DE102022210880A1

DE102022210880A1 - Schaltungsanordnung zur Symmetrierung von Batteriezellen eines Batteriemoduls

Info

Publication number: DE102022210880A1
Application number: DE102022210880.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Ernst
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2022-10-14
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2024-04-25

Abstract

Die Schaltungsanordnung zur Symmetrierung von Batteriezellen eines Batteriemoduls umfasste eine Schaltmatrix und eine Spulenschaltung mit einer Spule. Die Schaltmatrix weist eine erste Gruppe von steuerbaren ersten Schalteinheiten und eine zweite Gruppe von steuerbaren zweiten Schalteinheiten auf. Die erste Gruppe und zweite Gruppe weisen vorzugsweise eine gleiche Anzahl k-1 mit k > 1 an steuerbaren Schalteinheiten auf. Eine jeweilige erste Schalteinheit der ersten Gruppe und eine jeweilige zweite Schalteinheit der zweiten Gruppe weisen einen ersten Schalteranschluss und einen zweiten Schalteranschluss auf. Das Batteriemodul ist mit der Schaltungsanordnung derart verbindbar, dass jeweils eine der ersten Schalteinheiten der ersten Gruppe und jeweils eine der zweiten Schalteinheiten der zweiten Gruppe über seinen ersten Schalteranschluss mit einem jeweiligen Zellknoten, der ein Potential einer Verbindung zwischen einem Minuspol und einem Pluspol zweier unmittelbar benachbarten Batteriezellen repräsentiert, verbunden ist. Die ersten Schalteinheiten der ersten Gruppe sind mit ihrem zweiten Schalteranschluss mit einem ersten Anschluss der Spulenschaltung verbunden. Die zweiten Schalteinheiten der zweiten Gruppe sind mit ihrem zweiten Schalteranschluss mit einem zweiten Anschluss der Spulenschaltung verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Symmetrierung von Batteriezellen eines Batteriemoduls. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren und eine Steuervorrichtung zum Betreiben der Schaltungsanordnung sowie ein Batteriesystem, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
Eine Hochspannungsbatterie eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs oder eines Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugs umfasst in der Regel eine Vielzahl von Batteriemodulen, die jeweils eine Vielzahl von parallel und/oder seriell geschaltete Batteriezellen aufweisen. Diese Batteriemodule werden elektrisch in Reihe geschaltet, um eine erforderliche Hochspannung an einem Gleichstromzwischenkreis eines Batteriesatzes der Hochspannungsbatterie bereitzustellen.
Um die maximal nutzbare Gesamtleistung von Batteriemodulen zu erhöhen, können die Ladezustände der Batteriezellen der Batteriemodule ausgeglichen beziehungsweise symmetriert werden. Solche Techniken zum Symmetrieren beziehungsweise Balancieren können hauptsächlich in zwei Kategorien eingeteilt werden: passives und aktives Symmetrieren. Passives Symmetrieren wird durch die Entladung einzelner Batteriezellen mit Hilfe eines parallel zur Batteriezelle geschalteten Widerstands erreicht. Normalerweise ist das passive Symmetrieren sehr kostengünstig, dauert aber sehr lange. Beim aktiven Symmetrieren findet ein aktiver Ladungstransfer statt, bei dem Ladung aus ausgewählten einzelnen Batteriezellen mit einem höheren Ladezustand entnommen und ausgewählten einzelnen Batteriezellen mit einem niedrigeren Ladezustand zugeführt wird. Aktives Symmetrieren ist sehr effizient und schnell, aber wegen der zusätzlichen Hardware teuer in der Implementierung.
Ferner wird für die Energieversorgung der Steuereinheiten, die die Batteriemodule überwachen und steuern, jeweils weitere Energie benötigt, deren Bereitstellung entweder mittels Linearregler nicht sehr energieeffizient erfolgt oder bei Bereitstellung durch ein effizienteres Schaltnetzteil weitere Kosten verursacht.
Bisher bekannte Lösungen für das aktive Symmetrieren von Batteriezellen nutzen dedizierte bereits vorhandene oder zusätzliche Batteriezellen zur Energiezwischenspeicherung für einen Energietransfer über Batteriemodulgrenzen hinweg.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, eine Schaltungsanordnung zur Symmetrierung von Batteriezellen eines Batteriemoduls bereitzustellen, die eine effiziente Nutzung der in Batteriezellen gespeicherten Energie ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem ersten Aspekt aus durch eine Schaltungsanordnung zur Symmetrierung von Batteriezellen eines Batteriemoduls. Die Schaltungsanordnung ist mit dem Batteriemodul verbindbar, wobei das Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, die in Serie geschaltet sind. Das Batteriemodule ist beispielsweise in einer Fahrzeugbatterie, insbesondere in einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs, angeordnet. Die Batteriezellen können als Einzelzellen ausgebildet sein oder als Zellpack, der eine Vielzahl an parallelgeschalteten Einzelzellen aufweist.
Die Fahrzeugbatterie weist beispielsweise eine Vielzahl von Batteriemodulen auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, um eine erforderliche Hochspannung an einem Gleichstromzwischenkreis eines Batteriesatzes der Fahrzeugbatterie bereitzustellen. Die Fahrzeugbatterie kann einen oder mehrere dieser Batteriesätze aufweisen.
Das jeweilige Batteriemodul weist einen ersten Anschluss auf, an dem ein erstes Potential bereitgestellt wird, und einen zweiten Anschluss, an dem ein zweites Potential bereitgestellt wird, wobei das erste Potential größer ist als das zweite Potential. Die Differenz der beiden Potentiale ist die bereitgestellte Batteriemodulspannung.
Die Schaltungsanordnung umfasste eine Schaltmatrix und eine Spulenschaltung mit einer Spule.
Die Schaltmatrix weist eine erste Gruppe von steuerbaren ersten Schalteinheiten und eine zweite Gruppe von steuerbaren zweiten Schalteinheiten auf. Die erste Gruppe und zweite Gruppe weisen vorzugsweise eine gleiche Anzahl n mit n > 1 an steuerbaren Schalteinheiten auf. Eine jeweilige erste Schalteinheit der ersten Gruppe und eine jeweilige zweite Schalteinheit der zweiten Gruppe weisen einen ersten Schalteranschluss und einen zweiten Schalteranschluss auf.
