DE102022101242A1

DE102022101242A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Batterie mit mehreren Teil-Batterien

Info

Publication number: DE102022101242A1
Application number: DE102022101242.5A
Authority: DE
Inventors: Andriy Ilovaisky; Maxime Raab; Christoph Laukemper
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2023-07-20

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Betrieb einer Batterie mit Q Teil-Batterien beschrieben. Die Vorrichtung ist eingerichtet, Messwerte von Teil-Batteriespannungen und Werte von Spannungsgrenzen der Q Teil-Batterien zu ermitteln. Des Weiteren ist die Vorrichtung eingerichtet, die Teil-Batterie aus den Q Teil-Batterien zu identifizieren, deren Messwert der Teil-Batteriespannung am nächsten bei dem jeweiligen Wert der Spannungsgrenze liegt, und auf Basis des Wertes der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie den Wert der Spannungsgrenze der Batterie zu ermitteln. Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, die Batterie auf Basis des ermittelten Wertes der Spannungsgrenze der Batterie zu betreiben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Betrieb einer Batterie mit mehreren Teil-Batterien.
Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug weist eine Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs auf. Die Batterie kann aus mehreren Teil-Batterien (auch als Batteriemodule bezeichnet) zusammengesetzt sein. Dabei können die Teil-Batterien zumindest teilweise parallel zueinander verschaltet sein, um die Speicherkapazität der (Gesamt-) Batterie zu erhöhen. Alternativ oder ergänzend können mehrere Teil-Batterien in Serie bzw. in Reihe angeordnet sein, um die Betriebsspannung und/oder die elektrische Leistung der (Gesamt-) Batterie zu erhöhen.
Es kann vorkommen, dass die unterschiedlichen Teil-Batterien einer Gesamtbatterie während des Betriebs unterschiedlich belastet werden und/oder unterschiedlich altern. Dies kann dazu führen, dass während des Betriebs die zulässige Spannungsgrenze (z.B. die Ladeschlussspannung oder die Entladeschlussspannung) einer Teil-Batterie überschritten wird, wodurch die Teil-Batterie beeinträchtigt werden kann. Das Überschreiten von individuellen Spannungsgrenzen der Teil-Batterien kann durch das Vorsehen von pauschalen Sicherheitsmargen vermieden werden, wodurch jedoch die Leistungsfähigkeit der (Gesamt-) Batterie übermäßig reduziert wird.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, in effizienter und zuverlässiger Weise einen besonders sicheren und leistungsfähigen Betrieb einer Batterie mit mehreren Teil-Batterien zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch jeden der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Betrieb einer (Gesamt-) Batterie mit Q Teil-Batterien, mit Q>1, beschrieben. Die Batterie kann N parallele Stränge mit jeweils M Teil-Batterien umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Batterie M seriell angeordnete Blöcke mit jeweils N parallel angeordneten Teil-Batterien umfassen. Dabei können N und/oder M jeweils ganze Zahlen größer als 1 sein. Ferner kann die Anzahl Q von Teil-Batterien Q = N * M sein. Die einzelnen Teil-Batterien können jeweils eine Vielzahl von Speicherzellen (z.B. Rundzellen oder Pouchzellen oder prismatische Zellen) aufweisen (z.B. 10 oder mehr, oder 20 oder mehr, oder 50 oder mehr Speicherzellen). Die Vielzahl von Speicherzellen einer Teil-Batterie können in einem Gehäuse der jeweiligen Teil-Batterie angeordnet sein. Die Q Teil-Batterien können in einem (Gesamt-) Gehäuse der (Gesamt-) Batterie angeordnet sein.
Eine Teil-Batterie kann ein Hochvoltspeicher sein. Insbesondere kann die Nennspannung einer Teil-Batterie 300V oder mehr, insbesondere 800V oder mehr, betragen. Folglich kann der Wert der Teil-Batteriespannung der jeweiligen Teil-Batterie 300V oder mehr, insbesondere 800V oder mehr, betragen.
Die einzelnen Teil-Batterien können somit jeweils eine Teil-Batteriespannung aufweisen (zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der jeweiligen Teil-Batterie). Ferner kann die (Gesamt-) Batterie eine (Gesamt-) Batteriespannung aufweisen (zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der Batterie). Dabei können sich die Werte der Teil-Batteriespannungen der einzelnen Stränge jeweils zu dem Wert der Batteriespannung der (Gesamt-) Batterie addieren. Insbesondere können die Summen der Werte der Teil-Batteriespannungen der Teil-Batterien in den N Strängen jeweils dem Wert der Batteriespannung entsprechen.
Die Teil-Batteriespannung einer Teil-Batterie kann die Spannung zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der jeweiligen Teil-Batterie sein. In entsprechender Weise kann die Batteriespannung der Batterie die Spannung zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der Batterie sein. Die Werte der Teil-Batteriespannungen und/oder der Batteriespannung können mit einer Messeinheit erfasst werden.
