DE102022116264A1 - Verfahren zum parallelen elektrischen Verbinden eines Satzes von Batteriepaketen, ein elektronisches Steuergerät, ein Computerprogramm, ein computerlesbares Speichermedium, ein Batteriesystem und ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Satzes von Batteriepaketen (6) in parallel, um Ausgleichsströme (13) aufgrund von inhomogenen Batteriepaketen (6) zu reduzieren. Um die Ausgleichsströme (13) minimal zu halten, wird ein erstes Batteriepaket (9) mit einem höchsten (Ugrp,max) oder mit einem niedrigsten (Ugrp,min)) gemessenen Spannungswert ausgewählt und mit einem Ausgang (8) des Batteriesystems (4) verbunden. Für die Auswahl eines zweiten Batteriepakets (10) aus den verbleibenden Batteriepaketen (6) wird mittels einer Entscheidungsmatrix (18) auf Basis einer Auswahl von Eingangsparametern (17) ein maximal zulässiger Abweichungsschwellenwert (ΔUlim) ermittelt. Das zweite Batteriepaket (10) wird so an den Ausgang (8) angeschlossen, dass die Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert (Uk) des zweiten Batteriepakets (10) und dem gemessenen Spannungswert (Ugrp,max, Ugrp,min) des ersten Batteriepakets (9) kleiner oder gleich dem Abweichungsschwellenwert (ΔUlim) ist.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum parallelen elektrischen Verbinden eines Satzes von Batteriepaketen, ein elektronisches Steuergerät, ein Computerprogramm, ein computerlesbares Speichermedium, ein Batteriesystem und ein Kraftfahrzeug.
• Stand der Technik
• Es ist bekannt, ein Hochvolt-Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug bereitzustellen, das mindestens zwei Batteriepakete umfasst, die jeweils ein oder eine Gruppe von Batteriemodulen umfassen können, wobei jedes Batteriemodul eine Gruppe von Batteriezellen umfasst. Die Batteriepakete bilden zusammen das Batteriesystem und stellen die elektrische Energie für elektrische Antriebe oder andere Nebenaggregate des Kraftfahrzeugs bereit. Die Batteriepakete sind in der Regel an verschiedenen Stellen des Kraftfahrzeugs angeordnet.
• Um mehrere Batteriepakete sicher miteinander zu verbinden, z. B. beim Anfahren, sollten die Batteriepakete die gleichen Betriebsparameter wie Spannung, Temperatur und Ladezustand (SOC) aufweisen. Andernfalls können Ungleichgewichte bei einem Parameter zu großen Ausgleichsströmen zwischen den angeschlossenen Batteriepaketen führen, was zu einer Verringerung der Lebensdauer oder sogar zu einer Beschädigung der Schütze und Batteriezellen in den Batteriepaketen führen würde.
• Insbesondere die Verbindung mehrerer Batteriepakete führt zu hohen Ausgleichsströmen. Dies kann aufgrund von Temperatur-, Ladezustands- und Spannungsunterschieden zwischen den jeweiligen Akkupacks zu einem schnellen Kapazitätsabfall der Batteriezellen, insbesondere von Lithium-lonen-Batteriezellen, führen. Dies führt insgesamt zu einem geringeren Energiedurchsatz des Batteriesystems, da Energiekapazitäten in den einzelnen Batteriepaketen ungenutzt bleiben, wenn inhomogene Batteriepakete verbunden werden. Im Extremfall können große Stromungleichgewichte zur Zerstörung von Hochspannungskomponenten im Batteriesystem führen, wie z.B. Schütze oder ein Vorladewiderstand.
• EP 3 078 073 B1 beschreibt ein Verfahren zum Symmetrieren einer aus mehreren Batteriezellen bestehenden Batterie, bei dem aus einer Gruppe zufällig ausgewählter, zu symmetrierender Batteriezellen eine erste Gruppe von Batteriezellen, die auf einen vollen Ladezustand (SOC) geladen sind, und eine zweite Gruppe von Batteriezellen, die teilweise auf einen bevorzugten, unter dem vollen Ladezustand liegenden Ladezustand geladen sind, herausgefiltert werden. Zum Ausgleich werden die Batteriezellen der ersten Gruppe überbrückt, um die Batteriezellen der zweiten Gruppe zu laden, bis die Batteriezellen beider Gruppen den bevorzugten Ladezustand erreichen. Die Auswahl der Batteriezellen innerhalb der Batterie kann permutiert werden, um eine gleichmäßige Verteilung des Ladezustands über alle Batteriezellen der Batterie zu erreichen. Da nur einzelne Batteriezellen symmetriert werden, tritt das Problem der Ausgleichsströme, die so hoch sind, dass sie die Schütze des Batteriesystems beschädigen können, nicht auf.
• DE 10 2009 000 055 A1 zeigt eine Batterie, die aus einer Vielzahl von Batteriezellen besteht, wobei die Batteriezellen mittels einer Energieumwandlungsschaltung symmetriert werden. Es wird eine erste Gruppe von Batteriezellen mit einem höheren Ladezustand oberhalb eines mittleren Schwellenladezustandes ausgewählt, die ihre überschüssige elektrische Energie über die Energieumwandlungsschaltung an eine zweite Gruppe von Batteriezellen, deren Ladezustand unterhalb des mittleren Schwellenladezustandes liegt, abgeben sollen, bis die Batteriezellen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe den mittleren Schwellenladezustand erreichen.
• DE 10 2018 000 581 A1 beschreibt ein Verfahren zum Symmetrieren einer aus mehreren Batteriezellen bestehenden Batterie, wobei jede Batteriezelle durch ein Steuergerät auf einen Ladezustand abgestimmt wird, der innerhalb eines Bereichs eines durchschnittlichen Ladezustands aller Batteriezellen liegt, indem das Steuergerät die jeweilige Batteriezelle einzeln lädt oder entlädt. Weiterhin wird eine Diagnoseinformation über den Gesundheitszustand der jeweiligen Batteriezelle berücksichtigt, wobei defekte Batteriezellen vollständig entladen werden.
• Darstellung der Erfindung
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Niederhalten von Ausgleichsströmen in einem Batteriesystem bereitzustellen, das einen Satz von Batteriepaketen umfasst, die elektrisch parallel verbunden sind.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Satzes von Batteriepaketen in parallel mit einem Ausgang mittels einer Schaltanordnung, um ein Batteriesystem, bevorzugt für ein Kraftfahrzeug, zu bilden, wobei jedes der jeweiligen Batteriepakete eine Anzahl von Batteriezellen umfasst, wobei ein Spannungswert für jedes Batteriepaket mittels einer Sensoranordnung gemessen wird. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
• - Auswählen eines ersten Batteriepakets aus dem Satz von Batteriepaketen, wobei das erste Batteriepaket den höchsten gemessenen Spannungswert oder den niedrigsten gemessenen Spannungswert aufweist;
• - Verbinden des ersten Batteriepakets mit dem Ausgang;
• - Einstellen eines maximal zulässigen Abweichungsschwellenwerts für das Verbinden eines zweiten Batteriepakets aus dem Satz von Batteriepaketen;
• - Auswählen eines zweiten Batteriepakets aus dem Satz von Batteriepaketen derart, dass die Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert des zweiten Batteriepakets und dem gemessenen Spannungswert des ersten Batteriepakets kleiner oder gleich dem Abweichungsschwellenwert ist; und
• - Verbinden des zweiten Batteriepakets mit dem Ausgang.
• Mit anderen Worten, das Batteriesystem kann einen Satz von Batteriepaketen umfassen, die mittels der Schaltanordnung mit dem Ausgang des Batteriesystems verbunden sind, um elektrische Energie für eine Hochspannungskomponente des Kraftfahrzeugs bereitzustellen oder um elektrische Energie von einer Ladevorrichtung, wie beispielsweise einem Bordladegerät des Kraftfahrzeugs, über den Ausgang zu empfangen. Die Aufnahme von elektrischer Energie über den Ausgang kann ein Ladevorgang des Batteriesystems sein, während die Abgabe von elektrischer Energie an die Hochspannungskomponente über den Ausgang ein Entladevorgang des Batteriesystems sein kann.
• Die Batteriepakete können an verschiedenen Stellen in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein.
• Die Batteriezellen in den Batteriepaketen können in Batteriemodulen innerhalb des Batteriepakets angeordnet sein. Die Batteriemodule können aus einer Vielzahl von Batteriezellen bestehen, die in dem Batteriemodul in Reihe oder parallel geschalten sind, um die gewünschte Spannung und/oder Kapazität bereitzustellen.
• Die Batteriemodule in den Batteriepaketen können in Reihe oder parallel oder in einer Kombination davon verbunden werden, um die gewünschte Spannung und/oder Kapazität des Batteriepakets bereitzustellen, z.B. eine 400-V- oder 800-V-Anordnung.
• Ein Batteriesatz kann ein Gehäuse umfassen, das die Batteriezellen und/oder die Batteriemodule aufnimmt. Das Gehäuse stellt bevorzugt eine dichte Umschließung dar, so dass das Batteriepaket sicher im Kraftfahrzeug untergebracht werden kann.
• Die Batteriepakete des Kraftfahrzeugs können bevorzugt parallel geschaltet werden, um die gewünschte Gesamtkapazität des Batteriesystems zu erreichen, können aber auch in Reihe geschaltet werden, wenn durch die Kombination eine gewünschte Ausgangsspannung des Batteriesystems erreicht werden soll.
• Es ist bekannt, ein Hochspannungsbatteriesystem für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug bereitzustellen, das mindestens zwei Batteriepakete umfasst, die jeweils ein oder eine Gruppe von Batteriemodulen umfassen können, wobei jedes Batteriemodul eine Gruppe von Batteriezellen umfasst. Die Batteriepakete bilden zusammen das Batteriesystem und stellen die elektrische Energie für elektrische Antriebe oder andere Nebenaggregate des Kraftfahrzeugs bereit. Die Batteriepakete sind in der Regel an verschiedenen Stellen des Kraftfahrzeugs angeordnet.
• Die Batteriepakete oder Batteriemodule können zum Beispiel aus Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batteriezellen umfassen. Die Batteriesätze können auch mindestens ein Batteriemodul umfassen, wobei jedes Batteriemodul eine Gruppe von Batteriezellen umfasst.
• Die Batteriepakete können über die Schaltanordnung parallel mit dem Ausgang verbunden werden, wobei jeder Batteriesatz eine Gruppe von in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriemodulen und/oder Batteriezellen umfassen kann.
• Das Batteriesystem kann ferner eine Sensoranordnung, insbesondere eine Messsonde, umfassen, die mit einem Steuergerät verbunden ist und dazu geeignet ist, einen Spannungswert jedes Batteriepakets und/oder jedes Batteriemoduls und/oder jeder Batteriezelle des jeweiligen Batteriepakets zu messen. Das Steuergerät kann den Spannungswert jedes Batteriepakets und/oder jedes Batteriemoduls und/oder jeder Batteriezelle des jeweiligen Batteriepakets mittels der Sensoranordnung messen. Das Steuergerät kann beispielsweise den Spannungswert des jeweiligen Batteriepakets durch Aufsummieren der gemessenen Spannungswerte jeder Batteriezelle oder jedes Batteriemoduls in dem jeweiligen Batteriepaket berechnen. Der Spannungswert für jedes Batteriepaket und/oder für jedes Batteriemodul und/oder jede Batteriezelle kann bevorzugt in jedem Zyklus gemessen werden, insbesondere bevor das erste Batteriepaket ausgewählt wird.
• Ergänzend kann das Steuergerät die Spannung jedes Batteriepakets vor der Auswahl des ersten Batteriepakets messen, wenn die Anzahl der bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete Null ist. Ist die Anzahl der bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete größer als Null, kann das Steuergerät den Schritt des Verbindens des ersten Batteriepakets mit dem Ausgang in jedem Verbindungszyklus auslassen.
• Falls die Anzahl der bereits an den Ausgang angeschlossenen Batteriepakete Null ist, kann das erste Batteriepaket aus der Menge aller Batteriepakete des Batteriesystems mit dem höchsten oder dem niedrigsten gemessenen Spannungswert ausgewählt und mit dem Ausgang verbunden werden. Der maximal zulässige Abweichungsschwellenwert dient zur Begrenzung des Ausgleichsstroms zwischen den bereits an den Ausgang angeschlossenen Batteriepaketen, zu denen das erste Batteriepaket gehört, und dem kürzlich angeschlossenen zweiten Batteriepaket. Der Abweichungsschwellenwert kann ein fester Spannungswert sein, beispielsweise ein Spannungswert kleiner oder gleich 10 V.
• Um den Ausgleichsstrom zu begrenzen, kann das zweite Batteriepaket oder die Gruppe der zweiten Batteriepakete so ausgewählt werden, dass der Betrag der Abweichung zwischen dem gemessenen Spannungswert des zweiten Batteriepakets und dem gemessenen Spannungswert des ersten Batteriepakets kleiner oder gleich dem Abweichungsschwellenwert ist. Dies kann durch die folgende Gleichung für den Fall ausgedrückt werden, dass das erste Batteriepaket mit dem höchsten gemessenen Spannungswert ausgewählt wird $$0\le \left|\left({\text{U}}_{\text{grp}\text{,max}}-{\text{U}}_k\right)\right|\le \mathrm{\Delta }{\text{U}}_{\text{lim}}$$