Das Batteriemodul ist mit der Schaltungsanordnung derart verbindbar, dass jeweils eine der ersten Schalteinheiten der ersten Gruppe und jeweils eine der zweiten Schalteinheiten der zweiten Gruppe über seinen ersten Schalteranschluss mit einem jeweiligen Zellknoten, der ein Potential einer Verbindung zwischen einem Minuspol und einem Pluspol zweier unmittelbar benachbarten Batteriezellen repräsentiert, verbunden ist.
Die ersten Schalteinheiten der ersten Gruppe sind mit ihrem zweiten Schalteranschluss mit einem ersten Anschluss der Spulenschaltung verbunden. Die zweiten Schalteinheiten der zweiten Gruppe sind mit ihrem zweiten Schalteranschluss mit einem zweiten Anschluss der Spulenschaltung verbunden.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weisen die ersten Schalteinheiten und die zweiten Schalteinheiten der ersten beziehungsweise der zweiten Gruppe jeweils zwei Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) auf, die Back-to-Back beziehungsweise antiseriell angeordnet sind. Beispielsweise sind bei dieser Back-to-Back-Anordnung die Source-Anschlüsse der zwei MOSFETS miteinander verbunden und der Drain-Anschluss des einen MOSFETs führt in die Schalteinheit hinein und der Drain-Anschluss des anderen MOSFETS aus der Schalteinheit heraus. Die MOSFETs sind beispielsweise als n-Kanal-MOSFETS ausgebildet.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die Schaltungsanordnung einen Pufferkondensator auf. Der Pufferkondensator weist einen ersten Kondensatoranschluss und einen zweiten Kondensatoranschluss auf. Der Pufferkondensator ist mit dem ersten Kondensatoranschluss über eine weitere erste Schalteinheit mit dem ersten Anschluss der Spulenschaltung und über eine weitere zweite Schalteinheit mit dem zweiten Anschluss der Spulenschaltung verbindbar. Der Pufferkondensator ist mit dem zweiten Kondensatoranschluss mit einem lokalen Referenzpotential der Schaltungsanordnung verbunden.
Das lokale Referenzpotential kann auch als lokales Massepotential der Schaltungsanordnung bezeichnet werden.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist der Pufferkondensator ein gepolter Kondensator und/oder der Pufferkondensator weist eine Kapazität im Bereich von größer oder gleich 50 µF auf. Insbesondere weist der Pufferkondensator eine Kapazität von größer oder gleich 200 µF auf. Der Pufferkondensator kann als Einzelkondensator ausgebildet sein oder mehrere Einzelkondensatoren, die parallel und/oder in Serie geschaltet sind, aufweisen.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist der erste Kondensatoranschluss mit einem Spannungsversorgungsanschluss einer Kontrolleinheit verbunden oder verbindbar und der Pufferkondensator ist ausgebildet, abhängig von einem Energietransfer von den Batteriezellen des Batteriemoduls über die Spulenschaltung in den Pufferkondensator eine Spannungsversorgung für die Kontrolleinheit, insbesondere für eine Steuervorrichtung der Kontrolleinheit, bereitzustellen.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst die Schaltungsanordnung eine steuerbare zusätzliche erste Schalteinheit, die in einer Verbindung zwischen dem ersten Anschluss der Spulenschaltung und einem lokalen Referenzpotential der Schaltungsanordnung angeordnet ist, und eine steuerbare zusätzliche zweite Schalteinheit, die in einer Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss der Spulenschaltung und dem lokalen Referenzpotential der Schaltungsanordnung angeordnet ist. Dies ermöglicht, dass am Beginn eines Symmetrierzyklus der erste Anschluss und der zweite Anschluss der Spulenschaltung mit der lokalen Masse des Überwachungsmoduls kurzzeitig kurzgeschlossen werden können. Dies stellt sicher, dass die Spule frei von einem magnetischen Fluss ist.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die Spulenschaltung eine Diode auf, die in Serie zu der Spule angeordnet ist und ist und deren Kathode mit dem zweiten Anschluss der Spulenschaltung verbunden ist.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die Spulenschaltung parallel zu der Diode ein weiteres Schaltelement auf. Dies ermöglicht, dass die Diode überbrückt werden kann, um keinen zusätzlichen Diodenspannungsabfall und Energieverlust während einer bereits laufenden Energieaufnahme der Spule zu erzeugen.
Vorzugsweise wird Diode und das Schaltelement von einem einzelnen MOSFET gebildet.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die Spulenschaltung zusätzlich zu der Spule, eine Freilaufdiode und ein steuerbares Schaltelement auf, wobei die Freilaufdiode und das Schaltelement in Serie geschaltet sind und die Serienschaltung aus Freilaufdiode und Schaltelement parallel zu der Spule geschaltet ist und die Kathode der Freilaufdiode mit dem ersten Anschluss der Spulenschaltung verbunden oder über das Schaltelement verbindbar ist.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die Schaltungsanordnung eine erste Anschlussschalteinheit, die mit dem ersten Anschluss der Spulenschaltung und eine zweite Anschlussschalteinheit auf, die mit dem zweiten Anschluss der Spulenschaltung verbunden ist, wobei die erste Anschlussschalteinheit und zweite Anschlussschalteinheit zum Anschluss eines ersten Anschlusses eines Pufferkondensators einer benachbarten, insbesondere einer direkt benachbarten, Schaltungsanordnung eingerichtet sind.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die Schaltungsanordnung für zumindest ein Teil der MOSFETs jeweils eine Gate-Treiber Schaltung mit Bootstrap-Funktion auf. Die MOSFETS werden über ihre Bootstrap-Funktion eingeschaltet, die eine maximale Einschaltzeit am Steuertransistor bereitstellt.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem zweiten Aspekt aus durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt, wobei die Schaltmatrix der Schaltungsanordnung mit den Batteriezellen des Batteriemoduls verbunden ist. Hierbei weist das Verfahren für einen jeweiligen Symmetrierzyklus folgende Schritte auf:

In einem Schritt zum Starten einer Energieaufnahmephase, bei der von der Spule Energie aus einer oder mehreren Zellen aufgenommen wird, werden ein erster und eine zweiter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt und die erste Schalteinheit des ersten Zellknotens und die zweite Schalteinheit des zweiten Zellknotens werden so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen. Nach einer vorgegebenen Energieaufnahmezeitdauer, in der die Spule von den Zellen, die zwischen den ersten Zellknoten und den zweiten Zellknoten geschaltet sind, Energie aufnimmt, werden die erste Schalteinheit des ersten Zellknotens und die zweite Schalteinheit des zweiten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.

In einem ersten Fall gemäß dem zweiten Aspekt, bei dem die Spule Energie an eine oder mehrere Zellen abgibt, werden, in einem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase der Spule, ein dritter und ein vierter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt, und die erste Schalteinheit des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit des vierten Zellknotens werden so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen. Nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, bei der die Energieabgabe erfolgt von der Spule an die eine oder die mehreren Zellen, die zwischen den dritten und den vierten Zellknoten geschaltet sind, die erste Schalteinheit des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit des vierten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
In einem zweiten Fall gemäß dem zweiten Aspekt wird alternativ oder zusätzlich Energie von der Spule an den Pufferkondensator abgegeben. Hierbei werden zum Starten der Energieabgabephase der Spule, bei der Energie von der Spule an den Pufferkondensator abgegeben wird, die weitere erste Schalteinheit und die weitere zweite Schalteinheit so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen, und nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, die weitere erste Schalteinheit und die weitere zweite Schalteinheit so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand aufweisen.
In einem dritten Fall gemäß dem zweiten Aspekt wird alternativ oder zusätzlich Energie von der Spule an einen Pufferkondensator einer benachbarten Schaltungsanordnung abgegeben. In dem Schritt zum Starten der Energieabgabephase, bei der von der Spule Energie an den Pufferkondensator der benachbart Schaltungsanordnung abgegeben wird, werden die erste Anschlussschalteinheit und die zweite Anschlussschalteinheit so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen. Nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, die erste Anschlussschalteinheit und die zweite Anschlussschalteinheit so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem dritten Aspekt aus durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt, wobei die Schaltmatrix der Schaltungsanordnung mit den Batteriezellen des Batteriemoduls verbunden ist. Hierbei weist das Verfahren für einen jeweiligen Symmetrierzyklus folgende Schritte auf: In einem Schritt zum Starten einer Energieaufnahmephase, bei der von der Spule Energie aus dem Pufferkondensator aufgenommen wird, werden die weitere erste Schalteinheit und die weitere zweite Schalteinheit so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen. Nach einer vorgegebenen Energieaufnahmezeitdauer, in der die Spule von dem Pufferkondensator die Energie aufnimmt, werden die weitere erste Schalteinheit und die weitere zweite Schalteinheit so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
In einem ersten Fall gemäß dem dritten Aspekt werden in einem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase der Spule, bei der von der Spule Energie an eine oder mehrere Zellen abgegeben wird, ein dritter und ein vierter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt, und die erste Schalteinheit des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit des vierten Zellknotens werden so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen. Nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, bei der von der Spule Energie an die eine oder die mehreren Zellen, die zwischen den dritten und den vierten Zellknoten geschaltet sind, abgeben wird, werden die erste Schalteinheit des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit des vierten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
In einem zweiten Fall gemäß dem dritten Aspekt werden alternativ oder zusätzlich in dem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase, bei der von der Spule Energie an einen Pufferkondensator einer benachbart Schaltungsanordnung abgegeben wird, die erste Anschlussschalteinheit und die zweite Anschlussschalteinheit so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen. Nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, die erste Anschlussschalteinheit und die zweite Anschlussschalteinheit so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem vierten Aspekt aus durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt, wobei die Schaltmatrix der Schaltungsanordnung mit den Batteriezellen des Batteriemoduls verbunden ist. Hierbei weist das Verfahren für einen jeweiligen Symmetrierzyklus folgende Schritte auf: In einem Schritt zum Starten einer Energieaufnahmephase, bei der von der Spule die Energie aus einem Pufferkondensator einer benachbarten Schaltungsanordnung aufnimmt, wird die ersten Anschlussschalteinheit und die zweite Anschlussschalteinheit so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen. Nach einer vorgegebenen Energieaufnahmezeitdauer, in der die Spule von dem Pufferkondensator der benachbarten Schaltungsanordnung Energie aufnimmt, werden die erste Anschlussschalteinheit und die zweite Anschlussschalteinheit so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
In einem ersten Fall gemäß dem vierten Aspekt wird in einem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase, bei der von der Spule Energie an den Pufferkondensator der Schaltungsanordnung abgegeben wird, werden die weitere erste Schalteinheit und die weitere zweite Schalteinheit so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen. Nach einer vorgegebenen ersten Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase die weitere erste Schalteinheit und die weitere zweite Schalteinheit so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
In einem zweiten Fall gemäß dem vierten Aspekt werden alternativ oder zusätzlich in dem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase der Spule, bei der von der Spule Energie an eine oder mehrere Zellen abgegeben wird, ein dritter und ein vierter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt, und die erste Schalteinheit des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit des vierten Zellknotens werden so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen. Nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, bei der von der Spule Energie an die eine oder die mehreren Zellen, die zwischen den dritten und den vierten Zellknoten geschaltet sind, abgeben wird, werden die erste Schalteinheit des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit des vierten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten, dritten und vierten Aspekt wird in dem jeweiligen Symmetrierzyklus vor dem Starten der Energieaufnahmephase die zusätzliche erste Schalteinheit zum Verbinden des ersten Anschlusses der Spulenschaltung mit dem lokalen Referenzpotential und die zusätzliche zweite Schalteinheit zum Verbinden des zweiten Anschlusses der Spulenschaltung mit dem lokalen Referenzpotential derart angesteuert, dass sie für eine vorgegebene dritte Zeitdauer einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten, dritten und vierten Aspekt wird eine vorgegebene erste Zeitspanne nach dem Schritt zum Starten der Energieaufnahmephase das Überbrückungsschaltelement so angesteuert, dass es einen geschlossenen Zustand aufweist.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten, dritten und vierten Aspekt wird eine vorgegebene zweite Zeitspanne vor dem Schritt zum Beenden der Energieaufnahmephase das Schaltelement der Spulenschaltung derart angesteuert, dass es einen geschlossenen Schaltzustand aufweist.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten, dritten und vierten Aspekt wird eine vorgegebene dritte Zeitspanne nach dem Schritt zum Beenden der Energieaufnahmephase das Überbrückungsschaltelement so angesteuert wird, dass es einen offenen Zustand aufweist.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten, dritten und vierten Aspekt wird eine vorgegebene vierte Zeitspanne nach dem Schritt zum Start der Energieabgabephase das Schaltelement der Spulenschaltung derart angesteuert wird, dass es einen offenen Schaltzustand aufweist.
Vorzugsweise wird das Schaltelement der Spulenschaltung kurz vor dem Ende der Energieaufnahmephase geschlossen und kurz nach dem Schließen der Schaltelemente für die Energieabgabe in der Energieabgabephase an die Zellen beziehungsweise den Pufferkondensator der Schaltungsanordnung beziehungsweise den Pufferkondensator der benachbarten Schaltungsanordnung geöffnet. Dies ermöglicht, dass das Schalten der MOSFETs der betroffenen Schaltelemente stromlos oder quasi stromlos erfolgen kann. Der Strom wird während dieser Phase in der Spulenschaltung gehalten.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten und dritten Aspekt, wird abhängig von bereitgestellten Messwerten, die repräsentativ sind für jeweilige Zellspannungen und/oder jeweilige Ladezustände der Batteriezellen des Batteriemoduls, der erste, zweite, dritte und vierte Zellknoten ausgewählt. Die Messwerte können durch eine Zellüberwachungseinheit bereitgestellt werden.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten und dritten Aspekt, wird abhängig von bereitgestellten Messwerten, die repräsentativ sind für eine Spannung am ersten Anschluss der Spulenschaltung und/oder eine Spannung am zweiten Anschluss der Spulenschaltung und/oder eine Spannung am ersten Kondensatoranschluss des Pufferkondensators und/oder eine Spannung am ersten Kondensatoranschluss eines Pufferkondensators einer benachbarten Schaltungsanordnung und/oder eine Spannung an der Kathode der Diode, die Energieaufnahmezeitdauer und/oder die zweite Energieaufnahmezeitdauer und/oder die Energieabgabezeitdauer und/oder die zweite Energieabgabezeitdauer ermittelt.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem fünften Aspekt aus durch eine Steuervorrichtung, die ausgebildet ist, ein Verfahren gemäße dem zweiten, dritten und/oder vierten Aspekt auszuführen.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem sechsten Aspekt aus durch ein Batteriesystem, das zumindest eine Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt und zumindest ein Batteriemodul aufweist, das eine Vielzahl von in Serie geschaltete Batteriezellen umfasst, wobei jeweils eine der Schaltungsanordnungen mit einem der Batteriemodule verbunden ist.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem sechsten Aspekt weist das Batteriesystem mehrere Batteriemodule und mehrere Schaltungsanordnungen auf, wobei die Batteriemodule in Serie geschaltet sind und der erste Anschluss und der zweite Anschluss der Spulenschaltung einer jeweiligen Schaltungsanordnung jeweils über die erste Anschlussschalteinheit beziehungsweise die zweite Anschlussschalteinheit mit dem ersten Kondensatoranschluss des Pufferkondensators der benachbarten Schaltungsanordnung verbunden ist, so dass über eine Kontrolle der Schalterstellungen der ersten und zweiten Anschlussschalteinheit eine Energiezufuhr oder Energieentnahme aus dem Pufferkondensator der benachbarten Schaltungsanordnung steuerbar ist. Das lokale Referenzpotential der benachbarten Schaltungsanordnung ist bezogen auf ein gemeinsames Referenzpotential der Schaltungsanordnungen größer.
In zumindest einer Ausgestaltung gemäß dem sechsten Aspekt umfasst die Kontrolleinheit der jeweiligen Schaltungsanordnung eine Steuervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Offenbarung veranlasst ein Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor einer Steuervorrichtung ausgeführt wird, die Steuervorrichtung, das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt auszuführen.
Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein computerlesbares Medium ein Computerprogramm gemäß dem siebten Aspekt auf.
Optionale Ausgestaltungen des ersten Aspekts können auch entsprechend bei den weiteren Aspekten vorhanden sein und entsprechende Wirkungen aufweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungs-formen beschränkt. Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Zum Beispiel können Variationen oder Modifikationen, die im Hinblick auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, außer dies ist anderweitig angegeben.
Es zeigen:

1 ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausgestaltung eines Überwachungsmoduls in einem Batteriesystem,
2 ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausgestaltung einer Spulenschaltung,
3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Programms zum Betreiben eines Überwachungsmoduls,
4a einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einer Spannung am Pufferkondensator,
4b einen beispielhaften zeitlichen Verlauf eines Stroms durch ein Freilaufdiode der Spulenschaltung,
4c einen beispielhaften zeitlichen Verlauf eines Stroms in einem Überbrückungsschaltelement der Spulenschaltung,
4d einen beispielhaften zeitlichen Verlauf eines Stromes in der Spule und
4e einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einer Spannung am ersten Anschluss der Spulenschaltung und einer Spannung an dem zweiten Anschluss der Spulenschaltung.