Die Aufteilung des Wertes der Batteriespannung auf die unterschiedlichen Teil-Batterien kann in den unterschiedlichen Strängen zumindest teilweise unterschiedlich sein. Ein erster Strang und ein zweiter Strang können jeweils eine Reihenschaltung aus einer ersten Teil-Batterie und einer zweiten Teil-Batterie aufweisen. Die Summen der Werte der Teil-Batteriespannungen des ersten Strangs und des zweiten Strangs sind typischerweise gleich. Andererseits können sich die Werte der Teil-Batteriespannungen der ersten Teil-Batterie in dem ersten Strang und in dem zweiten Strang voneinander unterscheiden. Ferner können sich die Werte der Teil-Batteriespannungen der zweiten Teil-Batterie in dem ersten Strang und in dem zweiten Strang voneinander unterscheiden.
Die einzelnen Teil-Batterien können jeweils eine Spannungsgrenze aufweisen. Dabei kann die Spannungsgrenze eine Ladeschlussspannung oder eine Entladeschlussspannung sein. Der Wert der Spannungsgrenze einer Teil-Batterie kann somit den Wert der Teil-Batteriespannung der Teil-Batterie anzeigen, der während des Betriebs der Batterie nicht überschritten (Ladeschlussspannung) oder unterschritten (Entladeschlussspannung) werden soll oder darf (um eine Beeinträchtigung der Teil-Batterie zu vermeiden). Die Werte der Spannungsgrenzen der einzelnen Teil-Batterien können sich aufgrund unterschiedlicher Alterung während der Nutzungsdauer der Batterie voneinander unterscheiden.
In entsprechender Weise kann die (Gesamt-) Batterie eine Spannungsgrenze aufweisen, insbesondere eine Ladeschlussspannung oder eine Entladeschlussspannung. Der Wert der Spannungsgrenze der Batterie kann dabei den Wert der Batteriespannung zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der Batterie anzeigen, der während des Betriebs der Batterie nicht überschritten (Ladeschlussspannung) oder unterschritten (Entladeschlussspannung) werden soll oder darf (um eine Beeinträchtigung der Q Teil-Batterien zu vermeiden).
Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, den Wert der Spannungsgrenze der Batterie zu ermitteln, insbesondere derart, dass der ermittelte Wert der Spannungsgrenze möglichst groß (Ladeschlussspannung) oder möglichst niedrig (Entladeschlussspannung) ist, ohne dass dabei die Werte der entsprechenden Spannungsgrenzen der Q Teil-Batterien überschritten (Ladeschlussspannung) oder unterschritten (Entladeschlussspannung) werden (und somit eine Beeinträchtigung der Q Teil-Batterien zuverlässig vermieden werden kann).
Die Vorrichtung ist eingerichtet (für oder an einem bestimmten Zeitpunkt), Q Messwerte der Teil-Batteriespannungen und Q Werte der Spannungsgrenzen der entsprechenden Q Teil-Batterien zu ermitteln. Die Messwerte können anhand einer Messeinheit der Batterie erfasst werden. Ggf. können die Messwerte der Teil-Batteriespannungen und/oder die Werte der Spannungsgrenzen jeweils von den einzelnen Teil-Batterien ermittelt und der Vorrichtung (über eine Datenkommunikationsverbindung) bereitgestellt werden. Das Ermitteln des Messwertes der Teil-Batteriespannung und/oder das Ermitteln der Spannungsgrenze einer Teil-Batterie kann somit das Empfangen des jeweiligen Wertes von der Teil-Batterie umfassen.
Ggf. kann die Vorrichtung eingerichtet sein, für jede der Q Teil-Batterien jeweils, eine Sequenz von Temperaturwerten der Temperatur der jeweiligen Teil-Batterie an einer entsprechenden Sequenz von Zeitpunkten während des zurückliegenden und/oder bisherigen Nutzungszeitraumes der Batterie zu ermitteln. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, eine Vielzahl von Messwerten von Zellspannungen für eine entsprechende Vielzahl von Speicherzellen der jeweiligen Teil-Batterie zu ermitteln. Der Wert der Spannungsgrenze der jeweiligen Teil-Batterie kann dann in präziser Weise anhand eines Alterungsmodells der jeweiligen Teil-Batterie auf Basis der Sequenz von Temperaturwerten und/oder auf Basis der Vielzahl von Messwerten von Zellspannungen ermittelt werden.
In einem alternativen Beispiel wird der Wert der Spannungsgrenze einer Teil-Batterie direkt durch die Teil-Batterie ermittelt (auf Basis eines Alterungsmodells und/oder auf Basis der Sequenz von Temperaturwerten und/oder auf Basis der Vielzahl von Messwerten der Zellspannungen). Der ermittelte Wert der Spannungsgrenze kann dann der Vorrichtung (über eine Datenkommunikationsverbindung) bereitgestellt werden.
Der Wert der Spannungsgrenze einer Teil-Batterie kann somit auf Basis der Werte der Zellspannung der einzelnen Speicherzellen der jeweiligen Teil-Batterie ermittelt werden. Insbesondere kann für jede der Speicherzellen der Teil-Batterie der Wert der Zellspannung erfasst werden. Basierend darauf kann dann (direkt durch die Teil-Batterie oder durch die Vorrichtung) der Wert der Spannungsgrenze der Teil-Batterie ermittelt werden.