  

  wohingegen der Fall der Auswahl des ersten Batteriepakets mit dem niedrigsten gemessenen Spannungswert durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann, $$0\le \left|\left(U_{grp,min}-U_k\right)\right|\le \mathrm{\Delta }{U}_{lim}$$

  

  wobei U_grp,max die höchste Spannung und U_grp,min die niedrigste Spannung des ersten Batteriepakets bezeichnen, das eine Gruppe von seriell und/oder parallel geschalteten Batteriezellen umfasst. Das Batteriesystem kann insgesamt k Batteriepakete umfassen, wobei ein Spannungswert U_k des Batteriepakets k für jedes Batteriepaket des Batteriesystems von dem Steuergerät mittels der Sensoranordnung gemessen werden kann. Dies kann durch die Beziehung U_grp,max ∈ U_k und U_grp,min ∈ U_k ausgedrückt werden. Der höchste oder der niedrigste gemessene Spannungswert kann deshalb sein: $${\text{U}}_{\text{grp}\text{,max}}=\text{max}\left({\text{U}}_1,{\text{ U}}_2,\cdots ,{\text{ U}}_{\text{k}}\right)$$

  

  $$U_{grp,min}=min\left(U_1,U_2,\dots ,U_k\right)$$

  
• Das Batteriesystem kann zum Beispiel 10 verschiedene Batteriepakete umfassen, die noch nicht an den Ausgang angeschlossen sind, daher k ∈ {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}. Das jeweilige Batteriepaket k kann aus n Batteriezellen bestehen, die in Reihe geschaltet sein können, wobei die Spannung jeder Batteriezelle n im Batteriepaket k mit U_k,n bezeichnet werden kann. Der gemessene Spannungswert des jeweiligen Batteriepakets U_k kann daher von dem Steuergerät wie folgt berechnet werden: $${\text{U}}_k={\text{U}}_{k\mathrm{,1}}+\cdots +{\text{U}}_{k,\text{n}}$$