In den Figuren werden für Elemente mit im Wesentlichen gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet, diese Elemente müssen jedoch nicht in allen Einzelheiten identisch sein.
Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, das Element direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollen auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „benachbart“ versus „direkt benachbart“ etc.)
Die Schaltungsanordnung zur Symmetrierung von Batteriezellen eines Batteriemoduls gemäß dem ersten Aspekt wird nun unter Bezugnahme auf 1, erläutert, welche eine vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltung ist, bei der viele der Grundkomponenten aus Klarheitsgründen weggelassen wurden. Spezielle oder allgemeine Werte, Bemessungsdaten, Hinzufügungen sowie der Einschluss oder Ausschluss von Komponenten sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der Erfindung zu beeinflussen.
1 zeigt ein Batteriesystem mit mehreren Überwachungsmodulen CMM, die jeweils mit einem Batteriemodul, das mehrere in Serie geschaltete Batteriezellen Z aufweist, verbunden ist. Das Batteriesystem weist beispielsweise m Überwachungsmodule auf, wobei m eine positive ganze Zahl repräsentiert. In den Figuren werden die Überwachungsmodule mit einem Index #n-1, #n, #n+1 versehen gezeigt.
Das Batteriemodul ist beispielsweise in einer Fahrzeugbatterie, beispielsweise in einer Traktionsbatterie, angeordnet. Die Fahrzeugbatterie weist beispielsweise eine Vielzahl von Batteriemodulen auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Jedes der Batteriemodule weist beispielsweise 16 Batteriezellen Z auf. Jede Batteriezelle Z des Batteriemoduls ist beispielsweise ausgebildet, eine Zellspannung von z.B. bis zu 4,2 V bereitzustellen. Die Batteriezellen Z können als Einzelzellen ausgebildet sein oder als Zellpack, der eine Vielzahl an parallelgeschalteten Einzelzellen aufweist.
Die einzelnen Überwachungsmodule CMM können jeweils auch als Schaltungsanordnung zur Symmetrierung von Batteriezellen eines Batteriemoduls bezeichnet werden.
Das jeweilige Überwachungsmodul CMM umfasst eine Schaltmatrix und eine Spulenschaltung LS mit einer Spule L. Das Überwachungsmodul CMM weist zum Beispiel zusätzlich eine Kontrolleinheit Ctrl mit einer Steuervorrichtung SV auf. Ferner kann die Kontrolleinheit Ctrl eine Zellüberwachungseinheit CSE und einen Linearregler Lin aufweisen. Insbesondere kann die Spulenschaltung LS eine einzelne Spule aufweisen.
Die Schaltmatrix weist eine erste Gruppe von steuerbaren ersten Schalteinheiten S1 und eine zweite Gruppe von steuerbaren zweiten Schalteinheiten S2 auf. Eine jeweilige erste Schalteinheit S1 der ersten Gruppe und eine jeweilige zweite Schalteinheit S2 der zweiten Gruppe weisen einen ersten Schalteranschluss und einen zweiten Schalteranschluss auf.
Das jeweilige Batteriemodul ist mit dem jeweiligen Überwachungsmodul CMM derart verbunden, dass jeweils eine der ersten Schalteinheiten S1 der ersten Gruppe und jeweils eine der zweiten Schalteinheiten S2 der zweiten Gruppe über ihren ersten Schalteranschluss mit einem jeweiligen Zellknoten, der ein Potential einer Verbindung zwischen einem Minuspol und einem Pluspol zweier unmittelbar beziehungsweise direkt benachbarter Batteriezellen repräsentiert, verbunden ist.
Die ersten Schalteinheiten S1 der ersten Gruppe sind mit ihrem zweiten Schalteranschluss mit einem ersten Anschluss p-Rail der Spulenschaltung LS verbunden. Die zweiten Schalteinheiten S2 der zweiten Gruppe sind mit ihrem zweiten Schalteranschluss mit einem zweiten Anschluss n-Rail der Spulenschaltung LS verbunden.
Vorzugsweise weist das jeweilige Überwachungsmodul CMM einen Pufferkondensator C_P auf, der im Wesentlichen der Spannungsversorgung der Steuervorrichtung SV und/oder der Zellüberwachungseinheit CES des Überwachungsmoduls CMM dient. Der Pufferkondensator C_P kann jedoch insbesondere dafür genutzt werden, Energie in ein benachbartes, insbesondere ein direkt benachbartes, Überwachungsmodul CMM#n+1 zu transportieren oder von dem benachbarten, insbesondere von dem direkt benachbarten, Überwachungsmodul CMM#n+1 Energie zu empfangen.
Der Pufferkondensator C_P hat einen ersten Kondensatoranschluss und einen zweiten Kondensatoranschluss. Der Pufferkondensator C_P ist mit dem ersten Kondensatoranschluss über eine weitere erste Schalteinheit S1w mit dem ersten Anschluss p-Rail der Spulenschaltung LS und über eine weitere zweite Schalteinheit S2w mit dem zweiten Anschluss n-Rail der Spulenschaltung LS verbindbar. Der Pufferkondensator C_P ist mit dem zweiten Kondensatoranschluss mit einem lokalen Referenzpotential GND_#n verbunden. Der Pufferkondensator C_P ist beispielsweise ein gepolter Kondensator ist und/oder weist eine Kapazität im Bereich von größer oder gleich 50 µF auf. Beispielsweise weist der Pufferkondensator C_P eine Kapazität von ca. 250 µF auf.
Der erste Kondensatoranschluss ist mit einem Spannungsversorgungsanschluss der Kontrolleinheit Ctrl verbunden oder verbindbar. Der Pufferkondensator C_P ist ausgebildet, abhängig von einem Energietransfer von den Batteriezellen Z des Batteriemoduls über die Spulenschaltung LS in den Pufferkondensator C_P eine Spannungsversorgung für die Kontrolleinheit Ctrl bereitzustellen.
Ferner ist beispielsweise der erste Anschluss p-Rail und der zweite Anschluss n-Rail der Spulenschaltung LS des jeweiligen Überwachungsmoduls CMM#n der k-1 Überwachungsmodule CMM über eine erste Anschlussschalteinheit S1b beziehungsweise eine zweite Anschlussschalteinheit S2b mit dem ersten Kondensatoranschluss des Pufferkondensators C_P des benachbarten, insbesondere des direkt benachbarten Überwachungsmodul CMM#n+1 verbindbar, wobei das lokale Referenzpotential GND_#n+1 des benachbarten Überwachungsmoduls CMM#n+1 bezogen auf ein gemeinsames Referenzpotential größer ist.