Der Wert der Spannungsgrenze einer Teil-Batterie kann somit anhand von Spannungsdifferenzen der Einzelzellspannungen, anhand der Temperatur, anhand der Alterung, etc. ermittelt werden. Die Berechnung des Wertes der Spannungsgrenze kann durch die jeweilige Teil-Batterie erfolgen. Der berechnete Wert der Spannungsgrenze kann dann von der Teil-Batterie an die Vorrichtung übermittelt werden.
Wie bereits oben dargelegt, können sich die Werte der Spannungsgrenzen der unterschiedlichen Teil-Batterien aufgrund von unterschiedlicher Alterung (z.B. aufgrund unterschiedlicher Sequenzen von Temperaturwerten) voneinander unterscheiden.
Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, die Teil-Batterie aus den Q Teil-Batterien der Batterie zu identifizieren, deren Messwert der Teil-Batteriespannung am nächsten bei dem jeweiligen Wert der Spannungsgrenze liegt. Mit anderen Worten, es kann die Teil-Batterie der (Gesamt-) Batterie identifiziert werden, die (an dem bestimmten Zeitpunkt) den geringsten Puffer zwischen der Teil-Batteriespannung und der Spannungsgrenze aufweist.
Des Weiteren ist die Vorrichtung eingerichtet, auf Basis des Wertes der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie den Wert der Spannungsgrenze der (Gesamt-) Batterie zu ermitteln. Die Vorrichtung kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, den Wert der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie mit einem Skalierungsfaktor zu skalieren, um einen skalierten Wert der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie zu ermitteln. Der Skalierungsfaktor kann dabei von der Anzahl M von Teil-Batterien abhängen, die in dem Strang von Teil-Batterien der Batterie in Reihe verschaltet sind, in dem die identifizierte Teil-Batterie angeordnet ist. Die Anzahl M kann auch die Anzahl von Blöcken von (parallel angeordneten) Teil-Batterien sein, die innerhalb der Batterie in Serie verschaltet sind. Der Skalierungsfaktor kann somit von der Anzahl M von Teil-Batterien und/oder von der Anzahl M von Blöcken von Teil-Batterien abhängen, die in Reihe verschaltet sind. Dabei kann der Skalierungsfaktor insbesondere M sein. Der Wert der Spannungsgrenze der Batterie kann dann in besonders präziser Weise auf Basis des skalierten Wertes der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie ermittelt werden.
Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, die Batterie auf Basis des ermittelten Wertes der Spannungsgrenze der Batterie zu betreiben. Wie bereits oben dargelegt, kann die Spannungsgrenze eine Ladeschlussspannung sein. In diesem Fall kann die Vorrichtung eingerichtet sein, die Batterie in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert der Ladeschlussspannung zu laden, insbesondere derart, dass der Wert der Batteriespannung der Batterie den ermittelten Wert der Ladeschlussspannung nicht (etwa niemals) überschreitet. Alternativ kann die Spannungsgrenze eine Entladeschlussspannung sein. In diesem Fall kann die Vorrichtung eingerichtet sein, die Batterie in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert der Endladeschlussspannung zu entladen, insbesondere derart, dass der Wert der Batteriespannung der Batterie den ermittelten Wert der Entladeschlussspannung nicht (etwa niemals) unterschreitet.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die o.g. Schritte an einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, z.B. periodisch, zu wiederholen. So kann ein dauerhaft sicherer, effizienter und leistungsfähiger Betrieb der Batterie ermöglicht werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, auf Basis des Messwertes der Teil-Batteriespannung der identifizierten Teil-Batterie einen Korrekturwert zu ermitteln. Zu diesem Zweck können der maximale Messwert und/oder der minimale Messwert der Messwerte der Teil-Batteriespannungen der Q Teil-Batterien ermittelt werden. Der Korrekturwert kann dann in präziser Weise auf Basis des maximalen Messwertes und/oder auf Basis des minimalen Messwertes ermittelt werden. Insbesondere kann der Korrekturwert ermittelt werden, basierend auf, insbesondere als, (U_max - U_i) + (U_min - U_i). Dabei sind: U_max der maximale Messwert; U_min der minimale Messwert ist; und Ui der Messwert der Teil-Batteriespannung der identifizierten Teil-Batterie.
Der Wert der Spannungsgrenze der Batterie kann dann in besonders präziser Weise auf Basis des Korrekturwertes ermittelt werden. Insbesondere kann die Vorrichtung eingerichtet sein, den skalierten Wert der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie um den Korrekturwert zu erhöhen oder zu reduzieren, um den Wert der Spannungsgrenze der Batterie zu ermitteln.
