf einen Quadrantenbetrieb des DC/DC-Wandlers 5.The control unit 9 is, for example, additionally coupled to the DC/DC converter 5 and configured to configure the DC/DC converter 5 with regard to quadrant operation of the DC/DC converter 5.

Die spezielle Ankopplung der Akkumulatorzellen EZ an den DC/DC-Wandler 5 und der Zweiquadrantenbetrieb ermöglichen den Energietransfer, sowohl positiv als auch negativ, von einer Untergruppe G1, G2 von Akkumulatorzellen EZ zu sämtlichen Akkumulatorzellen EZ des Akkumulatormoduls 3.The special coupling of the accumulator cells EZ to the DC/DC converter 5 and the two-quadrant operation enable energy transfer, both positive and negative, from a subgroup G1, G2 of accumulator cells EZ to all accumulator cells EZ of the accumulator module 3.

2 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein Programm zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen EZ eines Akkumulatormoduls 3, wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist. 2 shows an exemplary flowchart for a program for balancing battery cells EZ of a battery module 3, as is shown, for example, in 1 is shown.

In einem Schritt S1 wird das Programm zunächst gestartet.In a step S1, the program is first started.

In einem Schritt S3 werden beispielsweise alle Schalter der schaltbaren elektrisch leitenden Verbindungen CS geöffnet, so dass keine der Akkumulatorzellen EZ mit dem Ausgang TA des DC/DC-Wandlers 5 elektrisch leitend verbunden ist. Zusätzlich kann in Schritt S3 eine Initialisierung von Programmvariablen erfolgen.In a step S3, for example, all the switches of the switchable electrically conductive connections CS are opened, so that none of the accumulator cells EZ is electrically conductively connected to the output TA of the DC/DC converter 5 . In addition, program variables can be initialized in step S3.

In einem Schritt S4 wird eine der Akkumulatorzellen EZi des Akkumulatormoduls 3 ausgewählt. Die Akkumulatorzelle EZi wird beispielsweise abhängig von einer vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt. Die Reihenfolge kann beispielsweise vorsehen, dass die Akkumulatorzellen EZ in Richtung erstem Anschluss TPLUS aufsteigend mit einem Indexwert versehen werden und die Akkumulatorzellen EZ nach aufsteigender Reihenfolge oder absteigender Reihenfolge der Indexwerte ausgewählt werden.In a step S4, one of the battery cells EZ i of the battery module 3 is selected. The accumulator cell EZ i is selected, for example, depending on a predetermined sequence. The sequence can provide, for example, that the accumulator cells EZ are provided with an index value in ascending order in the direction of the first connection TPLUS and the accumulator cells EZ are selected according to the ascending order or descending order of the index values.

In Schritt S4 wird beispielsweise eine Schleifenbearbeitung gestartet, so dass die Akkumulatorzellen EZ nach aufsteigender Reihenfolge ausgewählt werden. Dies ermöglicht eine sehr einfache Auswahl der Akkumulatorzellen EZ.In step S4, for example, loop processing is started so that the accumulator cells EZ are selected in ascending order. This enables a very simple selection of the accumulator cells EZ.

Alternativ oder zusätzlich kann die Akkumulatorzelle EZi abhängig von einem mittleren Ladezustand und/oder einer mittleren Zellspannung einer vorgegebenen Untermenge der N Akkumulatorzellen EZ ausgewählt werden. Die vorgegebene Menge kann jeweils die erste Untergruppe G1 oder zweite Untergruppen G2 sein, die sich für die ausgewählte Akkumulatorzelle EZi beim Schließen der zugeordneten schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung CS ergibt.Alternatively or additionally, the accumulator cell EZ i can be selected depending on an average state of charge and/or an average cell voltage of a predefined subset of the N accumulator cells EZ. The predetermined quantity can be the first subgroup G1 or second subgroup G2, which results for the selected battery cell EZ i when the associated switchable electrically conductive connection CS is closed.