  
• Der Zyklus kann beendet werden, wenn die Anzahl der noch nicht mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete k gleich Null ist oder wenn die Anzahl der mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete gleich k ist. Dieses Verfahren minimiert einen Ausgleichsstromfluss, während mehrere Batteriepakete mit unterschiedlichem Spannungs- und/oder Temperatur- und/oder Ladezustandsniveaus mit dem Ausgang des Batteriesystems verbunden sind.
• Das Batteriesystem kann ein 400-V- oder ein 800-V-Batteriesystem sein, das für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug geeignet ist.
• Dies hat den Vorteil, dass die Ausgleichsströme in Batteriesystemen, die aus mehreren, insbesondere parallel geschalteten Batteriepaketen bestehen, im Vergleich zu einer Vorgehensweise, bei der alle Batteriepakete gleichzeitig verbunden werden, reduziert werden. Dies verhindert die Zerstörung von Hochspannungskomponenten wie z.B. Schütze durch hohe Ausgleichsströme, die nach dem Anschließen der Batteriepakete auftreten können. Dies verhindert auch einen schnellen Kapazitätsabfall des Batteriesystems, insbesondere einen Alterungsprozess einer Batteriezelle durch hohe Ausgleichsströme nach dem Verbinden inhomogener Batteriepakete. Darüber hinaus kann der Energiedurchsatz in angeschlossenen Batteriepaketen eines Batteriesystems erhöht werden. Das Batteriesystem hat auch den Vorteil, dass es für einen Lade- oder Entladevorgang verwendet werden kann, auch wenn nicht alle Batteriepakete exakt den gleichen Ladezustand oder die gleiche Spannung haben. Darüber hinaus können abgeklemmte Batteriepakete des Batteriesystems in einem Kraftfahrzeug während des Fahrens oder Ladens eines Kraftfahrzeugs an den Ausgang des Batteriesystems angeschlossen werden, wenn das zulässige Niveau für das Verbinden erreicht ist.
• Typischerweise haben die bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete denselben Spannungswert. Diese gemeinsame Spannung kann als Referenz für einen höchsten U_grp,max oder einen niedrigsten U_grp,min Spannungswert verwendet werden.
• In einer spezifischen Ausführungsform wird das erste Batteriepaket aus der Gruppe der mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete ausgewählt, wenn mindestens ein Batteriepaket aus der Gruppe der Batteriepakete bereits mit dem Ausgang verbunden ist. Mit anderen Worten, ein Lade- oder Entladevorgang, der an den bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete durchgeführt wird, kann den Spannungswert dieser Batteriepakte verändern. Insbesondere kann der Spannungswert jedes der mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verändern. So kann das erste Batteriepaket mit dem höchsten oder niedrigsten gemessenen Spannungswert unter den bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepaketen von vornherein ausgewählt werden, wenn die Anzahl der bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete größer als Null ist und/oder wenn ein Lade- oder Entladevorgang erkannt wird. Wenn die Anzahl der bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete größer als Null ist und/oder ein Lade- oder Entladevorgang erkannt wird, kann das Steuergerät den Spannungswert jedes bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakets messen und/oder den Schritt des Verbindens des ersten Batteriepakets mit dem Ausgang in jedem Zyklus überspringen. Dies ist vorteilhaft, da sich der Spannungswert der bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete durch einen Lade- oder Entladevorgang des Batteriesystems insbesondere mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ändern kann, während der Spannungswert der vom Ausgang getrennten Batteriepakete bis zum Ablauf einer bestimmten Zeitspanne im Wesentlichen konstant bleiben kann.
• Dies hat den Vorteil, dass Änderungen des Energiestandes der mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete aufgrund eines Lade- oder Entladevorgangs berücksichtigt werden können. Ein Ladevorgang der Batteriepakete kann die Bereitstellung von elektrischer Energie für eine Hochspannungskomponente des Kraftfahrzeugs, z. B. einen Elektromotor, sein. Ein Ladevorgang kann darin bestehen, elektrische Energie von einem bordeigenen Ladegerät des Kraftfahrzeugs über den Ausgang zu erhalten. Dies hat zudem den Vorteil, dass abgeklemmte Batteriepakete des Batteriesystems in einem Kraftfahrzeug während des Fahrens oder Ladens eines Kraftfahrzeugs mit dem Ausgang des Batteriesystems verbunden werden können, wenn das zulässige Niveau für das Verbinden erreicht ist.
• In einer Ausführungsform wird das zweite Batteriepaket so ausgewählt, dass die Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert des zweiten Batteriepakets und dem gemessenen Spannungswert des ersten Batteriepakets das kleinste aller Paare von den ersten und zweiten Batteriepaketen ist. Mit anderen Worten: Aus einer Gruppe von zweiten Batteriepaketen, deren Differenz zwischen dem jeweiligen Spannungsmesswert U_k und dem Spannungsmesswert U_grp,max oder U_grp,min des ersten Batteriepakets kleiner oder gleich dem Abweichungsschwellenwert ist, kann ein zweites Batteriepaket mit der geringsten Differenz zwischen dem Spannungsmesswert U_k und dem Spannungsmesswert U_grp,max oder U_grp,min des ersten Batteriepakets ausgewählt werden. Diese Bedingung kann ausgedrückt werden durch: min(|U_grp,max - U_k| ≤ ΔU_lim) oder min(|U_grp,min - U_k| ≤ ΔU_lim) für alle k. Dies hat den Vorteil, dass in jedem Zyklus dasjenige zweite Batteriepaket mit der geringsten Spannungsabweichung vom höchsten bzw. niedrigsten Spannungsmesswert des ersten Batteriepakets ausgewählt wird. Dies hat den Vorteil, dass Ausgleichsströme, die nach dem Verbinden des zweiten Batteriepakets mit ersten Batteriepaket in parallel auftreten, minimiert werden.
• In einer Ausführungsform wird der Abweichungsschwellenwert mittels einer Entscheidungsmatrix bestimmt, die den jeweiligen Abweichungsschwellenwert in Abhängigkeit von einer Anzahl und/oder einer Spannung der bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete und/oder einem durchschnittlichen Ladezustand und/oder einer durchschnittlichen Temperatur des Batteriesystems und/oder eine Strommenge, die in das oder aus dem Batteriesystem fließt, auflistet. Mit anderen Worten, die Entscheidungsmatrix kann eine Nachschlagtabelle oder eine Datenbank sein, die eine Liste von Abweichungsschwellenwerten ΔU_lim enthält, die mit Hilfe einer Simulation oder mit Hilfe von Messstatistiken von Ausgleichsströmen des Batteriesystems unter Verwendung einer Auswahl von mindestens einem der Parameter berechnet werden: der Anzahl N der mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete, des durchschnittlichen Ladezustands SOC_avg, der durchschnittlichen Temperatur T_avg, einer in das oder aus dem Batteriesystem fließenden Strommenge |I| und zusätzlich einer Spannung U_N der mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete. Auf den jeweiligen Abweichungsschwellenwert ΔU_lim kann in der Entscheidungsmatrix, insbesondere der Datenbank, mittels eines jeweiligen Wertes des jeweiligen Parameters basierend auf einem Sensorwert der Sensoranordnung zugegriffen werden. Bevorzugt werden für die Entscheidungsmatrix Sensormesswerte der Parameter Anzahl N der Batteriepakete, durchschnittlicher Ladezustand SOC_avg, durchschnittliche Temperatur T_avg und die Strommenge |I| verwendet.
• Der Abweichungsschwellenwert ΔU_lim kann beispielsweise durch eine Funktion berechnet werden, die auf vier Parametern basiert, wie z. B.: $$\mathrm{\Delta }{U}_{lim}=ƒ\left(SO{C}_{avg},T_{avg},\left|I\right|,N\right)$$

  
• Eine erste Randbedingung für die Differenzspannung kann lauten $$\mathrm{\Delta }{U}_{lim}\le 10V\forall N=\left\{\mathrm{1,}\mathrm{2,}\mathrm{3,}\mathrm{4,}\mathrm{5,}\mathrm{6,}\mathrm{7,}\mathrm{8,}9\right\}$$

  

  wobei N die Anzahl der mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete für die Entscheidungsmatrix bezeichnet.
• Eine zweite Randbedingung für die Differenzspannung ΔU_lim kann sein: $$\mathrm{\Delta }{U}_{lim}=0\forall N=0$$

  
• Wenn die Anzahl der mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete Null ist, also N = 0, kann die Differenzspannung auf Null gesetzt werden.
• Ein Parameter für die Funktion von Gleichung (6) kann der durchschnittliche Ladezustand SOC_avg des Batteriesystems sein, das N Batteriepakete umfasst, die bereits mit dem Batteriesystem verbunden sind. Dieser Parameter kann berechnet werden durch: $$SO{C}_{avg}=\frac{SO{C}_{avg,grp1}+SO{C}_{avg,grp2}+\cdots +SO{C}_{avg,grpN}}{N}$$

  

  wobei SOC_avg,grpN den durchschnittlichen Ladezustand einer Gruppe von Batteriezellen in dem jeweiligen Batteriepaket N bezeichnet, das bereits mit dem Ausgang verbunden ist. Beispielsweise umfasst jedes Batteriepaket eine Gruppe von n Batteriezellen, die in Reihe geschaltet sein können. Daher kann der Ladezustand des jeweiligen Batteriepakets dem niedrigsten Ladezustand der Batteriezelle im jeweiligen Batteriepaket entsprechen. Dies kann durch die Gleichung ausgedrückt werden: $${\text{SOC}}_{\text{avg}\text{,grpN}}=\text{min}\left({\text{SOC}}_{\text{N}\text{,1}},{\text{SOC}}_{\text{N}\text{,2}},\dots ,{\text{SOC}}_{\text{N}\text{,n}}\right)$$

  

  wobei SOC_N,n den Ladezustand der jeweiligen Batteriezelle n im Batteriesatz N angibt.
• Ein Parameter für die Funktion von Gleichung (6) kann die durchschnittliche Temperatur T_avg der an den Ausgang angeschlossenen Batteriepakete sein. Die durchschnittliche Temperatur kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden $${\text{T}}_{\text{avg}}=\frac{{\text{T}}_{\text{avg}\text{,grp1}}+{\text{T}}_{\text{avg}\text{,grp2}}+\cdots +{\text{T}}_{\text{avg}\text{,grpN}}}{\text{N}}$$