Durch die Berücksichtigung eines Korrekturwertes können die Leistungsfähigkeit und die Sicherheit des Betriebs der Batterie weiter erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Batterie beschrieben (z.B. für eine mobile und/oder für eine stationäre Anwendung), die die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst. Die Batterie kann für eine Nennspannung von 300V oder mehr, insbesondere von 800V oder mehr, ausgelegt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit Q Teil-Batterien beschrieben. Das Verfahren umfasst das Ermitteln von Messwerten von Teil-Batteriespannungen und Werten von Spannungsgrenzen der Q Teil-Batterien. Die Messwerte der Teil-Batteriespannungen und/oder die Werten der Spannungsgrenzen der Q Teil-Batterien können zu diesem Zweck durch eine zentrale Vorrichtung der Batterie empfangen werden. Das Verfahren umfasst ferner das Identifizieren der Teil-Batterie aus den Q Teil-Batterien, deren Messwert der Teil-Batteriespannung am nächsten bei dem jeweiligen Wert der Spannungsgrenze liegt. Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln, auf Basis des Wertes der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie, eines Wertes der Spannungsgrenze der Batterie, sowie das Betreiben der Batterie auf Basis des ermittelten Wertes der Spannungsgrenze der Batterie.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 ein beispielhaftes Fahrzeug mit einer Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie;
2a und 2b jeweils eine beispielhafte Batterie mit mehreren Teil-Batterien; und
3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb einer Batterie mit mehreren Teil-Batterien.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der sicheren Erhöhung der Leistungsfähigkeit einer Batterie, die mehrere Teil-Batterien umfasst. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein beispielhaftes Kraftfahrzeug 100 mit einer elektrischen (Gesamt-) Batterie 110 zur Speicherung von elektrischer Energie. Die Batterie 110 kann ausgebildet sein, elektrische Energie für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors (nicht dargestellt) des Fahrzeugs 100 zu speichern.
Das Fahrzeug 100 umfasst eine Messeinheit 102, die eingerichtet ist, Messwerte von ein oder mehreren Betriebsparametern der Batterie 110 zu erfassen. Beispielhafte Betriebsparameter sind

• die Betriebsspannung der Batterie 110 (und ggf. von ein oder mehreren Teil-Batterien der Batterie 110); und/oder
• die Betriebstemperatur der Batterie 110 (und ggf. von ein oder mehreren Teil-Batterien der Batterie 110).

Die Ermittlung der Messwerte der ein oder mehreren Betriebsparameter kann ggf. durch die einzelnen Teil-Batterien der Batterie 110 erfolgen.
Eine (Steuer-) Vorrichtung 101 des Fahrzeugs 100 kann eingerichtet sein, Messwerte der ein oder mehreren Betriebsparameter der Batterie 110 auszuwerten, z.B. um einen Ladevorgang und/oder um einen Entladevorgang der Batterie 110 zu steuern. Insbesondere kann auf Basis der Messwerte eine maximal zulässige Ladespannung (d.h. eine Ladeschlussspannung) oder eine minimal zulässige Entladespannung (d.h. eine Entladeschlussspannung) der Batterie 110 ermittelt (und bei einem Lade- bzw. Entladevorgang berücksichtigt) werden. Dabei können die maximal zulässige Ladespannung und/oder die minimal zulässige Entladespannung der Batterie 110 auf Basis entsprechender Werte für die Teil-Batterien ermittelt werden.
2a und 2b zeigen jeweils eine beispielhafte Batterie 110, die mehrere Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 umfasst. Die Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 können zumindest teilweise in Serie und/oder zumindest teilweise parallel oder zumindest teilweise parallel und/oder zumindest teilweise in Serie zueinander angeordnet sein. In dem in 2a dargestellten Beispiel umfasst die Batterie 110 N Stränge 210, 220 von Teil-Batterien (mit N=2, in dem dargestellten Beispiel), wobei die N Stränge 210, 220 parallel zueinander zwischen den Polen der Batterie 110 angeordnet sind. Dabei kann jeder Strang 210, 220 jeweils M Teil-Batterien aufweisen, die in Reihe zueinander angeordnet sind (mit M=2, in dem dargestellten Beispiel). Die Anzahl M von Teil-Batterien kann in den einzelnen Strängen 210, 220 gleich oder unterschiedlich sein. 2a zeigt somit eine Batterie 110 mit einer MsNp Topologie (wobei s für „seriell“ und p für „parallel“ steht). In dem in 2b dargestellten Beispiel umfasst die Batterie 110 M Blöcke mit jeweils N Teil-Batterien 211, 221, wobei die M Blöcke in Serie angeordnet sind. Die N Teil-Batterien 211, 221 eines Blocks sind jeweils parallel zueinander angeordnet. 2b zeigt somit eine Batterie 110 mit einer NpMs Topologie.
Die einzelnen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 können jeweils mehrere Speicherzellen aufweisen, die z.B. in einem Gehäuse der jeweiligen Teil-Batterie 211, 212, 221, 222 angeordnet sind. Durch die Serienschaltung von mehreren Teil-Batterien 211, 212 innerhalb eines Strangs 210 kann die elektrische Leistung der Batterie 110 erhöht werden. Ferner kann durch die Parallelschaltung von mehreren Batterie-Strängen 210, 220 die Speicherkapazität der Batterie 110 erhöht werden.