In Schritt S5 wird beispielsweise ein Ladezustand der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi mit dem Ladzustand der unmittelbar benachbarten Akkumulatorzelle EZi+1, die in der anderen Untergruppe G1, G2 angeordnet ist, verglichen. Wenn der Differenzbetrag der Ladezustände einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird das Programm in einem Schritt S7 fortgesetzt, falls Differenzbetrag der Ladezustände den vorgegebenen Schwellwert nicht überschreitet, wird das Programm in dem Schritt S9 fortgesetzt.In step S5, for example, a state of charge of the selected accumulator cell EZ i is compared with the state of charge of the immediately adjacent accumulator cell EZ i+1 , which is arranged in the other subgroup G1, G2. If the difference between the states of charge exceeds a predetermined threshold value, the program continues in step S7; if the difference between the states of charge does not exceed the predetermined threshold value, the program continues in step S9.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, in dem Schritt S5 Zellspannungen zu vergleichen.Alternatively or additionally, it is possible to compare cell voltages in step S5.

Messwerte für die Ladzustände und/oder die Zellspannungen können beispielsweise von hierfür vorgesehene Messeinrichtungen erfasst und für die Steuereinheit 9 bereitgestellt werden.Measured values for the states of charge and/or the cell voltages can be recorded, for example, by measuring devices provided for this purpose and made available for the control unit 9 .

In dem Schritt S7 wird die Stromrichtung des Ausgangsstroms IA des DC/DC-Wandlers 5 in den Zwischenknoten K abhängig von dem Ladezustand SOC oder der Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi konfiguriert, insbesondere abhängig vom dem Vergleich des Ladezustands SOC beziehungsweise der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi mit dem Ladzustand der unmittelbar benachbarten Akkumulatorzelle EZi+1, die in der anderen Untergruppe angeordnet ist.In step S7, the current direction of the output current IA of the DC/DC converter 5 in the intermediate node K depends on the state of charge SOC or the cell voltage of the selected battery cell EZ i configured, in particular depending on the comparison of the state of charge SOC or the selected battery cell EZ i with the state of charge of the immediately adjacent battery cell EZ i + 1 , which is arranged in the other subgroup.

In dem Schritt S7 wird die Schalteinheit 7 so angesteuert, dass die schaltbare elektrisch leitende Verbindung CSi der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi leitend geschalten und die anderen schaltbaren elektrischen Verbindungen CS unterbrochen sind. Dies bewirkt, dass der Pol der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi, der mit der schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung CSi verbunden ist, einen Zwischenknoten K bildet, der mit dem Ausgang TA des DC/DC-Wandlers 5 verbunden ist und der so die Vielzahl an Akkumulatorzellen EZ in eine erste Untergruppe G1 an Akkumulatorzellen EZ, die zwischen dem Zwischenknoten K und dem ersten Anschluss TPLUS in Serie geschaltet sind, und eine zweite Untergruppe G2 an Akkumulatorzellen EZ, die zwischen dem Zwischenknoten K und dem zweiten Anschluss TMINUS in Serie geschaltet sind, unterteilt.In step S7, the switching unit 7 is controlled in such a way that the switchable electrically conductive connection CS i of the selected rechargeable battery cell EZ i is switched on and the other switchable electrical connections CS are interrupted. This causes the pole of the selected battery cell EZ i , which is connected to the switchable electrically conductive connection CS i , to form an intermediate node K, which is connected to the output TA of the DC/DC converter 5 and thus the multiplicity of battery cells EZ divided into a first subgroup G1 of battery cells EZ, which are connected in series between the intermediate node K and the first connection TPLUS, and a second subgroup G2 of battery cells EZ, which are connected in series between the intermediate node K and the second connection TMINUS .

Das Programm wird in dem Schritt S5 fortgesetzt. Dies bedeutet, dass der Schaltzustand so lange gehalten wird, bis sich der Ladezustand SOC der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi mit dem Ladzustand der benachbarten Akkumulatorzelle EZi+1, die in der anderen Untergruppe G1, G2 angeordnet ist, angeglichen hat.The program continues in step S5. This means that the switching state is maintained until the state of charge SOC of the selected battery cell EZ i has adjusted to the state of charge of the neighboring battery cell EZ i+1 that is arranged in the other subgroup G1, G2.