Das Überwachungsmodul CMM weist beispielsweise eine erste Versorgungsschalteinheit S1a und ein zweite Versorgungsschalteinheit S2a auf, die den ersten Anschluss p-Rail der Spulenschaltung LS und den zweiten Anschluss n-Rail der Spulenschaltung LS mit einem zweiten Potential des Batteriemoduls verbinden. Der Linearregler Lin ist beispielsweise mit dem zweiten Potential des Batteriemoduls verbunden. Der Linearregler Lin ist beispielsweise ausgebildet, eine Spannungsversorgung für die Kontrolleinheit Ctrl, insbesondere für die Steuervorrichtung SV, bereitzustellen, wenn oder solange der Pufferkondensator C_P nicht ausreichend geladen ist, um die erforderliche Energie bereitstellen zu können.
Vor Beginn eines jeweiligen Symmetrierzyklus wird der gespeicherte Fluss in der Spule L zumindest näherungsweise auf null reduziert. Hierzu weist das Überwachungsmodul CMM eine zusätzliche steuerbare erste Schalteinheit S1z auf, die in einer Verbindung zwischen dem ersten Anschluss p-Rail der Spulenschaltung LS und einem lokalen Referenzpotential GND_#n des Überwachungsmoduls CMM angeordnet ist, und eine zusätzliche steuerbare zweite Schalteinheit S2z, die in einer Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss n-Rail der Spulenschaltung LS und dem lokalen Referenzpotential GND_#n des Überwachungsmoduls CMM angeordnet ist.
2 zeigt die Spulenschaltung LS im Detail. Die Spulenschaltung LS weist einen Freilaufpfad auf. Die Spulenschaltung LS weist als Freilaufpfad eine Freilaufdiode FWD und ein steuerbares Schaltelement FWS auf, wobei die Freilaufdiode FWD und das Schaltelement FWS in Serie geschaltet sind und die Spule L parallel zu der Serienschaltung aus Freilaufdiode FWD und Schaltelement FWS geschaltet ist. Die Kathode der Freilaufdiode FWD ist mit dem ersten Anschluss p-Rail der Spulenschaltung LS verbunden oder über das Schaltelement FWS verbindbar.
Am Ende der Energieaufnahmephase der Spule L wird das Schaltelement FWS geschlossen und die Schalteinheiten zur Zellknoten- bzw. Pufferkondensator-Selektion werden geöffnet. Der Strom wird dann quasi in der Spulenschaltung LS gehalten. Somit ergibt sich eine Auszeit, in der die nächsten Schalteinheiten S1, S2 ausgewählt werden. Kurz danach wird das Schaltelement FWS wieder geöffnet, um den Beginn der Energieabgabe zu erzwingen.
Die Spulenschaltung LS weist eine Diode D auf, die in Serie zu der Spule L angeordnet ist und deren Kathode mit dem zweiten Anschluss n-Rail der Spulenschaltung LS verbunden ist. Insbesondere verhindert die Diode D, dass nach vollständigem Abbau des Spulenstroms am Ende der Energieabgabephase ein entgegengesetzt gerichteter Strom zu fließen beginnt. Parallel zu der Diode D ist ein Überbrückungsschaltelement DS angeordnet. Die Diode D ist inaktiv, d.h. überbrückt, während der Energieaufnahme der Spule L und aktiv während der Energieabgabe der Spule L und wirkt daher als Sperrvorrichtung für einen Rückstrom am Ende der Energieabgabe nach vollständigem Abbau des Stromes.
Die Schalteinheiten S1, S1a, S1b, S1w, S1z, S1, S2, S2a, S2b, S2w, S2z weisen vorzugsweise jeweils zwei Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) auf, die Back-to-Back angeordnet sind. Die Schaltungsanordnung weist für die MOSFETs der Schalteinheiten S1, S1a, S1b, S1w, S1z, S1, S, S2a, S2b, S2w, S2z und der Schaltelemente FWS, DS jeweils eine Gate-Treiber Schaltung mit Bootstrap-Funktion auf.
3 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein Programm zum Betreiben eines Überwachungsmoduls CMM. Das Programm wird beispielsweise von einem Mikrocontroller der Steuervorrichtung SV des Überwachungsmoduls CMM ausgeführt.
In einem Schritt S03 wird das Programm gestartet. In dem Schritt S03 werden beispielsweise Variablen initialisiert.
In einem optionalen Schritt S05 werden vor einem Starten einer Energieaufnahmephase, bei der von der Spule L Energie aus einer oder mehreren Zellen Z aufgenommen wird, die zusätzliche erste Schalteinheit Sz1 zum Verbinden des ersten Anschlusses p-Rail der Spulenschaltung mit dem lokalen Referenzpotential GND_#n und die zusätzliche zweite Schalteinheit S2z zum Verbinden des zweiten Anschlusses n-Rail der Spulenschaltung LS mit dem lokalen Referenzpotential GND_#n derart angesteuert, dass sie für eine vorgegebene dritte Zeitdauer einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen. Zu Beginn eines Symmetrierzyklus werden somit die beiden Enden der Spule L mit der lokalen Masse GND_#n des Überwachungsmoduls CMM kurzzeitig kurzgeschlossen. Dies stellt sicher, dass die Spule L frei von einem magnetischen Fluss ist und die Bootstrap-Kapazitäten der Gate-Treiber in dem vorherigen Symmetrierzyklus verbrauchte Energie wieder aufladen. Die n-Kanal-MOSFET-Paare der zusätzlichen ersten Schalteinheit S1z und der zusätzlichen zweiten Schalteinheit S2z können immer, insbesondere per Bootstrap Gate-Treiber, eingeschaltet werden, da die von dem Pufferkondensator C_P bereitgestellte Versorgungsspannung des eigenen Überwachungsmoduls CMM beispielsweise mindestens 10V beträgt, die in jedem Fall von dem Linearregler Lin geliefert wird und das gesamte Überwachungsmodul inklusive der Gate-Treiber, Zellüberwachungseinheit und Mikrocontroller alternativ versorgt.
Das Bootstrap-Konzept ermöglicht, dass Pufferkapazitäten der Bootstrap-Schaltungen, die die Gate-Treiber-Versorgung bereitstellen, die benötigte Energiemenge für einen jeweiligen Schaltzyklus aufladen/nachladen können.
In dem Schritt S07 wird zum Beispiel eine Energieaufnahmezeit der Spule L für den jeweiligen Symmetrierzyklus ermittelt. Die Energieaufnahmezeit wird beispielsweise abhängig von einer oder mehreren erfassten Spannungen ermittelt. Die erfassten Spannungen umfassen zum Beispiel die Spannung