Die Messeinheit 102 kann ausgebildet sein, Messwerte in Bezug auf die Gesamt-Batteriespannung 201 der Gesamtbatterie 110 (welche auch als Systemspannung bezeichnet wird) zu erfassen. Ferner kann die Messeinheit 102 eingerichtet sein, Messwerte in Bezug auf die Teil-Batteriespannungen 202 der einzelnen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 zu erfassen. In der NpMs Topologie sind die Werte der Teil-Batteriespannungen 202 der Teil-Batterien innerhalb eines Blocks typischerweise identisch. Andererseits können in der MsNp Topologie die Werte der Teil-Batteriespannungen 202 der einzelnen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 jeweils unterschiedlich voneinander sein.
Die einzelnen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 können jeweils Spannungsgrenzen aufweisen, bis zu denen die jeweilige Teil-Batterie 211, 212, 221, 222 geladen oder entladen werden darf (ohne beeinträchtigt zu werden). Eine beispielhafte Spannungsgrenze ist die Ladeschlussspannung, die die Teil-Batteriespannung 202 anzeigt, bis zu der die jeweilige Teil-Batterie 211, 212, 221, 222 geladen werden darf (ohne beeinträchtigt bzw. geschädigt zu werden). Eine weitere beispielhafte Spannungsgrenze ist die Entladeschlussspannung, die die Teil-Batteriespannung 202 anzeigt, bis zu der die jeweilige Teil-Batterie 211, 212, 221, 222 entladen werden darf (ohne beeinträchtigt bzw. geschädigt zu werden). Ein Überschreiten bzw. ein Unterschreiten der Spannungsgrenze kann zu einer Schädigung der jeweiligen Teil-Batterie 211, 212, 221, 222 führen.
Eine unterschiedliche thermische Belastung kann dazu führen, dass sich die Spannungsgrenzen der unterschiedlichen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 während der Nutzungsdauer der Batterie 110 unterschiedlich entwickeln, und somit an einem bestimmten Zeitpunkt unterschiedliche Werte aufweisen. Die Vorrichtung 101 kann ausgebildet sein, für einen bestimmten Zeitpunkt die Werte der Spannungsgrenzen (insbesondere der Ladeschlussspannungen und/oder der Entladeschlussspannungen) der einzelnen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 der Gesamtbatterie 110 zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann ein Berechnungs- und/oder Alterungsmodell verwendet werden. Ferner können die Messwerte von ein oder mehreren Betriebsparametern (insbesondere von der Betriebstemperatur) der einzelnen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 berücksichtigt werden. Dabei kann eine zeitliche Sequenz von Messwerten für die bisherige Nutzungsdauer der Batterie 110 verwendet werden.
Es können somit für einen bestimmten Zeitpunkt für die einzelnen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 der Gesamtbatterie 110 jeweils Werte für die Teil-Batteriespannung 202 und für die ein oder mehreren Spannungsgrenzen bereitgestellt werden. Ferner kann der Wert der Gesamt-Betriebsspannung 201 bereitgestellt werden.
Auf Basis der o.g. Werte können Werte für ein oder mehrere Gesamt-Spannungsgrenzen (insbesondere für eine Gesamt-Ladeschlussspannung und/oder für eine Gesamt-Entladeschlussspannung) für die Gesamtbatterie 110 ermittelt werden. Die Werte für die ein oder mehreren Gesamt-Spannungsgrenzen können dabei derart ermittelt werden, dass

• der ermittelte Werte der jeweiligen Gesamt-Spannungsgrenze möglichst hoch bzw. möglichst niedrig ist; und
• bei dem ermittelten Wert der jeweiligen Gesamt-Spannungsgrenze der Werte der entsprechenden Spannungsgrenze für keine der Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 überschritten bzw. unterschritten wird.

Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung 101 eingerichtet sein (für den bestimmten Zeitpunkt), auf Basis der Messwerte der Teil-Betriebsspannungen 202 und auf Basis der ermittelten Werte der Spannungsgrenze (d.h. der Ladeschlussspannung oder der Entladeschlussspannung) die Teil-Batterie 221 zu identifizieren, bei der der Wert der Teil-Betriebsspannung 202 am nächsten an dem Wert der Spannungsgrenze liegt.
Der Wert der Teil-Betriebsspannungen 202 kann als U_j, mit j=1, ..., Q, bezeichnet werden, wobei Q die Anzahl der Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 der Gesamtbatterie 110 ist. Ferner können die Werte der Spannungsgrenze als G_j, j=1, .., Q, bezeichnet werden. Es können somit für die einzelnen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 jeweils die Differenzwerte D_j = G_j - U_j (für die Ladeschlussspannung, bzw. D_j = U_j - G_j für die Entladeschlussspannung) ermittelt werden. Es kann dann die Teil-Batterie i mit dem geringsten Differenzwert Di identifiziert werden.
Der Wert Gi der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie i kann dann auf die Anzahl M der in Reihe geschalteten Teil-Batterien 221, 222 des Strangs 220 der identifizierten Teil-Batterie i skaliert werden, um eine skalierte Spannungsgrenze M*Gi zu ermitteln (wobei der Operator „*“ eine Multiplikation ist).