Wenn sich die Ladezustände angeglichen haben, wird das Programm im Schritt S9 fortgesetzt. In dem Schritt S9 wird die Schalteinheit 7 so angesteuert, dass sämtliche Schalter der schaltbaren elektrisch leitenden Verbindungen CS geöffnet sind, und die Prozedur wird im Schritt S5 für eine weitere Akkumulatorzelle EZ fortgesetzt. Das Programm wird in einem Schritt S11 beendet, vorzugsweise wenn alle Akkumulatorzellen EZ symmetriert sind. Hierzu kann die Prozedur für eine oder mehrere Akkumulatorzellen EZ auch mehrmals durchlaufen werden. Solch eine Abfrage kann beispielsweise in Schritt S10 erfolgen.When the states of charge have equalized, the program continues in step S9. In step S9, the switching unit 7 is activated in such a way that all switches of the switchable electrically conductive connections CS are open, and the procedure is continued in step S5 for a further accumulator cell EZ. The program is ended in a step S11, preferably when all battery cells EZ are balanced. For this purpose, the procedure for one or more accumulator cells EZ can also be run through several times. Such a query can be made in step S10, for example.

3a zeigt ein beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul 3 mit acht Akkumulatorzellen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren symmetriert werden. Die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ8 sind hierbei aufeinanderfolgend in einer Reihe angeordnet und werden der Reihe nach von EZ1 bis EZ7 symmetriert. Den jeweiligen Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ7 sind jeweils die elektrisch leitenden Verbindungen CS1 bis CS7 eins zu eins zu geordnet, d. h. die Akkumulatorzelle EZ1 wird über die elektrisch leitenden Verbindungen CS1 an den Ausgang des DC/DC-Wandlers angeschlossen. 3a shows an exemplary state of charge diagram for a battery module 3 with eight battery cells, which are balanced according to the method according to the invention. The accumulator cells EZ1 to EZ8 are in this case arranged consecutively in a row and are balanced in sequence from EZ1 to EZ7. The respective battery cells EZ1 to EZ7 are assigned one-to-one with the electrically conductive connections CS1 to CS7, ie the battery cell EZ1 is connected to the output of the DC/DC converter via the electrically conductive connections CS1.

In einem ersten Schritt wird die Akkumulatorzelle EZ1 ausgewählt. Da der Ladezustand SOC der Akkumulatorzelle EZ1 geringer ist als der Ladezustand SOC der Akkumulatorzelle EZ2, wird die Akkumulatorzelle EZ1 geladen und die Akkumulatorzellen EZ2 bis EZ8 entladen. Die Akkumulatorzelle EZ1 wird solange geladen, bis sie den gleichen Ladezustand SOC wie die Akkumulatorzelle EZ2 aufweist.In a first step, the accumulator cell EZ1 is selected. Since the state of charge SOC of the accumulator cell EZ1 is lower than the state of charge SOC of the accumulator cell EZ2, the accumulator cell EZ1 is charged and the accumulator cells EZ2 to EZ8 are discharged. The accumulator cell EZ1 is charged until it has the same state of charge SOC as the accumulator cell EZ2.

In einem weiteren Schritt wird eine weitere Akkumulatorzelle hinzugenommen durch Schließen der elektrisch schaltbaren Verbindung CS2 und Öffnen der elektrisch schaltbaren Verbindungen CS1 und Offenhalten von CS3 bis CS7, so dass dann die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 entladen und die Akkumulatorzellen EZ3 bis EZ8 geladen werden. Da die Akkumulatorzelle EZ3 einen geringeren Ladzustand als die Akkumulatorzelle EZ2 aufweist, werden die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 entladen. Da die Akkumulatorzelle EZ1 zu dem Zeitpunkt den gleichen Ladezustand SOC aufweist wie die Akkumulatorzelle EZ2 und in der gleichen Untergruppe G1, G2 angeordnet ist, wird die Akkumulatorzelle EZ1 ebenfalls entladen.In a further step, another battery cell is added by closing the electrically switchable connection CS2 and opening the electrically switchable connection CS1 and keeping CS3 to CS7 open, so that the battery cells EZ1 and EZ2 are then discharged and the battery cells EZ3 to EZ8 are charged. Since the battery cell EZ3 has a lower state of charge than the battery cell EZ2, the battery cells EZ1 and EZ2 are discharged. Since the battery cell EZ1 has the same state of charge SOC as the battery cell EZ2 at the time and is arranged in the same subgroup G1, G2, the battery cell EZ1 is also discharged.