  

  wobei T_avg,grpN die durchschnittliche Temperatur einer Gruppe von Batteriezellen in dem jeweiligen Batteriepaket bezeichnet, das bereits mit dem Ausgang verbunden ist. Somit kann die durchschnittliche Temperatur T_avg,grpN des jeweiligen Batteriepakets N ein Durchschnittswert zwischen einer ersten Batteriezelle mit einer höchsten Temperatur T_max(N,1) und einer zweiten Batteriezelle mit einer niedrigsten Temperatur T_min(N,2) in dem jeweiligen Batteriepack N sein: $${\text{T}}_{\text{avg}\text{,grpN}}=\frac{{\text{T}}_{\text{max}\text{,}\left(\text{N}\text{,1}\right)}+{\text{T}}_{\text{min}\text{,}\left(\text{N}\text{,2}\right)}}{2}$$

  

  wobei T_N,n die Temperatur in der jeweiligen Batteriezelle n im Batteriepaket N darstellt.
• Ein Parameter für die Funktion von Gleichung (6) kann die Strommenge |I| sein, die über den Ausgang in oder aus dem Batteriesystem fließt. Beispielsweise kann der Strom während eines Entladevorgangs über den Ausgang aus dem Batteriesystem fließen und während eines Ladevorgangs kann der Strom über den Ausgang in das Batteriesystem fließen. Bei der Auswahl des ersten Batteriepakets, das an den Ausgang angeschlossen werden soll, kann die Richtung des Stroms I berücksichtigt werden. Beispielsweise kann im Falle eines Ladevorgangs das erste Batteriepaket das Batteriepaket mit dem niedrigsten U_grp,min gemessenen Spannungswert sein und im Falle eines Entladevorgangs das erste Batteriepaket das Batteriepaket mit dem höchsten U_grp,max gemessenen Spannungswert.
• Ein Parameter für die Funktion von Gleichung (6) kann die Anzahl N von Batteriepaketen sein, die an den Ausgang des Batteriesystems angeschlossen sind. Das Batteriesystem kann zum Beispiel k Batteriepakete umfassen, wobei jedes Batteriepaket n Batteriezellen umfassen kann. Das Batteriepaket kann beispielsweise eine Anzahl von 1 bis 10 Batteriezellen umfassen, also n ∈ {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}.
• Falls die Gesamtzahl der Batteriepakete im Batteriesystem k beträgt, so kann der Höchstwert für N , der die Zahl der bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete bezeichnet, für die Entscheidungsmatrix, die die Werte für das Verbinden eines weiteren Batteriepakets mit dem Ausgang umfasst, 0 bis N = k - 1 betragen, also N ∈ {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}, wenn k = 10. Beträgt die Anzahl der bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete hingegen k, also N = k, kann der Zyklus beendet werden, da alle Batteriepakete bereits verbunden sind.
• Ergänzend kann die Spannung U_N der bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete als Parameter für den Abweichungsschwellenwert ΔU_lim berücksichtigt werden. Dies kann für einen dynamischen Fall vorteilhaft sein, in dem sich ein Spannungswert des jeweiligen mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakets durch einen Lade- oder Entladevorgang ändern kann. Die Spannung U_N kann z.B. eine höchste, eine niedrigste oder eine durchschnittliche Spannung des mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakets sein. Die jeweiligen mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete können aufgrund eines Lade- oder Entladevorgangs, der am Batteriesystem durchgeführt wird, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit geladen oder entladen werden. Dies kann auf unterschiedliche Lebenszyklen oder Alterung der Batteriezellen in den jeweiligen Batteriepaketen zurückzuführen sein. Daher kann der höchste U_grp,max bzw. niedrigste U_grp,min Spannungsmesswert der Batteriepakete, bevorzugt der bereits mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete, in jedem Zyklus neu gemessen werden, wenn ein Lade- oder Entladevorgang von dem Steuergerät erkannt wird.
• Dies hat den technischen Effekt, dass der maximal zulässige Abweichungsschwellenwert an die jeweilige Betriebsart des Batteriesystems angepasst wird, um die Ausgleichsströme in jeder Betriebsart aufgrund einer Auswahl der jeweiligen Betriebsparameter des Batteriesystems gering zu halten. Die Verwendung einer Entscheidungsmatrix, insbesondere als Datenbank für den Zugriff auf den jeweiligen Abweichungsschwellenwert auf der Grundlage einer Auswahl der genannten Parameter, kann außerdem die Verarbeitungszeit eines Steuergeräts verringern, wenn eine begrenzte Anzahl von Eingabeparametern für die Bestimmung des Abweichungsschwellenwertes verwendet wird. Wird beispielsweise eine Auswahl von drei der genannten Parameter zur Bestimmung des Abweichungsschwellenwerts verwendet, wie die Anzahl der mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete, der durchschnittliche Ladezustand und die durchschnittliche Temperatur, kann die zum Abrufen des Abweichungsschwellenwerts aus der Datenbank erforderliche Zeit weniger Zeit erfordern als die Durchführung einer Simulation durch das Steuergerät.
• In einer Ausführungsform wird der Abweichungsschwellenwert mittels einer Simulation des Batteriesystems berechnet, insbesondere mittels einer Simulation von Ausgleichsströmen im Batteriesystem basierend auf der Anzahl und/oder einer Spannung der bereits mit Ausgang verbundenen Batteriepakete und/oder dem durchschnittlichen Ladezustand und/oder der durchschnittlichen Temperatur des Batteriesystems und/oder die in das oder aus dem Batteriesystem fließenden Strommenge. Mit anderen Worten, die Simulation kann eine maximal zulässige Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten, mit dem Ausgang zu verbindenden Batteriepaket und dem höchsten oder niedrigsten gemessenen Spannungswert des ersten Batteriepakets auf der Grundlage eines zulässigen Ausgleichsstroms berechnen. Der zulässige Ausgleichsstrom kann auf der Grundlage von Sensormesswerten der Sensoranordnung simuliert werden, die auf mindestens einem der folgenden Parameter basieren: der Anzahl N der mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete, dem durchschnittlichen Ladezustand SOC_avg, der durchschnittlichen Temperatur T_avg, einer in das oder aus dem Batteriesystem fließenden Strommenge |I| und zusätzlich einer Spannung U_N der an mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete. Bevorzugt werden für die Simulation die Sensormesswerte der Parameter Anzahl N der Batteriepakete, der durchschnittliche Ladezustand SOC_avg, die durchschnittlichen Temperatur T_avg und die Strommenge |I| verwendet.
• Die Verwendung einer Simulation in jedem Zyklus zum Verbinden des zweiten Batteriepakets mit dem Ausgang hat zudem den technischen Effekt, dass der maximal zulässige Abweichungsschwellenwert an die jeweilige Betriebsart des Batteriesystems angepasst wird, um die Ausgleichsströme in jeder Betriebsart gering zu halten. Die Verwendung einer Simulation kann vorteilhaft sein, wenn mehrere Eingangsparameter zur Bestimmung des Abweichungsschwellenwertes verwendet werden, beispielsweise mehr als drei Parameter. In diesem Fall kann die Verarbeitungszeit der Simulation kürzer sein als die Zeit, die erforderlich ist, um den jeweiligen Abweichungsschwellenwert aus der Datenbank abzurufen.
• In einer Ausführungsform wird das erste Batteriepaket mit dem höchsten gemessenen Spannungswert ausgewählt, um bei einem Entladevorgang des Batteriesystems mittels der Schaltanordnung mit dem Ausgang verbunden zu werden, und/oder dass das erste Batteriepaket mit dem niedrigsten gemessenen Spannungswert ausgewählt wird, um bei einem Ladevorgang des Batteriesystems mittels der Schaltanordnung mit dem Ausgang verbunden zu werden. Mit anderen Worten, das Steuergerät kann den Lade- oder Entladebetrieb basierend auf einen Sensormesswert des Stromflusses I mittels der Sensoranordnung erkennen und/oder ob elektrische Energie von einer Kraftfahrzeugschnittstelle zum Ausgang des Batteriesystems benötigt oder angefordert werden kann. Im Falle eines Entladevorgangs, z.B. zur Bereitstellung von elektrischer Energie für einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs, kann das erste Batteriepaket mit dem höchsten gemessenen Spannungswert und/oder dem höchsten Ladezustand zuerst mit dem Ausgang des Batteriesystems zum Entladen verbunden werden. Die Entladung kann ferner die Spannung des ersten Batteriepakets reduzieren, so dass die Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert U_k des zweiten Batteriepakets und dem gemessenen Spannungswert des ersten Batteriepakets nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne für eine erste Entladung des ersten Batteriepakets weiter verringert werden kann.