• am ersten Anschluss p-Rail der Spulenschaltung LS,
• am zweiten Anschluss n-Rail der Spulenschaltung LS,
• am ersten Kondensatoranschluss des Pufferkondensators C_P
• am ersten Kondensatoranschluss des benachbarten Pufferkondensators C_P und/oder
• an der Kathode der Diode D.

In einem Schritt S09 werden ein erster und ein zweiter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt und die erste Schalteinheit S1 des ersten Zellknotens und die zweite Schalteinheit S2 des zweiten Zellknotens werden so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen. Das Schließen der Schalter erfolgt insbesondere erst nach einer gewissen Totzeit, nachdem die Schalter der zusätzlichen ersten Schalteinheit S1z und der zusätzlichen zweiten Schalteinheit Sz2 wieder geöffnet sind. Die Totzeit liegt beispielsweise im Bereich von 1 µs bis 5 µs.
Der erste Zellknoten und der zweite Zellknoten werden beispielsweise abhängig von bereitgestellten Messwerten, die repräsentativ sind für jeweilige Zellspannungen und/oder jeweilige Ladezustände der Batteriezellen Z des Batteriemoduls ausgewählt.
Während der Energieaufnahmephase werden von jeder Zelle Z oder jedem Bündel von aufeinanderfolgenden Zellen Z, die zwischen dem ersten Zellknoten und dem zweiten Zellknoten angeordnet sind, Energie an die Spule L übertragen. Alternativ ist möglich, dass Energie von dem Pufferkondensator C_P des benachbarten Überwachungsmoduls CMM#n+1 in die Spule L transferiert wird. Hierzu werden der erste Anschluss p-Rail und der zweite Anschluss n-Rail der Spulenschaltung LS des Überwachungsmoduls LS über eine erste Anschlussschalteinheit S1b beziehungsweise mit einer zweiten Anschlussschalteinheit S2b mit dem ersten Kondensatoranschluss des Pufferkondensators C_P des benachbarten Überwachungsmoduls CMM verbunden.
Die MOSFET-Ansteuerung für die Schalteinheiten kann ohne steile Spannungsrampen erfolgen, da der Strom zu diesem Zeitpunkt Null ist (Nullstromschaltung). Ein begrenztes zeitlicher Spannungsanstieg während des Schaltvorgangs ermöglicht ein verbessertes EMV-Verhalten.
Die p-Rail Seite der Spule L liegt während der Energieaufnahmephase immer auf einem höheren Potential als die n-Rail Seite, so dass nur ein Stromfluss in eine bestimmte feste Richtung möglich ist.
In einem Schritt S11 wird das Überbrückungsschaltelement DS parallel zu der Diode D geschlossen. Beispielsweise werden das Überbrückungsschaltelement DS und die Diode D durch einen MOSFET gebildet.
Somit wird die Diode D überbrückt, um keinen zusätzlichen Diodenspannungsabfall und Energieverlust während der bereits laufenden Energieaufnahme zu erzeugen. Dies kann beispielsweise kurz (zum Beispiel ca. 2 µs) nach Aktivierung der Auswahl der Zellknoten für die Energieaufnahme in Schritt S09 erfolgen.
Während die Energieaufnahme der Spule L andauert, wird in einem Schritt S13 die Freilaufdiode FWD aktiviert durch leitend schalten des Schaltelements FWS, das in Serie zu der Freilaufdiode FWD angeordnet ist.
Aufgrund der Spannungspotentiale an der Spule L fließt zunächst noch kein Freilaufstrom durch die Freilaufdiode FWD. Diese Freilauf-Aktivierung kann z.B. 2µs vor Ende der Energieaufnahme erfolgen.
In einem Schritt S15 werden nach einer vorgegebenen ersten Energieaufnahmezeitdauer in der Energieaufnahmephase, während der die Spule L von den Zellen Z, die zwischen den ersten Zellknoten und den zweiten Zellknoten geschaltet sind, Energie aufnimmt, die erste Schalteinheit S1 des ersten Zellknotens und die zweite Schalteinheit S2 des zweiten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
Die vorgegebene Energieaufnahmezeitdauer entspricht der in Schritt S07 ermittelten Energieaufnahmezeit. Nach der Energieaufnahmezeit ist ein bestimmter maximaler Strom in der Spule L erreicht. Auch wenn dieser Spitzenstrom nicht sehr genau bestimmt werden kann, kann die Hochlaufzeit für die Energieaufnahme vom Mikrocontroller auf der Grundlage der gewählten und erfassten Spannungen vorberechnet werden.
Durch die bereits voraktivierte Freilaufdiode FWD gibt es nun einen alternativen Pfad für den Stromfluss. Der höchste Spitzenstrom der Spule L liegt unmittelbar vor der Deaktivierung des MOSFETS der ersten Schalteinheit S1 und zweiten Schalteinheit S2 des ersten und zweiten Zellknotens und der Spulenstrom steigt nicht weiter an und geht in eine Plateauphase (Freilauf) mit einem langsamen Stromabfall. Diese Phase ist vorzugsweise lang genug (z.B. ca. 5µs bis 10µs), um sicherzustellen, dass es bei der Umschaltung der Spannungsauswahl in den nächsten Schritten nicht zu Überschneidungen kommt. Während dieses Freilaufspitzenstromplateaus z. B. 2µs nach dem Ausschalten der MOSFETs der ersten Schalteinheit S1 und zweiten Schalteinheit S2 des ersten und zweiten Zellknotens, wird das Überbrückungsschaltelement DS parallel zu der Diode D geschlossen, so dass die Diode D für die Energielieferung aktiv wird und nicht mehr überbrückt ist.
In einem Schritt S17 werden, wenn die Energieabgabe von der Spule L an eine oder mehrere Zellen Z erfolgen soll, ein dritter und ein vierter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt, und die erste Schalteinheit S1 des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit S2 des vierten Zellknotens werden so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen.
Wenn die Energieabgabe von der Spule an den Pufferkondensator C_P erfolgen soll, werden die erste weitere Schalteinheit S1w und die zweite weitere Schalteinheit S2w so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen.
Wenn die Energieabgabe von der Spule an den Pufferkondensator C_P des benachbarten Überwachungsmoduls erfolgen soll, werden die erste Anschlussschalteinheit S1b und die zweite Anschlussschalteinheit S2b so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen.
Das Einschalten der Schalteinheiten S1, S2, S1w, S2w, S1b, S2b erfolgt beispielsweise nach einer kurzen Dauer (z. B. 2µs bis 5µs), nachdem die anderen Schalteinheiten geöffnet wurden. Während dieser Phase läuft der Freilauf des Stroms zunächst weiter.
Vorzugsweise wird immer einer der beiden erreichbaren Pufferkondensatoren C_P als Energiezwischenpuffer verwendet. Dies ermöglicht, dass immer eine ausreichende Pufferkondensator-Spannungsversorgung und -regelung für jedes Überwachungsmodul CMM vorhanden ist.
Alternativ ist auch eine direkte Übertragung von Zelle zu Zelle möglich, allerdings nur innerhalb desselben Überwachungsmoduls CMM und nur solange die Pufferkondensatorspannung für das Überwachungsmodul CMM und Bootstrap-Versorgung hoch genug gehalten wird.
In einem Schritt S19 wird das Schaltelement FWS, das in Serie zu der Freilaufdiode FWD geschalten ist, geöffnet. Der Strom auf der Seite des zweiten Anschlusses n-Rail der Spulenschaltung LS muss somit einen anderen Weg, und zwar jetzt den in den gewählten Energiespeicher, welcher einer der beiden erreichbaren Pufferkondensatoren C_P oder die anderen Zellen Z desselben Überwachungsmoduls sein können, nehmen.
Vor dem Ausschalten des Freilaufs fließt kein Strom aus der Spule L zu einem anderen Ort als dem Freilauf-Rückführungspfad, auch nicht, wenn die ausgewählten Schalteinheiten die erwartete Stromrichtung für die Energielieferung vorbereitet haben. Dadurch werden automatisch Überschneidungssituationen vermieden. Ohne die Möglichkeit, den Freilauf fortzusetzen (und den Strom langsam zu verringern), sinkt der Strom ab und liefert Energie an die ausgewählte Stelle. Wenn der Nullstrom erreicht ist, stoppt der Spulenstrom. Es kann kein weiterer Stromfluss stattfinden.
Kurz vor Ende der Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt S21, wenn die Energieabgabe von der Spule L an die eine oder die mehreren Zellen, die zwischen den dritten und den vierten Zellknoten geschaltet sind, erfolgt, die erste Schalteinheit S1 des dritten Zellknoten und die zweite Schalteinheit S2 des vierten Zellknoten so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen, und wenn die Energieabgabe von der Spule L an den Pufferkondensator C_P erfolgt, werden die erste weitere Schalteinheit S1w und die zweite weitere Schalteinheit S2w so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand aufweisen.
In dem Schritt S21 wird beispielsweise die Energieabgabezeitdauer ermittelt abhängig von einer oder mehreren der oben genannten erfassten Spannungen. Die erfassten Spannungen umfassen beispielsweise die Spannung

• am ersten Anschluss p-Rail der Spulenschaltung LS,
• am zweiten Anschluss n-Rail der Spulenschaltung LS,
• am ersten Kondensatoranschluss des Pufferkondensators C_P,
• am ersten Kondensatoranschluss des benachbarten Pufferkondensators und/oder
• an der Kathode der Diode D.

Vorzugsweise wird bei der Berechnung der tatsächlich bereitgestellten Energieabgabezeitdauer eine Marge für das sichere Erreichen des Nullstrompunkts berücksichtigt werden.
Vorzugweise werden die MOSFETs aller Schalteinheiten endgültig ausgeschaltet, und der Symmetrierzyklus wird nach einer vorgegebenen Austastzeit, die sicherstellt, dass alle MOSFETS vollständig ausgeschaltet sind, wiederholt.
Eine Spannungsregelung des Pufferkondensators C_P erfolgt beispielsweise nicht über ein Erfassen und Auswerten eines präzisen Spitzenstroms, sondern über die Anzahl der wiederholten Symmetrierzyklen basierend auf Messungen der Pufferkondensatorspannung. Die Spannung in den beiden Pufferkondensatoren C_P, die von einem Mikrocontroller des Überwachungsmoduls CMM gesteuert werden, muss lediglich innerhalb eines bestimmten Spannungsbandes gehalten werden, das breit genug ist, um kleine Spannungserhöhungen und -senkungen zuzulassen.
Die Energieübertragung erfolgt somit modulweise, d. h. es besteht die Möglichkeit, Energie in den Pufferkondensator des nächsthöheren Moduls (oder in den eigenen Pufferkondensator) zu transferieren. Es gibt somit eine freie Energieübertragung innerhalb des gesamten Batteriestapels mit einer begrenzten Anzahl von notwendigen Energieübertragungsschritten. Der Energieaustausch mit dem benachbarten, angeschlossenen Überwachungsmodul CMM#n+1 ist bidirektional. Ein Überwachungsmodul kann keine Energie in ein Überwachungsmodul, das ein geringeres Potential aufweist, übertragen. Aber das Überwachungsmodul mit dem geringeren Potential kann immer Energie von dem Überwachungsmodul, das ein höheres Potential aufweist, entnehmen oder diesem Energie liefern.
Das Programm wurde für einen beispielhaften Energietransfer innerhalb des Überwachungsmoduls CMM beschrieben. Das Überwachungsmodul kann jedoch unterschiedlich betrieben werden. Das Programm kann jedoch ausgebildet sein, eine oder mehrere oder sämtliche im Folgenden beschriebenen Möglichkeiten zu implementieren.
Möglichkeiten für die Energieabgabe an die Spule L:

a) Energie wird von Zellen an die Spule L abgegeben und/oder
b) Energie wird von dem Pufferkondensator C_P des Überwachungsmoduls CMM an die Spule L abgegeben und/oder
c) Energie wird von dem Pufferkondensator C_P des benachbarten Überwachungsmoduls CMM#n+1 an die Spule L abgegeben.