Der Wert G_gesamt der Gesamt-Spannungsgrenze der Gesamtbatterie 110 kann dann auf Basis des ermittelten Wertes M*Gi der skalierten Spannungsgrenze ermittelt werden. Zu diesem Zweck kann der Wert M*Gi der skalierten Spannungsgrenze um einen Korrekturwert K erhöht oder reduziert werden, wobei der Korrekturwert K auf Basis des Messwertes Ui der Teil-Betriebsspannung 202 der identifizierten Teil-Batterie i ermittelt werden kann. Der Wert G_gesamt der Gesamt-Spannungsgrenze der Gesamtbatterie 110 kann insbesondere ermittelt werden, als $G_{gesamt} = M * G_{i} + K .$
Zur Ermittlung des Korrekturwertes K können der maximale Messwert U_max der Teil-Betriebsspannungen 202 und der minimale Messwert U_min der Teil-Betriebsspannungen 202 der Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 ermittelt werden. Der Korrekturwert K kann dann auf Basis der Differenz des Wertes Ui der Teil-Betriebsspannung 202 der identifizierten Teil-Batterie i und des maximalen Messwertes U_max und/oder auf Basis der Differenz des Wertes Ui der Teil-Betriebsspannung 202 der identifizierten Teil-Batterie i und des minimalen Messwertes U_min ermittelt werden. Insbesondere kann der Korrekturwert ermittelt werden als, $K = (U_{max} - U_{i}) + (U_{min} - U_{i}) .$
Die Gesamtbatterie 110 kann dann in effizienter und sicherer Weise auf Basis des ermittelten Wertes G_gesamt der Gesamt-Spannungsgrenze betrieben (z.B. geladen bzw. entladen) werden. Insbesondere kann die Gesamtbatterie 110 (in begrenzter Weise) bis zu einer Gesamt-Betriebsspannung 201 von G_gesamt geladen werden (und nicht höher), wenn die Gesamt-Spannungsgrenze die Ladeschlussspannung ist. Alternativ kann die Gesamtbatterie 110 (in begrenzter Weise) bis zu einer Gesamt-Betriebsspannung 201 von G_gesamt entladen werden (und nicht niedriger), wenn die Gesamt-Spannungsgrenze die Entladeschlussspannung ist.
Es wird somit ein Verfahren zum Batteriemanagement der Batterie 110 eines Elektrofahrzeugs 110 und/oder eines stationären Hochvoltspeichers beschrieben. Die Gesamtbatterie 110 umfasst mehrere seriell und parallel verschaltete Teil-Batterien 211, 212, 221, 222. In Anwendungen, die eine relativ große Batteriekapazität erfordern, kann es zweckmäßig sein, diese Kapazität durch die parallele Verschaltung mehrerer voneinander unabhängiger Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 gleichen Typs zu bewirken. Ferner kann eine Anwendung eine erhöhte Leistungsfähigkeit verlangen, welche durch die serielle Verschaltung solcher Hochvolt-Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 erzielt werden kann. So wird ein skalierbares Konzept bereitgestellt, welches z.B. verschiedene Fahrzeug-Derivate mit unterschiedlichen Ausprägungen bedienen kann, oder welches Pufferspeicher mit unterschiedlichen Leistungsklassen für stationäre Anwendungen bereitstellen kann.
Eine parallele und/oder serielle Verschaltung von Hochvolt-Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 kann anhand eines übergeordneten Batteriemanagement-Systems betrieben werden, welches die Zustandsgrößen der Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 steuert und überwacht. Das Batteriemanagement-System kann die Spannungsüberwachung und die Berechnung der Spannungsgrenzen bewirken. Die einzelnen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 dürfen während des Betriebs typischerweise ihre jeweilige (individuelle) Spannungsgrenze nicht verletzten. Gleichzeitig ist eine möglichst maximale Ausschöpfung des Energieinhalts jeder einzelnen Teil-Batterie 211, 212, 221, 222 wünschenswert.
Insbesondere bei der Verwendung von unterschiedlich gealterten Hochvoltspeichern 211, 212, 221, 222 kann es zu einer Diskrepanz zwischen dem Schutz des jeweiligen Speichers 211, 212, 221, 222 und der Nutzung des maximal möglichen Energieinhalts kommen. Die Spannungsgrenzen von unterschiedlich gealterten Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 können sich unterscheiden. Zusätzlich kann es zu Spannungsdifferenzen innerhalb der seriell verschalteten Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 in unterschiedlichen Strängen 210, 220 kommen, welche eine negative Auswirkung auf die Spannungsgrenzen des Gesamtspeichers 110 haben können.
Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren nutzt die Spannungen 202 und die Spannungsgrenzen der Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 sowie die Topologie der Gesamtbatterie 110, um die Entladeschluss- und/oder Ladeschlussspannung der Gesamtbatterie 110 zu ermitteln. Dabei wird in einem ersten Schritt der Teil-Speicher 221 identifiziert, welcher am nächsten an seiner Spannungsgrenze liegt. Anschließend wird die Spannungsgrenze auf die Anzahl M der seriell verschalteten Teil-Speicher 221, 222 skaliert. Ferner wird ein Korrekturwert K ermittelt und mit der (skalierten) Spannungsgrenze Gi des identifizierten Teil-Speichers 221 verrechnet. Der Korrekturwert K kann sich aus der Spannungsdifferenz zwischen der Spannung 202 des ermittelten Teil-Speichers 221 und der jeweiligen maximalen und minimalen Spannung der restlichen Teil-Batterien 211, 212, 222 ergeben. Die Berechnung kann separat für die beide Spannungsgrenzen (Lade- und Entladeschlussspannung) erfolgen.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines (ggf. Computer-implementierten) Verfahrens 300 zum Betrieb einer Batterie 110 mit Q Teil-Batterien 211, 212, 221, 222. Die Batterie 110 kann insbesondere N Stränge 210, 220 mit jeweils M Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 aufweisen, wobei N>1 und/oder M>1, und wobei ggf. Q=N*M. Das Verfahren 300 kann an bzw. für einen bestimmten Zeitpunkt durchgeführt werden.
Das Verfahren 300 umfasst das Ermitteln 301 von Messwerten von Teil-Batteriespannungen 202 (z.B. anhand einer Messeinheit 102) und von Werten von Spannungsgrenzen der Q Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 (z.B. anhand eines Alterungsmodells für die Teil-Batterien 211, 212, 221, 222). Wie bereits oben dargelegt, können die Werte der Spannungsgrenzen durch die einzelnen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 berechnet und bereitgestellt werden. Das Ermitteln 301 kann somit das Empfangen umfassen. Dabei können die Werte der Spannungsgrenzen der unterschiedlichen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 zumindest teilweise unterschiedlich voneinander sein. Ferner können sich die Messwerte der Teil-Batteriespannungen 202 der unterschiedlichen Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 zumindest teilweise voneinander unterscheiden.
Das Verfahren 300 umfasst ferner das Identifizieren 302 der Teil-Batterie 221 aus den Q Teil-Batterien 211, 212, 221, 222, deren Messwert der Teil-Batteriespannung 202 am nächsten bei dem jeweiligen Wert der Spannungsgrenze liegt. Mit anderen Worten, es kann die Teil-Batterie 221 identifiziert werden, die den geringsten Puffer bzw. die geringste (betragliche) Differenz zwischen dem Wert der Batteriespannung 202 und dem Wert der Spannungsgrenze aufweist.
Des Weiteren umfasst das Verfahren 300 das Ermitteln 303, auf Basis des Wertes der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie 221, des Wertes der Spannungsgrenze der (Gesamt-) Batterie 110. Außerdem umfasst das Verfahren 300 das Betreiben 304 der Batterie 110 auf Basis des ermittelten Wertes der Spannungsgrenze der Batterie 110, insbesondere derart, dass der Wert der Batteriespannung 201 der Batterie 110 den ermittelten Wert der Spannungsgrenze der Batterie 110 nicht überschreitet oder nicht unterschreitet (z.B. bei einem Ladevorgang oder bei einem Entladevorgang).
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann eine Batterie 110 mit mehreren Teil-Batterien 211, 212, 221, 222 in besonders effizienter, sicherer und leistungsfähiger Weise betrieben werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Vorrichtung (101) zum Betrieb einer Batterie (110) mit Q Teil-Batterien (211, 212, 221, 222), mit Q>1; wobei die Vorrichtung (101) eingerichtet ist, - Messwerte von Teil-Batteriespannungen (202) und Werte von Spannungsgrenzen der Q Teil-Batterien (211, 212, 221, 222) zu ermitteln; - die Teil-Batterie (221) aus den Q Teil-Batterien (211, 212, 221, 222) zu identifizieren, deren Messwert der Teil-Batteriespannung (202) am nächsten bei dem jeweiligen Wert der Spannungsgrenze liegt; - auf Basis des Wertes der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie (221) einen Wert der Spannungsgrenze der Batterie (110) zu ermitteln; und - die Batterie (110) auf Basis des ermittelten Wertes der Spannungsgrenze der Batterie (110) zu betreiben.
Vorrichtung (101) gemäß Anspruch 1, wobei - die Vorrichtung (101) eingerichtet ist, den Wert der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie (221) mit einem Skalierungsfaktor zu skalieren, um einen skalierten Wert der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie (221) zu ermitteln; und - den Wert der Spannungsgrenze der Batterie (110) auf Basis des skalierten Wertes der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie (221) zu ermitteln.
Vorrichtung (101) gemäß Anspruch 2, wobei - der Skalierungsfaktor von einer Anzahl M von Teil-Batterien (221, 222) abhängt, die in einem Strang (220) von Teil-Batterien (221, 222) der Batterie (110), in dem die identifizierte Teil-Batterie (221) angeordnet ist, in Reihe verschaltet sind; mit M>1; und - der Skalierungsfaktor insbesondere Mist.