• Ergänzend oder alternativ kann im Falle eines Ladevorgangs, z. B. bei der Aufnahme von elektrischer Energie von einem Bordladegerät eines Kraftfahrzeugs, das erste Batteriepaket mit dem niedrigsten Spannungsmesswert und/oder dem niedrigsten Ladezustand zuerst mit dem Ausgang des Batteriesystems zum Laden verbunden werden. Durch das Laden kann ferner die Spannung des ersten Batteriepakets erhöht werden, so dass die Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert des zweiten Batteriepakets und dem gemessenen Spannungswert des ersten Batteriepakets nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne für ein erstes Laden des ersten Batteriepakets weiter verringert werden kann.
• Ergänzend kann das Steuergerät, wenn die Anzahl der zweiten Batteriepakete, deren Differenzbetrag zwischen dem gemessenen Spannungswert des zweiten Batteriepakets und dem gemessenen Spannungswert des ersten Batteriepakets kleiner oder gleich dem Abweichungsschwellenwert ist, Null ist, die mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete, insbesondere das erste Batteriepaket, für die vorgegebene Zeitspanne laden oder entladen, bevor es die Auswahl des zweiten Batteriepakets aus den verbleibenden nicht angeschlossenen Batteriepaketen wieder aufnimmt.
• Dies hat den Vorteil, dass ein Ungleichgewicht zwischen dem ersten und dem zweiten Batteriepaket weiter reduziert werden kann, indem die Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert des zweiten Batteriepakets und dem gemessenen Spannungswert des ersten Batteriepakets vor dem Verbinden des zweiten Batteriepakets verringert wird.
• Die Erfindung betrifft auch ein Steuergerät für ein Batteriesystem, bevorzugt ein Batteriemanagementsystem, umfassend Mittel, die geeignet sind, die Schritte des besagten Verfahrens auszuführen. Mit anderen Worten kann das Steuergerät eine Sensoranordnung zur Messung mindestens eines Parameters der Anzahl N der mit dem Ausgang verbundenen Batteriepakete, des durchschnittlichen Ladezustands SOC_avg, der durchschnittlichen TemperaturT_avg, eines in das oder aus dem Batteriesystem fließenden Stroms I und zusätzlich einer Spannung U_k der Batteriepakete, insbesondere einer Spannung der Batteriemodule und/oder der Batteriezellen im jeweiligen Batteriepaket, umfassen oder mit dieser verbunden werden. Das Steuergerät kann ferner eine Kommunikationsschnittstelle zum Senden eines Verbindungs- oder Trennungsbefehls an die Schaltanordnung umfassen, beispielsweise eines Befehls zum Öffnen oder Schließen der jeweiligen Schalter, die das jeweilige Batteriepaket mit der Schaltanordnung verbinden oder von ihr trennen. Das Steuergerät kann mindestens einen Prozessor und ein computerlesbares Speichermedium umfassen, wobei das computerlesbare Speichermedium Anweisungen umfasst, die bei Ausführung durch den mindestens einen Prozessor das Steuergerät veranlassen, das Verfahren an den Batteriepaketen eines Batteriesystems auszuführen. Dabei kann es sich bei dem Steuergerät um ein Batteriemanagementsystem einer Batterie, bevorzugt für ein Kraftfahrzeug, handeln. Der mindestens eine Prozessor kann ein Mikroprozessor und/oder ein Mikrocontroller und/oder ein FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder ein DSP (Digitaler Signalprozessor) sein.
• Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, um das Steuergerät zu veranlassen, die Schritte des Verfahrens auszuführen. Mit anderen Worten, das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium in einem Steuergerät einer Batterie, bevorzugt eines Batteriemanagementsystems, installiert sein.
• Die Erfindung bezieht sich auch auf ein computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Mit anderen Worten, das computerlesbare Speichermedium kann eine Lochkarte, ein (Disketten-)Speichermedium, eine Festplatte, eine CD, eine DVD, ein USB (Universal Serial Bus)-Speichergerät, ein RAM (Random Access Memory), ein ROM (Read Only Memory) und/oder ein EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) sein. Bevorzugt kann das computerlesbare Speichermedium ein RAM oder ein ROM sein, wobei insbesondere ein Flash-Speicher verwendet wird. Bei dem computerlesbaren Speichermedium kann es sich auch um ein Datenkommunikationsnetz handeln, das das Herunterladen eines Programmcodes ermöglicht, wie z.B. das Internet, oder um weitere Systeme. Das Steuergerät, bevorzugt das Batteriemanagementsystem, umfasst das computerlesbare Speichermedium. Das Computerprogramm kann bevorzugt eine eingebettete Systemanwendung sein, die bevorzugt in der Programmiersprache C implementiert sein kann.
• Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Batteriesystem, bevorzugt für ein Kraftfahrzeug, das das Steuergerät, bevorzugt das Batteriemanagementsystem, umfasst. Das Batteriesystem kann eine Kraftfahrzeugbatterie darstellen, beispielsweise eine Lithium-Ionen- oder eine Lithium-Polymer-Batterie.
• Das Batteriesystem kann eine Sensoranordnung zur Messung mindestens einer der folgenden Parameter umfassen: die Anzahl N der an den Ausgang angeschlossenen Batteriepakete, der durchschnittliche Ladezustand SOC_avg, die durchschnittliche Temperatur T_avg, einen in das oder aus dem Batteriesystem fließenden Strom I und zusätzlich eine Spannung U_k der Batteriepakete, insbesondere eine Spannung der Batteriezellen im jeweiligen Batteriepaket.
• Das Batteriesystem kann ferner eine Kommunikationsleitung zum Senden eines Verbindungs- oder Trennungsbefehls an die Schaltanordnung umfassen, beispielsweise eine Befehlsleitung zum Öffnen oder Schließen der jeweiligen Schalter, die das jeweilige Batteriepaket mit der Schaltanordnung verbinden oder von ihr trennen. Ferner kann das Batteriesystem dazu eingerichtet sein, von dem Steuergerät und/oder dem Computerprogramm gesteuert zu werden, das von mindestens einem Prozessor des Steuergeräts ausgeführt wird, so dass ein Lade- oder Entladevorgang des Batteriesystems von dem Steuergerät erkannt und das Verfahren zum Verbinden oder Trennen eines Batteriepakets vom Ausgang von dem Steuergerät ausgeführt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass ein konstantes Betriebsspannungsniveau durch das Batteriesystem bereitgestellt werden kann und dass das Symmetrieren des Batteriesystems mit der aktuellen Betriebsart des Batteriesystems nicht kollidiert.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug umfassend das Batteriesystem und/oder das Steuergerät.
• Das Kraftfahrzeug kann Hochspannungskomponenten umfassen, die geeignet sind, elektrische Energie über eine Kraftfahrzeugschnittstelle und den Ausgang des Batteriesystems aufzunehmen oder an das Batteriesystem zu übertragen. Dazu kann das Kraftfahrzeug eine Schnittstelle aufweisen, die mit dem Ausgang des Batteriesystems verbunden wird. Bei den Hochspannungskomponenten kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor oder ein On-Board-Ladegerät handeln. Das Fahrzeug kann als Kraftfahrzeug, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgebildet sein, wobei das Kraftfahrzeug insbesondere als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist.
• Kurze Beschreibung der Figuren
• Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 ist eine schematische Darstellung eines Batteriesystems, das aus einem Satz von Batteriepaketen besteht, die über eine Schnittstelle mit Hochspannungskomponenten eines Kraftfahrzeugs verbunden sind;
• 2 ist eine schematische Darstellung einer Befehlsschleife für ein Steuergerät des Batteriesystems zur Verbindung eines Batteriepakets mit einem Ausgang des Batteriesystems; und
• 3 ist ein schematisches Flussdiagramm des Verfahrens zum Verbinden eines Batteriepakets mit dem Ausgang des Batteriesystems.
• Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
• Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 4, das geeignet ist, über einen Ausgang 8 des Batteriesystems 4 und eine entsprechende Kraftfahrzeugschnittstelle 2 des Kraftfahrzeugs 1 elektrische Energie 15 an eine Hochspannungskomponente 2 eines Kraftfahrzeugs 1 abzugeben bzw. elektrische Energie 15 von einer Hochspannungskomponente 2 des Kraftfahrzeugs 15 zu empfangen. Bei der Hochspannungskomponente 2 kann es sich beispielsweise um ein Bordladegerät oder einen Elektromotor handeln.