Hierbei fließt durch die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 ein „Entladestrom“ von der Akkumulatorzelle EZ1 in Richtung zur Akkumulatorzelle EZ2. Durch die Akkumulatorzellen EZ3 bis EZ8 fließt ein „Ladestrom“ durch die Akkumulatorzelle EZ8 in Richtung zur Akkumulatorzelle EZ3. Die beiden Ströme addieren sich im Zwischenknoten K und fließen dann in Richtung des Ausgangs TA des DC/DC-Wandlers.In this case, a “discharge current” flows through the accumulator cells EZ1 and EZ2 from the accumulator cell EZ1 in the direction of the accumulator cell EZ2. A “charging current” flows through the accumulator cells EZ3 to EZ8 through the accumulator cell EZ8 in the direction of the accumulator cell EZ3. The two currents add up in the intermediate node K and then flow in the direction of the output TA of the DC/DC converter.

Die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 werden gemeinsam solange entladen bis sie den gleichen Ladezustand SOC wie die Akkumulatorzelle EZ3 aufweisen.The accumulator cells EZ1 and EZ2 are discharged together until they have the same state of charge SOC as the accumulator cell EZ3.

Im nächsten Schritt wird die Akkumulatorzelle EZ3 hinzugenommen und die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ3 werden gemeinsam aufgeladen (SOC(EZ3) < SOC(EZ4)), bis sie den Ladezustand SOC der Akkumulatorzelle EZ4 aufweisen. In the next step, the accumulator cell EZ3 is added and the accumulator cells EZ1 to EZ3 are charged together (SOC(EZ3)<SOC(EZ4)) until they have the charge state SOC of the accumulator cell EZ4.

Die Akkumulatorzellen EZ4 bis EZ8 werden in der gleichen Zeit gemeinsam entladen.
Anschließend wird die Akkumulatorzelle EZ4 hinzugenommen und die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ4 werden so lange gemeinsam aufgeladen, bis sie den Ladezustand SOC der Akkumulatorzelle EZ5 erreicht haben (SOC(EZ4) < SOC (EZ5)). Die Akkumulatorzellen EZ5 bis EZ8 werden in der gleichen Zeit gemeinsam entladen.The accumulator cells EZ4 to EZ8 are discharged together at the same time.
The accumulator cell EZ4 is then added and the accumulator cells EZ1 to EZ4 are charged together until they have reached the state of charge SOC of the accumulator cell EZ5 (SOC(EZ4)<SOC(EZ5)). The accumulator cells EZ5 to EZ8 are discharged together at the same time.

Die Prozedur wurde bis zur Akkumulatorzelle EZ7 beziehungsweise bis zur schaltbaren elektrischen Verbindung CS7 fortgesetzt, so dass sich der Ladezustand SOC von allen acht Akkumulatorzellen EZ angleicht.The procedure was continued up to the accumulator cell EZ7 or up to the switchable electrical connection CS7, so that the state of charge SOC of all eight accumulator cells EZ is equalized.

3b zeigt über die Zeit welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils verbunden ist mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers. In y-Richtung ist der Index der schaltbaren elektrischen Verbindungen aufgetragen. Es werden nacheinander die schaltbaren elektrische Verbindung CS1 bis CS7 geschlossen. 3b shows over time which switchable electrical connection is connected to the output of the DC/DC converter. The index of the switchable electrical connections is plotted in the y-direction. The switchable electrical connections CS1 to CS7 are closed one after the other.