Vorrichtung (101) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (101) eingerichtet ist, - auf Basis des Messwertes der Teil-Batteriespannung (202) der identifizierten Teil-Batterie (221) einen Korrekturwert zu ermitteln; und - den Wert der Spannungsgrenze der Batterie (110) auf Basis des Korrekturwertes zu ermitteln.
Vorrichtung (101) gemäß Anspruch 4, wobei die Vorrichtung (101) eingerichtet ist, - den maximalen Messwert und/oder den minimalen Messwert der Messwerte von Teil-Batteriespannungen (202) der Q Teil-Batterien (211, 212, 221, 222) zu ermitteln; und - den Korrekturwert auf Basis des maximalen Messwertes und/oder auf Basis des minimalen Messwertes zu ermitteln.
Vorrichtung (101) gemäß Anspruch 5, wobei die Vorrichtung (101) eingerichtet ist, den Korrekturwert zu ermitteln, basierend auf, insbesondere als $(U_{max} - U_{i}) + (U_{min} - U_{i})$
wobei - U_max der maximale Messwert ist; - U_min der minimale Messwert ist; und - Ui der Messwert der Teil-Batteriespannung (202) der identifizierten Teil-Batterie (221) ist.
Vorrichtung (101) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6 mit Rückbezug auf einen der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Vorrichtung (101) eingerichtet ist, den skalierten Wert der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie (221) um den Korrekturwert zu erhöhen oder zu reduzieren, um den Wert der Spannungsgrenze der Batterie (110) zu ermitteln.
Vorrichtung (101) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Spannungsgrenze eine Ladeschlussspannung ist; und - die Vorrichtung (101) eingerichtet ist, die Batterie (110) in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert der Ladeschlussspannung zu laden, insbesondere derart, dass der Wert einer Batteriespannung (201) der Batterie (110) den ermittelten Wert der Ladeschlussspannung nicht überschreitet; und/oder - die Spannungsgrenze eine Entladeschlussspannung ist; und - die Vorrichtung (101) eingerichtet ist, die Batterie (110) in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert der Endladeschlussspannung zu entladen, insbesondere derart, dass der Wert der Batteriespannung (201) der Batterie (110) den ermittelten Wert der Entladeschlussspannung nicht unterschreitet.
Vorrichtung (101) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (101) eingerichtet ist, für jede der Q Teil-Batterien (211, 212, 221, 222) jeweils, - eine Sequenz von Temperaturwerten einer Temperatur der jeweiligen Teil-Batterie (211, 212, 221, 222) an einer Sequenz von Zeitpunkten während eines zurückliegenden Nutzungszeitraumes der Batterie (110) zu ermitteln; und/oder - eine Vielzahl von Messwerten von Zellspannungen für eine entsprechende Vielzahl von Speicherzellen der jeweiligen Teil-Batterie (211, 212, 221, 222) zu ermitteln; und - den Wert der Spannungsgrenze der jeweiligen Teil-Batterie (211, 212, 221, 222) anhand eines Alterungsmodells auf Basis der Sequenz von Temperaturwerten und/oder auf Basis der Vielzahl von Messwerten von Zellspannungen zu ermitteln.
Vorrichtung (101) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Teil-Batteriespannung (202) einer Teil-Batterie (211, 212, 221, 222) eine Spannung zwischen einem Pluspol und einem Minuspol der Teil-Batterie (211, 212, 221, 222) ist; und/oder - der Wert der Spannungsgrenze einer Teil-Batterie (211, 212, 221, 222) den Wert der Teil-Batteriespannung (202) der Teil-Batterie (211, 212, 221, 222) anzeigt, der während des Betriebs der Batterie (110) nicht überschritten oder unterschritten werden soll; und/oder - der Wert der Spannungsgrenze der Batterie (110) den Wert einer Batteriespannung (201) zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der Batterie (110) anzeigt, der während des Betriebs der Batterie (110) nicht überschritten oder unterschritten werden soll.
Vorrichtung (101) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Batterie (110) N parallele Stränge (210, 220) mit jeweils M Teil-Batterien (211, 212, 221, 222) umfasst; und/oder - die Batterie (110) M seriell angeordnete Blöcke mit jeweils N parallel angeordneten Teil-Batterien (211, 212, 221, 222) umfasst; und - insbesondere Q = N * M.
Verfahren (300) zum Betrieb einer Batterie (110) mit Q Teil-Batterien (211, 212, 221, 222), mit Q>1; wobei das Verfahren (300) umfasst, - Ermitteln (301) von Messwerten von Teil-Batteriespannungen (202) und Werten von Spannungsgrenzen der Q Teil-Batterien (211, 212, 221, 222); - Identifizieren (302) der Teil-Batterie (221) aus den Q Teil-Batterien (211, 212, 221, 222), deren Messwert der Teil-Batteriespannung (202) am nächsten bei dem jeweiligen Wert der Spannungsgrenze liegt; - Ermitteln (303), auf Basis des Wertes der Spannungsgrenze der identifizierten Teil-Batterie (221), eines Wertes der Spannungsgrenze der Batterie (110); und - Betreiben (304) der Batterie (110) auf Basis des ermittelten Wertes der Spannungsgrenze der Batterie (110).