• In einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug 1 mit einem Hochvolt-Batteriesystem 4 sind beispielsweise mehrere Batteriepakete 6 in das Batteriesystem 4 integriert, die gemeinsam die elektrische Energie 15 für eine Hochvoltkomponente 2 des Kraftfahrzeugs 1, wie elektrische Antriebe oder Nebenaggregate, bereitstellen. Jedes der Batteriepakete 6 verfügt über eigene Hochspannungsschütze und kann somit separat von der Schaltanlage 11 über die Schalter 12 zu- und abgeschaltet werden, um die benötigte elektrische Energie 15 dem Kraftfahrzeug 1 über den Ausgang 8 zur Verfügung zu stellen bzw. die elektrische Energie 15 von diesem zu erhalten.
• Das Batteriesystem 4 umfasst einen Satz von k Batteriepaketen 6 mit einem jeweiligen Ladezustand SOC_k, welche dazu eingerichtet sind, über die Schaltanordnung 11 elektrisch verbunden zu werden, wobei durch ein Schließen oder Öffnen des Schalters 12 das jeweilige Batteriepaket 6 mit der Schaltanordnung 11 verbunden oder von dieser getrennt werden kann. Beispielsweise kann die Schaltanordnung 11 dazu eingerichtet sein, die Batteriepakete 6 elektrisch parallel zu schalten. Insbesondere kann die Schaltanordnung 11 dazu eingerichtet sein, die Batteriepakete 6 zunächst in Reihe zu schalten und dann in Abhängigkeit von einer gewünschten Hochspannungsarchitektur parallel zu schalten. Ein Steuergerät 3, beispielsweise ein Batteriemanagementsystem, kann dazu eingerichtet sein, mittels einer Sensoranordnung die in das Batteriesystem 4, insbesondere in die jeweiligen mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepakete 6, ein- bzw. ausfließende elektrische Strommenge |I| über eine Verbindungsregelschleife 14 zu regeln und/oder zu messen.
• Das Steuergerät 3 kann dazu eingerichtet sein, die Batteriepakete 6 des Batteriesystems 4 über die Schaltanordnung 11, d.h. durch Schließen oder Öffnen des jeweiligen Schalters 12, zu- oder abzuschalten, um das Batteriesystem 4 an eine in einer aktuellen Betriebsart des Batteriesystems 4, wie z.B. einem Lade- oder Entladebetrieb, an eine Hochvoltkomponente 2 des Kraftfahrzeugs 1 zu übertragende elektrische Energiemenge 15 anzupassen. Das jeweilige Batteriepaket 6 umfasst eine Gruppe von n Batteriezellen 7, die parallel (oder in einer alternativen Ausführungsform in Reihe) geschaltet sind, wobei die jeweilige Batteriezelle n im Batteriepaket k einen individuellen Ladezustand SOC_k,n aufweisen kann.
• Dies kann dazu führen, dass die Batteriepakete 6 jeweils einen unterschiedlichen Ladezustand SOC_k aufweisen können, wodurch Ausgleichströme 13 zwischen den jeweiligen Batteriepaketen 6 auftreten. Beim Parallelschalten der Batteriepakete 6 mittels der Schaltanordnung 11 an den Ausgang 8 kann es zu einem Ausgleichsstromfluss 13 kommen, der so hoch sein kann, dass er Schäden am Batteriesystem 4, wie z.B. Schütze oder einen Vorladewiderstand oder eine elektrische Sicherung, verursacht. Der Ausgleichsstrom 13 kann von dem ersten Batteriepaket 9, das mit dem höchsten Ladezustand SOC₁ und/oder der höchsten Spannung U_grp,max mit dem Ausgang 8 verbunden ist, zu den Batteriepaketen 6 fließen, die mit einem niedrigeren Ladezustand mit dem Ausgang 8 verbunden sind, wie z. B. das Modul 6 mit dem jeweiligen Ladezustand SOC₂. Andernfalls kann der Ausgleichsstrom 13 von den an den Ausgang 8 angeschlossenen Batteriepaketen 6 mit höherem Ladezustand zum ersten Batteriepaket 9 mit dem niedrigsten Ladezustand SOC₁ und/oder der niedrigsten Spannung U_grp,min fließen, das mit dem Ausgang 8 verbunden ist.
• Um mehrere Batteriepakete 6 sicher parallel zu schalten, sollten die Batteriepakete 6 die gleiche Spannung, Temperatur und den gleichen Ladezustand haben. Andernfalls kann es bei Ungleichgewichten zu einem Ausgleichsstrom 13 kommen, der zwischen den über die Schaltanordnung 11 elektrisch verbundenen Batteriepaketen 6 fließt. Wenn die Spannung und der Ladezustand der angeschlossenen Batteriepakete 6 und 9 oberhalb eines Schwellenwertes, insbesondere eines Spannungsschwellenwertes ΔU_lim, unterschiedlich sind, können Ausgleichsströme 13 auftreten, die groß genug sind, um Schäden an den Schaltern 12 und an den Batteriepakets 6 zu verursachen. Die Höhe des Ausgleichsstroms 13 kann von den Parametern einer Anzahl N von Batteriepaketen 6, die mittels der Schaltanordnung 11 parallel geschaltet sind, und/oder einem durchschnittlichen Ladezustand SOC_avg und/oder einer durchschnittlichen Temperatur T_avg der N verbundenen Batteriepakete 6 und 9 und/oder einer Höhe des Stromflusses |I| in oder aus dem Batteriesystem 4 abhängen. Im Beispiel der 1 sind die beiden Batteriepakete 6 und 9 mittels der Schaltanordnung 11 parallel geschaltet, wobei die jeweiligen Schalter 12 geschlossen sind, also N = 2 im Beispiel der 1.
• Die Reduzierung des Ausgleichsstroms 13 erfolgt mittels der Verbindungsbefehlsschleife 14, die von dem Steuergerät 3 ausgeführt werden kann, die die Parameter für den Ausgleichsstrom 13 in einen Spannungsschwellenwert ΔU_lim übersetzen kann, um mittels einer Entscheidungsmatrix 18 und/oder einer Simulation zu entscheiden, ob ein zweites Batteriepaket 10 an die Schaltanordnung 11 angeschlossen wird oder nicht. Dies ist in 2 näher dargestellt.
• 2 zeigt schematisch die Befehlsschleife 14 für das Steuergerät 3 des Batteriesystems 4 zum Entscheiden, ob ein zweites Batteriepaket 10 mit dem Ausgang 8 des Batteriesystems 4 mittels des Steuergeräts 3 verbunden werden soll, wobei das Steuergerät 3 zur Ausführung der Verbindungsbefehlsschleife 14 ausgebildet sein kann. Dazu kann das Steuergerät 3 dazu eingerichtet sein, mittels einer Sensoranordnung die Anzahl N der bereits an den Ausgang 8 angeschlossenen Batteriepakete 6 und/oder einen durchschnittlichen Ladezustand SOC_avg und/oder eine durchschnittliche Temperatur T_avg und/oder einen über den Ausgang 8 in das oder aus dem Batteriesystem 4 fließenden Strom I und/oder einen aktuellen Spannungswert U_N der bereits mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepakete 6 zu messen. Die Sensoranordnung kann z.B. eine Messsonde sein. Als Eingangsparameter 17 können bevorzugt die Anzahl N der bereits mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepakete 6 sowie der durchschnittliche Ladezustand SOC_avg und die durchschnittliche Temperatur T_avg verwendet werden. Die Eingangsparameter 17 beruhen dabei auf Sensormesswerten der Sensoranordnung, die an das Steuergerät 3 übermittelt werden.
• Ausgehend von den Eingangsparametern 17 wird mittels einer Entscheidungsmatrix 18 und/oder einer Simulation ein Abweichungsschwellenwert ΔU_lim als Ausgabewert 19 ermittelt, der eine maximal zulässige Spannungsdifferenz ΔU_lim wischen einem gemessenen Spannungswert eines bereits mit dem Ausgang 8 verbundenen ersten Batteriepakets 9 und dem Spannungswert des mit dem Ausgang zu verbindenden zweiten Batteriepakets 10 bezeichnet. Die Entscheidungsmatrix 18 kann daher als Datenbasis dienen, um den aktuellen Abweichungsschwellenwert ΔU_lim auf der Grundlage aktueller Sensormesswerte der Eingangsparameter 17 zu ermitteln. Die Entscheidungsmatrix 18 kann die Sensormesswerte einer Kombination der Eingangsparameter 17, bevorzugt der Anzahl N der bereits mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepakete 6 sowie des durchschnittlichen Ladezustands SOC_avg und der durchschnittlichen Temperatur T_avg, in einen Spannungswert ΔU_lim als maximal zulässigen Abweichungsbetrag 20 übersetzen.
• Die Verbindungsentscheidungszustandsmaschine 21 ist dazu eingerichtet, zu entscheiden, ob das jeweilige zweite Batteriepaket 10 aus den übrigen Batteriepaketen 6 des Batteriesystems 4 mit dem Ausgang 8 verbunden werden soll. Dazu ist die Verbindungsentscheidungszustandsmaschine 21 eingerichtet, über die Verbindung des jeweiligen zweiten Batteriepakets 10 mit dem Ausgang 8 zu entscheiden, wenn der Betrag der Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert U_k des zweiten Batteriepakts 10 und dem gemessenen Spannungswert U_grp,max oder U_grp,min des ersten Batteriepakets 9 kleiner oder gleich dem Abweichungsschwellenwert ΔU_lim ist, also
  |U_grp,max - U_k| ≤ ΔU_lim oder |U_grp,min - U_k| ≤ ΔU_lim.
• Bevorzugt kann die Verbindungsentscheidungszustandsmaschine 21 das zweite Batteriepaket 10 mit dem minimalen Differenzwert auswählen, so dass die Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert U_k des zweiten Batteriepakets 10 und dem gemessenen Spannungswert U_grp,max oder U_grp,min des ersten Batteriepakets 9 das kleinste aller Paare der ersten und zweiten Batteriepakete ist, also min(|U_grp,max - U_k| ≤ ΔU_lim) oder min(|U_grp,min - U_k| ≤ ΔU_lim) für alle k.