3c zeigt einen zugehörigen zeitlichen Verlauf einer Ausgangs-Stromrichtung des Ausgangsstroms IA des DC/DC-Wandlers. Im ersten Schritt wird die Akkumulatorzelle EZ1 entladen. Es fließt ein positiver Ausgangsstrom IA, d.h. es fließt ein Strom aus dem Ausgang des DC/DC-Wandlers heraus. Im zweiten Schritt werden die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 entladen. Die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 geben somit Energie an das gesamte Akkumulatormodul ab. Der Ausgangstrom des DC/DC-Wandlers ist somit negativ, d. h. es fließt ein Strom in den DC/DC-Wandler. 3c shows an associated time course of an output current direction of the output current IA of the DC/DC converter. In the first step, the accumulator cell EZ1 is discharged. A positive output current IA flows, ie a current flows out of the output of the DC/DC converter. In the second step, the accumulator cells EZ1 and EZ2 are discharged. The accumulator cells EZ1 and EZ2 thus deliver energy to the entire accumulator module. The output current of the DC/DC converter is therefore negative, ie a current flows into the DC/DC converter.

4a zeigt ein beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul 3 mit acht Akkumulatorzellen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren symmetriert wurden. Die Akkumulatorzellen 1 bis 8 werden im Vergleich zu 3a in umgekehrter Reihenfolg von 8 bis 1 symmetriert. 4a shows an exemplary state of charge diagram for a battery module 3 with eight battery cells that have been balanced according to the method according to the invention. The accumulator cells 1 to 8 are compared to 3a balanced in reverse order from 8 to 1.

4b zeigt über die Zeit welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils verbunden ist mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers. Es werden nacheinander die schaltbaren elektrische Verbindung CS7 bis CS1 geschlossen. 4b shows over time which switchable electrical connection is connected to the output of the DC/DC converter. The switchable electrical connections CS7 to CS1 are closed one after the other.

4c zeigt den zugehörigen zeitlichen Verlauf einer Ausgangs-Stromrichtung des Ausgangsstroms IA des DC/DC-Wandlers. Im ersten Schritt wird die Akkumulatorzelle EZ8 entladen. Die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ7 werden geladen. Es fließt ein positiver Ausgangsstrom IA, d.h. es fließt ein Strom aus dem Ausgang des DC/DC-Wandlers über die elektrisch leitende Verbindung CS7 heraus. Im zweiten Schritt werden die Akkumulatorzellen EZ8 und EZ7 geladen. Die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ6 werden entladen. Die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ6 geben somit Energie an das gesamte Akkumulatormodul ab. Der Ausgangstrom des DC/DC-Wandlers ist somit negativ, d. h. es fließt ein Strom in DC/DC-Wandler. 4c shows the associated time course of an output current direction of the output current IA of the DC/DC converter. In the first step, the EZ8 battery cell is discharged. The accumulator cells EZ1 to EZ7 are charged. A positive output current IA flows, ie a current flows out of the output of the DC/DC converter via the electrically conductive connection CS7. In the second step, the accumulator cells EZ8 and EZ7 are charged. The accumulator cells EZ1 to EZ6 are discharged. The accumulator cells EZ1 to EZ6 thus deliver energy to the entire accumulator module. The output current of the DC/DC converter is therefore negative, ie a current flows into the DC/DC converter.

5a zeigt ein weiteres beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul 3 mit acht Akkumulatorzellen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren symmetriert werden. Die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ8 werden in einer kombinierten Weise, wie sie in den 4 und 5 gezeigt wird, symmetriert. 5a shows another exemplary state of charge diagram for a battery module 3 with eight battery cells, which are balanced according to the method according to the invention. The accumulator cells EZ1 to EZ8 are combined in a manner as shown in FIGS 4 and 5 is shown, symmetrical.