Möglichkeiten für die Energieabgabe der Spule:

a) die Energie oder ein Teil der Energie der Spule L wird an andere Zellen abgegeben, und/oder
b) die Energie oder ein Teil der Energie der Spule L wird an den Pufferkondensator C_P der Schaltungsanordnung CMM abgegeben und/oder
c) die Energie oder ein Teil der Energie der Spule L wird an den Pufferkondensator C_P einer benachbarten Schaltungsanordnung CMM#n+1 abgegeben.

Die 4a bis 4e zeigen verschiedene Signalverläufe des Überwachungsmoduls CMM im Fall, dass Energie vom Pufferkondensator C_P zu den Zellen übertragen wird.
4a zeigt einen Spannungsverlauf am Kondensator. 4b zeigt den Stromverlauf durch die Freilaufdiode FWD und 4c den Strom in dem Überbrückungsschaltelement DS. 4d zeigt den Strom in die Spulenschaltung LS und 4e zeigt den Spannungsverlauf am ersten Anschluss der Spulenschaltung LS und den Spannungsverlauf an dem zweiten Anschluss der Spulenschaltung LS.
In den Figuren sind Zeitpunkte T1 bis T8 gekennzeichnet, zu denen bestimmte Schaltvorgänge erfolgen.
Zu dem Zeitpunkt T1, d.h. zu Beginn eines Symmetrierzyklus werden die beiden Anschlüsse p-Rail, n-Rail der Spulenschaltung LS mit der lokalen Masse GND_#n des Überwachungsmoduls CMM kurzzeitig kurzgeschlossen. Dies geschieht durch das Schließen der zusätzlichen Schalteinheiten Sz1, Sz2.
Zu dem Zeitpunkt T2 werden die zusätzliche erste Schalteinheit S1z und die zusätzlichen zweite Schalteinheit Sz2 wieder in einen geöffneten Zustand überführt und kurz danach die weitere erste Schalteinheit S1w und die weitere zweite Schalteinheit Sw2 werden derart angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen. Das Schließen der weiteren ersten Schalteinheit S1w und der weiteren zweiten Schalteinheit Sw2 erfolgt insbesondere erst nach einer gewissen Totzeit, nachdem die zusätzliche erste Schalteinheit S1z und die zusätzlichen zweite Schalteinheit Sz2 wieder geöffnet sind. Die Totzeit liegt beispielsweise im Bereich von 1 µs bis 5 µs.
Zum Zeitpunkt T3 wird die Überbrückungsschalteinheit DS der Spulenschaltung LS geschlossen, so dass die Diode D der Spulenschaltung quasi überbrückt wird und somit während der bereits laufenden Energieaufnahme keinen zusätzlichen Diodenspannungsabfall und Energieverlust erzeugt. Dies kann (z.B. 2µs) nach der Aktivierung der weiteren erste Schalteinheit S1w und die weitere zweite Schalteinheit Sw2 für die Energieaufnahme aus dem Pufferkondensator C_P erfolgen, so dass während des Hochfahrens der Spannungen an dem ersten Anschluss p-Rail der Spulenschaltung und dem zweiten Anschluss n-Rail der Spulenschaltung niemals ein negativer Rückstrom in der Spule L während der Auswahlflanken für die Aufnahmespannung auftreten kann, selbst wenn sie sich kreuzen und die Spannung am zweiten Anschluss n-Rail der Spulenschaltung für kurze Zeit höher als am ersten Anschluss p-Rail der Spulenschaltung ist.
Während die Energieaufnahme noch läuft, wird zum Zeitpunkt T4 die Freilaufdiode FWD über der Spule L aktiviert, indem das Schaltelement FWS der Spulenschaltung LS, das in Reihe mit der Freilaufdiode FWD angeordnet ist, eingeschaltet wird. Die Aktivierung der Freilaufdiode FWD erfolgt beispielsweise 2 µs Sekunden vor Ende der Energieaufnahme.
Zum Zeitpunkt T5 wird die Energieaufnahme der Spule L beendet, indem die weitere erste Schalteinheit S1w und die weitere zweite Schalteinheit Sw2 deaktiviert werden.
Aufgrund der bereits zuvor aktivierten Freilaufdiode FWD gibt es nun einen alternativen Pfad für den Stromfluss. Der höchste Spitzenstrom der Spule L ist gerade vor dieser Deaktivierung vorhanden und der Spulenstrom hört auf zu steigen und geht in eine Plateauphase (Freilauf) mit langsamem Stromabfall über. Diese Phase ist vorzugweise lang genug (z. B. 6µs), um sicherzustellen, dass es bei der Umschaltung der Spannungsauswahl in den nächsten Schritten nicht zu Überschneidungen kommt.
Kurz nach dem Deaktivieren der weiteren ersten Schalteinheit S1w und der zweiten weiteren Schalteinheit S2w wird während dieses Freilauf-Spitzenstromplateaus die Überbrückungsschalteinheit DS der Diode D deaktiviert. Insbesondere bei Nutzung eines MOSFETs wird dann die Substratdiode für die Energielieferung aktiv wird und ist nicht mehr überbrückt.
Während dieses Freilauf-Spitzenstrom-Plateaus (z. B. 2µs nach dem Ausschalten der Einlass-Spannungswahl-MOSFETs) wird der MOSFET der Überbrückungsschalteinheit DS deaktiviert.
Während des Freilaufs des Stroms werden zum Zeitpunkt T6 die erste Schalteinheit S1 und die zweite Schalteinheit S2 der ausgewählten Zellen, in die die Energie transportiert werden soll, in einen geschlossenen Zustand überführt.
Zum Zeitpunkt T7 wird das Schaltelement FWS der Spulenschaltung LS ausgeschaltet und der Strom auf der Seite des zweiten Anschlusses n-Rail der Spulenschaltung LS muss einen anderen Weg in den gewählten Energiespeicher finden, insbesondere in eine andere Zelle des gleichen Batteriemoduls oder den Pufferkondensator C_P des Überwachungsmodul CMM oder der Pufferkondensator C_P des benachbarten Überwachungsmoduls CMM#n+1 finden.
Zum Zeitpunkt T8 werden die erste Schalteinheit S1 und die zweite Schalteinheit S2 der ausgewählten Zellen geöffnet. Vorzugsweise werden alle Schalteinheiten endgültig ausgeschaltet (geöffnet), und der Symmetrierzyklus wird nach einer vorgegebenen Austastzeit (zum Beispiel nach 2µs), die sicherstellt, dass alle MOSFETS vollständig ausgeschaltet sind, wiederholt.
Bezugszeichenliste

C_P: Pufferkondensator
CMM, CMM#n: Schaltungsanordnung, Überwachungsmodul
CMM#n+1: benachbarte Schaltungsanordnung, benachbartes Überwachungsmodul
CSE: Zellüberwachungseinheit
Ctrl: Kontrolleinheit
D: Diode
DS: Überbrückungsschalteinheit
FWD: Freilaufdiode
FWS: Schaltelement der Spulenschaltung
GND_#n, GND_#n+1: lokales Referenzpotential
k,n: Indizes
L: Spule
LS: Spulenschaltung
S03, ..., S23: Programmschritte
S1: erste Schalteinheit
S2: zweite Schalteinheit
S1a: erste Versorgungsschalteinheit
S2a: zweite Versorgungsschalteinheit
S1b: erste Anschlussschalteinheit
S2b: zweite Anschlussschalteinheit
S 1 w: weitere erste Schalteinheit
S2w: weitere zweite Schalteinheit
S1z: zusätzliche erste Schalteinheit
S2z: zusätzliche zweite Schalteinheit
SV: Steuervorrichtung
Z: Zelle