• Die Zustandsentscheidungsmaschine 21 kann dazu eingerichtet sein, einen Verbindungsbefehl 22 auszugeben, um das zweite Batteriepaket 10 über die jeweiligen Schalter 12 der Schaltanordnung 11 mit dem Ausgang 8 zu verbinden. Das Steuergerät 3 kann die Zustandsentscheidungsmaschine 21 und den Verbindungsalgorithmus 16 umfassen. Darüber hinaus kann das Steuergerät 3 eine Datenbank enthalten oder darauf zugreifen, die die Entscheidungsmatrix 18 bildet.
• Ergänzend oder alternativ kann das Steuergerät 3 so eingerichtet sein, dass sie die Simulation ausführt, die den Abweichungsschwellenwert ΔU_lim auf der Grundlage einer Kombination der Eingangsparameter 17 ausgibt.
• Ist die Anzahl N der bereits an den Ausgang 8 angeschlossenen Batteriepakete 6 gleich Null, wird ein Spannungswert U_k aller Batteriepakete 6, insbesondere des ersten Batteriepakets 9 und des zweiten Batteriepakets 10, gemessen. Das erste Batteriepaket 9 mit dem höchsten gemessenen Spannungswert U_grp,max wird von dem Steuergerät 3 ausgewählt, wenn der Strom aus dem Batteriesystem 4 fließt, während das erste Batteriepaket 9 mit dem niedrigsten Spannungswert U_grp,min von dem Steuergerät 3 ausgewählt wird, wenn der Strom in das Batteriesystem 4 fließt. Das erste Batteriepaket 9 wird mit dem Ausgang 8 verbunden, indem das Steuergerät 3 einen Verbindungsbefehl 22 zum Schließen oder Öffnen an die jeweiligen Schalter 12 der Schaltanordnung 11 sendet. Das Steuergerät 3 kann dazu eingerichtet sein, den Verbindungsbefehl 22 zum Öffnen oder Schließen der jeweiligen Schalter 12 der Schaltanordnung 11 zu senden, um das jeweilige Batteriepaket 6 zu verbinden oder zu trennen. Wenn die Anzahl N der bereits mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepakete 6 größer als Null ist, kann das Steuergerät 3 den Spannungswert U_N dieser Batteriepakete 6 messen und das erste Batteriepaket 6 mit dem höchsten U_grp,max oder niedrigsten U_grp,min Spannungswert bestimmen.
• zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Parallelschalten eines Satzes von Batteriepaketen 6 eines Batteriesystems 4.
• In einem ersten Schritt S1 wird für jedes Batteriepaket 6 des Batteriesystems 4 ein Spannungswert U_k gemessen. Das Steuergerät 3 kann dazu eingerichtet sein, den Spannungswert für jedes Batteriepaket 6 mittels einer Sensoranordnung 11, beispielsweise einer Messsonde für jedes Batteriepaket 6 oder zusätzlich für jede Batteriezelle 7 in dem jeweiligen Batteriepaket 6, zu messen.
• In einem zweiten Schritt S2 wird aus den Batteriepaketen 6 des Batteriesystems 4 ein erstes Batteriepaket 9 mit einem höchsten U_grp,max oder einem niedrigsten U_grp,min Spannungswert ausgewählt. Wird von dem Steuergerät 3 ein Entladevorgang des Batteriesystems 4 erkannt, so dass über den Ausgang 8 Strom aus dem Batteriesystem 4 fließt, wird das erste Batteriepaket 9 mit dem höchsten Spannungswert U_grp,max ausgewählt und wird von dem Steuergerät 3 ein Ladevorgang erkannt, so dass über den Ausgang 8 ein Strom in das Batteriesystem 4 fließt, wird das erste Batteriepaket 9 mit dem niedrigsten Spannungswert U_grp,min ausgewählt. Das Steuergerät 3 kann dazu eingerichtet sein, eine Richtung des Stromflusses I über den Ausgang zu messen und den Entlade- oder Ladevorgang zu bestimmen und/oder eine Anforderung oder ein Angebot von elektrischer Energie 15 von der Kraftfahrzeugschnittstelle 2 zu empfangen.
• Typischerweise haben die bereits an den Ausgang angeschlossenen Batteriepakete 6 denselben Spannungswert. Diese gemeinsame Spannung kann als Referenz für einen höchsten U_grp,max oder einen niedrigsten U_grp,min Spannungswert verwendet werden.
• Entladen oder laden sich die Batteriepakete 6 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, z. B. aufgrund von Alterungseffekten, kann zu Schritt S2 ein zusätzlicher Schritt hinzugefügt werden. Wenn die Anzahl N der bereits an den Ausgang 8 angeschlossenen Batteriepakete 6 ungleich Null ist, kann das erste Batteriepaket 9 unter den bereits mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepaketen 6 ausgewählt werden. Dafür kann das Steuergerät 3 dazu eingerichtet sein, den Spannungswert U_N für jedes bereits mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepakets 6 zu messen und das Batteriepaket 6 mit dem höchsten U_grp,max oder dem niedrigsten U_grp,min Spannungswert als erstes Batteriepaket 9 auszuwählen.
• In einem dritten Schritt S3 wird das erste Batteriepaket 9 über die Schaltanordnung 11 mit dem Ausgang 8 verbunden. Dafür kann das Steuergerät 3 dazu eingerichtet sein, einen Verbindungsbefehl 22 zu senden, um die jeweiligen Schalter 12 zum Verbinden des ersten Batteriepakets 9 mit der Schaltanordnung 11 und damit mit dem Ausgang 8 zu schließen. Wenn die Anzahl N der bereits mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepakete 6 ungleich Null ist, wird der Schritt S3 übersprungen.
• In einem vierten Schritt S4 wird ein maximal zulässiger Abweichungsschwellenwert ΔU_lim für das Zuschalten eines zweiten Batteriepakets 10 aus den übrigen Batteriepaketen 6 des Batteriesystems 4 festgelegt, wobei der Abweichungsschwellenwert ΔU_lim mittels einer Entscheidungsmatrix 18 anhand einer Auswahl der Eingangsparameter 17, bevorzugt der Anzahl N der bereits mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepakete 6 und des durchschnittlichen Ladezustands SOC_avg und der durchschnittlichen Temperatur T_avg, bestimmt werden kann.
• Ergänzend oder alternativ kann der Abweichungsschwellenwert ΔU_lim durch eine Simulation des Batteriesystems, bevorzugt eine Simulation der Ausgleichsströme 13 im Batteriesystem 4 in Abhängigkeit von den Eingangsparametern 17, bevorzugt der Anzahl N der bereits mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepaketen 6 und dem durchschnittlichen Ladezustand SOC_avg und der durchschnittlichen Temperatur T_avg, berechnet werden.
• In einem fünften Schritt S5 wird ein zweites Batteriepaket 10 aus den verbleibenden Batteriepaketen 6 des Batteriesystems 4 ausgewählt, wenn der Betrag der Abweichung zwischen dem Spannungswert U_k des zweiten Batteriepakets 10 und dem gemessenen Spannungswert U_grp,max oder U_grp,min des ersten Batteriepakets 9 kleiner oder gleich dem Abweichungsschwellenwert ΔU_lim ist. Die Bedingung für die Auswahl des zweiten Batteriesatzes 10 kann also |U_grp,max - U_k| ≤ ΔU_lim oder |U_grp,min - U_k| ≤ ΔU_lim sein.
• Bevorzugt wird das zweite Batteriepaket 10 ausgewählt, dessen Abweichung zwischen dem Spannungswert U_k und dem höchsten U_grp,max oder niedrigsten U_grp,min Spannungswert einen Minimalwert aufweist, so dass die Bedingung bevorzugt min(|U_grp,max - U_k| ≤ ΔU_lim) oder min(|U_grp,min - U_k| ≤ ΔU_lim) für alle noch nicht mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepaketen k sein kann.
• In einem sechsten Schritt S6 wird das ausgewählte zweite Batteriepaket 10 mit dem Ausgang 8 und damit parallel zu den bereits mit dem Ausgang 8 verbundenen Batteriepaketen 6 verbunden, so dass die nach dem Verbinden auftretenden Ausgleichsströme 13 so begrenzt werden, dass keine Schäden an den Batteriepaketen 6 und insbesondere an einem Schütz entstehen können.
• In einem siebten Schritt S7 kann das Steuergerät 3 prüfen, ob mindestens ein Batteriepaket 6 des Batteriesystems 4 vom Ausgang 8 getrennt bleibt. Ist die Anzahl der getrennten Batteriepakete 6 gleich null, kann das Verfahren in Schritt S8 beendet werden. Falls mindestens ein Batteriepaket 6 getrennt bleibt, wird der Spannungswert U_k jedes Batteriepakets k im Batteriesystem 4, bevorzugt der Batteriepakete 6, die bereits mit dem Ausgang 8 verbunden sind, von dem Steuergerät 3 mittels der Sensoranordnung 11 gemessen, damit sich im Falle eines Lade- oder Entladevorgangs die Spannung der Batteriepakete 6, die bereits mit dem Ausgang 8 verbunden sind, ändern kann. Das Verfahren wird ausgehend von Schritt S2 wiederholt, wobei Schritt S3 übersprungen wird, bis die Bedingung für die Beendigung von Schritt S7 erfüllt ist.
• Dem Fachmann wird klar sein, dass diese Ausführungsformen und Gegenstände nur Beispiele für eine Vielzahl von Möglichkeiten darstellen. Daher sollten die hier gezeigten Ausführungsformen nicht als Einschränkung dieser Merkmale und Konfigurationen verstanden werden. Jede mögliche Kombination und Konfiguration der beschriebenen Merkmale kann gemäß dem Anwendungsbereich der Erfindung gewählt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Kraftfahrzeug