In einem ersten Schritt erfolgt die Auswahl der Akkumulatorzelle, mit der gestartet wird, abhängig von jeweiligen Ladezuständen verschiedener Zellen. Es wird beispielsweise, wenn die Differenz |SOC(EZ8)-SOC(EZ7)| > |SOC(EZ1 )-SOC(EZ2)| ist die Richtung 8 -> 1 ausgewählt, ansonsten die Richtung 1 -> 8. D.h. in 5a ist zunächst die elektrisch leitende Verbindung CS7 geschlossen (siehe 5c) und damit wird die Akkumulatorzelle EZ8 entladen und die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ7 geladen. In einem nächsten Schritt ist die die elektrisch leitende Verbindung CS1 geschlossen und damit wird die Akkumulatorzelle EZ1 geladen und die Akkumulatorzellen EZ2 bis EZ8 entladenIn a first step, the accumulator cell with which to start is selected, depending on the charge status of different cells. For example, when the difference |SOC(EZ8)-SOC(EZ7)| > |SOC(EZ1 )-SOC(EZ2)| the direction 8 -> 1 is selected, otherwise the direction 1 -> 8. Ie in 5a the electrically conductive connection CS7 is closed first (see 5c ) and thus the accumulator cell EZ8 is discharged and the accumulator cells EZ1 to EZ7 are charged. In a next step, the electrically conductive connection CS1 is closed and the battery cell EZ1 is thus charged and the battery cells EZ2 to EZ8 are discharged

Im dritten Schritt ist erneut die elektrisch leitende Verbindung CS7 geschlossen (siehe 5c) und damit wird die Akkumulatorzelle EZ8 erneut entladen. Im Anschluss daran erfolgt die Ladezustandsanpassung wie in 3a beschrieben. Für die Richtungsumschaltung wird eine Hysterese-Funktion genutzt, um häufiges hin- und herschalten zu vermeiden. Mit der in 5a genutzten Auswahlmethoden der Akkumulatorzellen EZ kann wesentlich schneller zumindest eine verbesserte Symmetrierung der Akkumulatorzellen EZ erreicht werden.In the third step, the electrically conductive connection CS7 is closed again (see 5c ) and thus the accumulator cell EZ8 is discharged again. The state of charge is then adjusted as in 3a described. A hysteresis function is used for the change of direction in order to avoid frequent switching back and forth. with the inside 5a At least improved balancing of the accumulator cells EZ can be achieved much more quickly using the selection methods used for the accumulator cells EZ.

5b zeigt über die Zeit welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils verbunden ist mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers.. 5b shows over time which switchable electrical connection is connected to the output of the DC/DC converter.

5c zeigt den zugehörigen zeitlichen Verlauf einer Ausgangs-Stromrichtung des Ausgangsstroms IA des DC/DC-Wandlers. 5c shows the associated time course of an output current direction of the output current IA of the DC/DC converter.

Claims (9)