2

Fahrzeugschnittstelle zu Hochspannungskomponenten

3

Steuergerät für das Batteriesystem

4

Batteriesystem

5

Satz von Batteriepaketen

6

Batteriepaket

7

Batteriezelle

8

Ausgang des Batteriesystems

9

Erstes Batteriepaket

10

Zweites Batteriepaket

11

Schaltanordnung

12

Schalter

13

Ausgleichsstromfluss

14

Verbindungsbefehlsschleife

15

Elektrische Energie

16

Verbindungsalgorithmus

17

Eingabeparameter

18

Entscheidungsmatrix

19

Ausgabewert

20

Abweichungsbetrag

21

Verbindungszustandsentscheidungsmaschine

22

Verbindungsbefehl

SOCn

Ladezustand des Batteriepakets n

ΔUlim

Abweichungsschwellenwert

Ugrp,max

Maximaler Spannungswert

Ugrp,min

Minimaler Spannungswert

Uk

Spannung des Batteriepakets k

N

Zahl der an den Ausgang angeschlossenen Batteriepakete

UN

Spannung eines an den Ausgang angeschlossenen Batteriepakets

SOCavg

Durchschnittlicher Ladezustand des Batteriesystems

Tavg

Durchschnittliche Temperatur des Batteriesystems

|I|

Strommenge, die in das oder aus dem Batteriesystem fließt

S1

Erster Schritt

S2

Zweiter Schritt

S3

Dritter Schritt

S4

Vierter Schritt

S5

Fünfter Schritt

S6

Sechster Schritt

S7

Siebter Schritt

S8

Achter Schritt

S9

Neunter Schritt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• EP 3078073 B1 [0005]
• DE 102009000055 A1 [0006]
• DE 102018000581 A1 [0007]

Claims (10)

1. Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Satzes von Batteriepaketen (5) in parallel mit einem Ausgang (8) mittels einer Schaltanordnung (11), um ein Batteriesystem (4), bevorzugt für ein Kraftfahrzeug (1), auszubilden, wobei jedes der jeweiligen Batteriepakete (6) eine Anzahl von Batteriezellen (7) umfasst, wobei ein Spannungswert (U_k) für jedes Batteriepaket (6) mittels einer Sensoranordnung gemessen wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Auswählen eines ersten Batteriepakets (9) aus dem Satz von Batteriepaketen (5), wobei das erste Batteriepaket (9) den höchsten gemessenen Spannungswert (U_grp,max) oder den niedrigsten gemessenen Spannungswert (U_grp,min) aufweist; - Verbinden des ersten Batteriepakets (9) mit dem Ausgang (8); - Einstellen eines maximal zulässigen Abweichungsschwellenwerts (ΔU_lim) für das Verbinden eines zweiten Batteriepakets (10) aus dem Satz von Batteriepaketen (5); - Auswählen eines zweiten Batteriepakets (10) aus dem Satz von Batteriepaketen (5) derart, dass die Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert (U_k) des zweiten Batteriepakets (10) und dem gemessenen Spannungswert (U_grp,max, U_grp,min) des ersten Batteriepakets (9) kleiner oder gleich dem Abweichungsschwellenwert (ΔU_lim) ist; und - Verbinden des zweiten Batteriepakets (10) mit dem Ausgang (8).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Batteriepaket (10) so ausgewählt wird, dass die Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert (U_k) des zweiten Batteriepakets (10) und dem gemessenen Spannungswert (U_grp,max, U_grp,min) des ersten Batteriepakets (9) das kleinste aller Paare von den ersten (9) und zweiten (10) Batteriepaketen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abweichungsschwellenwert (ΔU_lim) mittels einer Entscheidungsmatrix (18) bestimmt wird, die den jeweiligen Abweichungsschwellenwert (ΔU_lim) in Abhängigkeit von einer Anzahl (N) und/oder einer Spannung (U_N) der bereits mit dem Ausgang (8) verbundenen Batteriepakete (6) und/oder einem durchschnittlichen Ladezustand (SOC_avg) und/oder einer durchschnittlichen Temperatur (T_avg) des Batteriesystems (4) und/oder eine Strommenge (|I|), die in das oder aus dem Batteriesystem (4) fließt, auflistet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abweichungsschwellenwert (ΔU_lim) mittels einer Simulation des Batteriesystems (4) berechnet wird, insbesondere mittels einer Simulation von Ausgleichsströmen im Batteriesystem (4) basierend auf der Anzahl (N) und/oder einer Spannung (U_N) der bereits mit dem Ausgang (8) verbundenen Batteriepakete (6) und/oder dem durchschnittlichen Ladezustand (SOC_avg) und/oder der durchschnittlichen Temperatur (T_avg) des Batteriesystems (4) und/oder die in das oder aus dem Batteriesystem (4) fließenden Strommenge (|I|).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Batteriepaket (9) mit dem höchsten gemessenen Spannungswert (U_grp,max) ausgewählt wird, um bei einem Entladevorgang des Batteriesystems (4) mittels der Schaltanordnung (11) mit dem Ausgang (8) verbunden zu werden, und/oder dass das erste Batteriepaket (9) mit dem niedrigsten gemessenen Spannungswert (U_grp,min) ausgewählt wird, um bei einem Ladevorgang des Batteriesystems (4) mittels der Schaltanordnung (11) mit dem Ausgang (8) verbunden zu werden.
6. Steuergerät (3) für ein Batteriesystem (4), bevorzugt ein Batteriemanagementsystem, umfassend Mittel, die geeignet sind, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
7. Computerprogramm umfassend Anweisungen, um das Steuergerät (3) nach Anspruch 6 zu veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
8. Computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.
9. Batteriesystem (4), bevorzugt für ein Kraftfahrzeug (1), welches das Steuergerät (3) nach Anspruch 6 umfasst.
10. Kraftfahrzeug (1) umfassend das Batteriesystem (4) nach Anspruch 10 und/oder das Steuergerät (3) nach Anspruch 6.

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