Verfahren zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen (EZ) eines Akkumulatormoduls (3), wobei - das Akkumulatormodul (3) eine Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ) aufweist, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss (TPLUS) und einem zweiten Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3), - der erste Anschluss (TPLUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem ersten Eingangsanschluss (TE) eines DC/DC-Wandlers (5) und der zweite Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem zweiten Eingangsanschluss (TEg) des DC/DC-Wandlers (5) elektrisch leitend verbunden sind, - zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen (EZ) mit zumindest einem ihrer Pole jeweils über eine elektrisch leitende Verbindung (CS), die einen Schalter zur Unterbrechung der Verbindung aufweist, mit einem Ausgang (TA) des DC/DC-Wandlers (5) verbindbar sind, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) eine Akkumulatorzelle (EZi) des zumindest einen Teils an Akkumulatorzellen (EZ) mit einer schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung (CS) wird ausgewählt, b) die schaltbare elektrisch leitende Verbindung (CSi) der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi) wird leitend geschalten und die anderen schaltbaren elektrischen Verbindungen (CS) werden unterbrochen, so dass ein Pol der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi), der mit der schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung (CSi) verbunden ist, einen Zwischenknoten (K) bildet, der mit dem Ausgang (TA) des DC/DC-Wandlers (5) verbunden ist und der so die Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ) in eine erste Untergruppe (G1) an Akkumulatorzellen (EZ), die zwischen dem Zwischenknoten (K) und dem ersten Anschluss (TPLUS) in Serie geschaltet sind, und eine zweite Untergruppe (G2) an Akkumulatorzellen (EZ), die zwischen dem Zwischenknoten (K) und dem zweiten Anschluss (TMINUS) in Serie geschaltet sind, unterteilt, c) eine Stromrichtung eines Ausgangsstroms (IA) des DC/DC-Wandlers (5) in den Zwischenknoten (K) wird abhängig von einem Ladezustand (SOC) oder einer Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi) konfiguriert, d) wenn der Ladezustand (SOC) oder die Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi) eine vorgegebene Bedingung erfüllt, wird der Schalter der elektrisch leitenden Verbindung (CSi) der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi) geöffnet, wobei für zumindest eine weitere Akkumulatorzelle (EZ) des verbleibenden Teils an Akkumulatorzellen (EZ), die eine schaltbaren elektrisch leitende Verbindung (CS) aufweisen, die Schritte a) bis d) durchgeführt werden.Method for balancing accumulator cells (EZ) of an accumulator module (3), wherein - the accumulator module (3) has a multiplicity of accumulator cells (EZ) which are connected in series between a first connection (TPLUS) and a second connection (TMINUS) of the Accumulator module (3), - the first connection (TPLUS) of the accumulator module (3) with a first input connection (TE) of a DC/DC converter (5) and the second connection (TMINUS) of the accumulator module (3) with a second input connection ( TEg) of the DC/DC converter (5) are electrically conductively connected, - at least some of the accumulator cells (EZ) with at least one of their poles each via an electrically conductive connection (CS) which has a switch for interrupting the connection an output (TA) of the DC/DC converter (5) ver are bindable, and wherein the method comprises the following steps: a) a battery cell (EZ i ) of the at least one part of battery cells (EZ) with a switchable electrically conductive connection (CS) is selected, b) the switchable electrically conductive connection (CS i ) of the selected battery cell (EZ i ) is turned on and the other switchable electrical connections (CS) are interrupted, so that one pole of the selected battery cell (EZ i ), which is connected to the switchable electrically conductive connection (CSi), is an intermediate node (K) which is connected to the output (TA) of the DC/DC converter (5) and which thus converts the plurality of accumulator cells (EZ) into a first subgroup (G1) of accumulator cells (EZ) between the intermediate node (K) and the first connection (TPLUS) are connected in series, and a second subgroup (G2) of accumulator cells (EZ) which are connected in series between the intermediate node (K) and the second connection (TMINUS), c ) a current direction of an output current (IA) of the DC/DC converter (5) in the intermediate node (K) is configured depending on a state of charge (SOC) or a cell voltage of the selected battery cell (EZ i ), d) if the state of charge (SOC ) or the cell voltage of the selected accumulator cell (EZ i ) fulfills a predetermined condition, the switch of the electrically conductive connection (CSi) of the selected accumulator cell (EZ i ) is opened, with at least one further accumulator cell (EZ) of the remaining part of accumulator cells ( EZ), which have a switchable electrically conductive connection (CS), steps a) to d) are carried out. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der DC/DC-Wandler (5) als Zweiquadranten-DC/DC-Wandler ausgebildet ist.procedure after claim 1 , wherein the DC / DC converter (5) is designed as a two-quadrant DC / DC converter. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem Schritt a) die Akkumulatorzelle (EZi) nach einer vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt wird.procedure after claim 1 or 2 , in which in step a) the accumulator cell (EZ i ) is selected according to a predetermined order. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in dem Schritt a) die Akkumulatorzelle (EZi) abhängig von einem Ladezustand und/oder einer Zellspannung einer vorgegebenen Untermenge der Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ) ausgewählt wird.Method according to one of the preceding claims, in which in step a) the accumulator cell (EZ i ) is selected depending on a state of charge and/or a cell voltage of a predetermined subset of the plurality of accumulator cells (EZ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei das Akkumulatormodul (3) in Summe N Akkumulatorzellen (EZ) aufweist, von denen N-1 Akkumulatorzellen (EZ) über ihren positiven Pol an die schaltbare elektrisch leitende Verbindung (CS) angebunden sind und die Schritte a) bis d) für diese N-1 Akkumulatorzellen (EZ) ausgeführt werden.A method according to any of the foregoing claims 2 until 4 , wherein the accumulator module (3) has a total of N accumulator cells (EZ), of which N-1 accumulator cells (EZ) are connected via their positive pole to the switchable electrically conductive connection (CS) and steps a) to d) for this N-1 accumulator cells (EZ) are executed. Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen (EZ) eines Akkumulatormoduls (3), wobei - das Akkumulatormodul (3) eine Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ) aufweist, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss (TPLUS) und einem zweiten Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3), - der erste Anschluss (TPLUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem ersten Eingangsanschluss (TE) eines DC/DC-Wandlers (5) und der zweite Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem zweiten Eingangsanschluss (TEg) des DC/DC-Wandlers (5) elektrisch leitend verbunden ist, - zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen (EZ) mit zumindest einem ihrer Pole jeweils über eine elektrisch leitende Verbindung (CS), die einen Schalter zur Unterbrechung der Verbindung aufweist, mit einem Ausgang (TA) des DC/DC-Wandlers (5) verbindbar ist, und die Vorrichtung dazu ausgebildet ist das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.Device for balancing accumulator cells (EZ) of an accumulator module (3), wherein - the accumulator module (3) has a multiplicity of accumulator cells (EZ) which are connected in series between a first connection (TPLUS) and a second connection (TMINUS) of Accumulator module (3), - the first connection (TPLUS) of the accumulator module (3) with a first input connection (TE) of a DC/DC converter (5) and the second connection (TMINUS) of the accumulator module (3) with a second input connection ( TEg) of the DC/DC converter (5) is electrically conductively connected, - at least some of the accumulator cells (EZ) with at least one of their poles each via an electrically conductive connection (CS) which has a switch for interrupting the connection an output (TA) of the DC / DC converter (5) can be connected, and the device is designed for the method according to one of Claims 1 until 5 to execute. Akkumulatorsystem (1) mit einem Akkumulatormodul (3), einem DC/DC-Wandler (5) und einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 6, wobei -das Akkumulatormodul (3) eine Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ) aufweist, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss (TPLUS) und einem zweiten Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3), - der erste Anschluss (TPLUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem ersten Eingangsanschluss (TE) eines DC/DC-Wandlers (5) und der zweite Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem zweiten Eingangsanschluss (TEg) des DC/DC-Wandlers (5) elektrisch leitend verbunden ist, - zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen (EZ) mit zumindest einem ihrer Pole jeweils über eine elektrisch leitende Verbindung (CS), die einen Schalter zur Unterbrechung der Verbindung aufweist, mit dem Ausgang (TA) des DC/DC-Wandlers (5) verbindbar sind.Battery system (1) with a battery module (3), a DC / DC converter (5) and a device according to the claim 6 , wherein - the accumulator module (3) has a large number of accumulator cells (EZ) which are connected in series between a first connection (TPLUS) and a second connection (TMINUS) of the accumulator module (3), - the first connection (TPLUS) of the Accumulator module (3) with a first input connection (TE) of a DC/DC converter (5) and the second connection (TMINUS) of the accumulator module (3) with a second input connection (TEg) of the DC/DC converter (5) electrically conductive is connected, - at least some of the accumulator cells (EZ) with at least one of their poles via an electrically conductive connection (CS), which has a switch for interrupting the connection, to the output (TA) of the DC/DC converter (5th ) are connectable. Computerprogramm, wobei das Computerprogramm Anweisungen umfasst, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.Computer program, the computer program comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to perform the method according to any one of Claims 1 until 5 to perform. Computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.Computer-readable storage medium on which the computer program claim 8 is saved.
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CN204794291U (en) 2015-06-23 2015-11-18 深圳市科列技术股份有限公司 Battery management system's dynamic equalizer circuit

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