Claims

Schaltungsanordnung (CMM) zur Symmetrierung von Batteriezellen (Z) eines Batteriemoduls, wobei - die Schaltungsanordnung (CMM) mit dem Batteriemodul, das eine Vielzahl von in Serie geschaltete Batteriezellen (Z) aufweist, verbindbar ist, - die Schaltungsanordnung (CMM) eine Schaltmatrix und eine Spulenschaltung (LS) mit einer Spule (L) umfasst, - die Schaltmatrix eine erste Gruppe von steuerbaren ersten Schalteinheiten (S1) und eine zweite Gruppe von steuerbaren zweiten Schalteinheiten (S2) aufweist, - eine jeweilige erste Schalteinheit (S1) der ersten Gruppe und eine jeweilige zweite Schalteinheit (S2) der zweiten Gruppe einen ersten Schalteranschluss und einen zweiten Schalteranschluss aufweisen, - das Batteriemodul mit der Schaltungsanordnung (CMM) derart verbindbar ist, dass jeweils eine der ersten Schalteinheiten (S1) der ersten Gruppe und jeweils eine der zweiten Schalteinheiten (S2) der zweiten Gruppe über ihren ersten Schalteranschluss mit einem jeweiligen Zellknoten, der ein Potential einer Verbindung zwischen einem Minuspol und einem Pluspol zweier unmittelbar benachbarten Batteriezellen (Z) repräsentiert, verbindbar ist, - die ersten Schalteinheiten (S1) der ersten Gruppe mit ihrem zweiten Schalteranschluss mit einem ersten Anschluss (p-Rail) der Spulenschaltung (LS) verbunden sind, - die zweiten Schalteinheiten (S2) der zweiten Gruppe mit ihrem zweiten Schalteranschluss mit einem zweiten Anschluss (n-Rail) der Spulenschaltung verbunden sind.
Schaltungsanordnung (CMM) nach Anspruch 1, wobei die ersten Schalteinheiten (S1) und die zweiten Schalteinheiten (S2) der ersten beziehungsweise der zweiten Gruppe jeweils zwei Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) aufweisen, die Back-to-Back angeordnet sind.
Schaltungsanordnung (CMM) nach Anspruch 1 oder 2, wobei - die Schaltungsanordnung (CMM) einen Pufferkondensator (C_P) aufweist, - der Pufferkondensator (C_P) einen ersten Kondensatoranschluss und einen zweiten Kondensatoranschluss aufweist, - der Pufferkondensator (C_P) mit dem ersten Kondensatoranschluss über eine weitere erste Schalteinheit (S1w) mit dem ersten Anschluss (p-Rail) der Spulenschaltung und über eine weitere zweite Schalteinheit (S2w) mit dem zweiten Anschluss (n-Rail) der Spulenschaltung verbindbar ist, und - der Pufferkondensator (C_P) mit dem zweiten Kondensatoranschluss mit einem lokalen Referenzpotential (GND_#n) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (CMM) nach Anspruch 3, wobei die Schaltungsanordnung (CMM) eine Kontrolleinheit (Ctrl) umfasst und der erste Kondensatoranschluss mit einem Spannungsversorgungsanschluss der Kontrolleinheit (Ctrl) verbunden oder verbindbar ist und der Pufferkondensator (C_P) ausgebildet ist, abhängig von einem Energietransfer über die Spulenschaltung (LS) in den Pufferkondensator (C_P) eine Spannungsversorgung für die Kontrolleinheit (Ctrl) bereitzustellen.
Schaltungsanordnung (CMM) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung eine steuerbare zusätzliche erste Schalteinheit (S1z) aufweist, die in einer Verbindung zwischen dem ersten Anschluss (p-Rail) der Spulenschaltung (LS) und einem lokalen Referenzpotential (GND_#n) der Schaltungsanordnung (CMM) angeordnet ist, und steuerbare zusätzliche zweite Schalteinheit (S2z) aufweist, die in einer Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss (n-Rail) der Spulenschaltung (LS) und dem lokalen Referenzpotential (GND_#n) der Schaltungsanordnung (CMM) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung (CMM) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spulenschaltung (LS) eine Diode (D) aufweist, die in Serie zu der Spule (L) angeordnet ist und deren Kathode mit dem zweiten Anschluss (n-Rail) der Spulenschaltung (LS) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (CMM) nach Anspruch 6, wobei die Spulenschaltung (LS) parallel zu der Diode (D) ein Überbrückungsschaltelement (DS) aufweist.
Schaltungsanordnung (CMM) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Spulenschaltung (LS) eine Freilaufdiode (FWD) und ein steuerbares Schaltelement (FWS) aufweist, wobei - die Freilaufdiode (FWD) und das Schaltelement (FWS) in Serie geschaltet sind, - die Serienschaltung aus Freilaufdiode (FWD) und Schaltelement (FWS) parallel zu der Spule geschaltet ist und - die Kathode der Freilaufdiode (FWD) mit dem ersten Anschluss der Spulenschaltung (p-Rail) verbunden oder über das Schaltelement (FWS) verbindbar ist.
Schaltungsanordnung (CMM) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (CMM) eine erste Anschlussschalteinheit (S1 b), die mit dem ersten Anschluss (p-Rail) der Spulenschaltung und eine zweite Anschlussschalteinheit (S2b) aufweist, die mit dem zweiten Anschluss (n-Rail) der Spulenschaltung verbunden ist, wobei die erste Anschlussschalteinheit (S1 b) und die zweite Anschlussschalteinheit (S2b) zum Anschluss eines ersten Anschlusses eines Pufferkondensators (C_P) einer benachbarten Schaltungsanordnung (CMM#n+1) an den ersten Anschluss (p-Rail) der Spulenschaltung beziehungsweise dem zweiten Anschluss (n-Rail) der Spulenschaltung eingerichtet sind.
Schaltungsanordnung (CMM) nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 9, wobei die Schaltungsanordnung (CMM) für die MOSFETs der Schalteinheiten (S1, S1a, S1b, S1w, S1z, S1, S2a, S2b, S2w, S2z) jeweils eine Gate-Treiber Schaltung mit Bootstrap-Funktion aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (CMM) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schaltmatrix der Schaltungsanordnung (CMM) mit den Batteriezellen (Z) des Batteriemoduls verbunden ist und das Verfahren für einen jeweiligen Symmetrierzyklus folgende Schritte aufweist: - In einem Schritt zum Starten einer Energieaufnahmephase, bei der von der Spule (L) Energie aus einer oder mehreren Zellen (Z) aufgenommen wird, werden ein erster und eine zweiter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt und die erste Schalteinheit (S1) des ersten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des zweiten Zellknotens werden so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen, - nach einer vorgegebenen Energieaufnahmezeitdauer, in der die Spule (L) von den Zellen (Z), die zwischen den ersten Zellknoten und den zweiten Zellknoten geschaltet sind, Energie aufnimmt, werden in einem Schritt zum Beenden der Energieaufnahmephase die erste Schalteinheit (S1) des ersten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des zweiten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen, - in einem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase der Spule (L), bei der die Spule (L) Energie an eine oder mehrere Zellen (Z) abgibt, werden ein dritter und ein vierter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt, und die erste Schalteinheit (S1) des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des vierten Zellknotens werden so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen, und - nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, in der eine Energieabgabe erfolgt von der Spule (L) an die eine oder die mehreren Zellen (Z), die zwischen den dritten und den vierten Zellknoten geschaltet sind, die erste Schalteinheit (S1) des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des vierten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung (CMM) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die Schaltmatrix der Schaltungsanordnung (CMM) mit den Batteriezellen (Z) des Batteriemoduls verbunden ist und das Verfahren für einen jeweiligen Symmetrierzyklus folgende Schritte aufweist: - In einem Schritt zum Starten einer Energieaufnahmephase, bei der von der Spule (L) Energie aus einer oder mehreren Zellen (Z) aufgenommen wird, werden ein erster und eine zweiter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt und die erste Schalteinheit (S1) des ersten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des zweiten Zellknotens werden so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen, - nach einer vorgegebenen Energieaufnahmezeitdauer, in der die Spule (L) von den Zellen (Z), die zwischen den ersten Zellknoten und den zweiten Zellknoten geschaltet sind, Energie aufnimmt, werden in einem Schritt zum Beenden der Energieaufnahmephase die erste Schalteinheit (S1) des ersten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des zweiten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen, - in einem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase der Spule (L), bei der Energie von der Spule (L) an den Pufferkondensator (C_P) der Schaltungsanordnung (CNN) abgegeben wird, werden die weitere erste Schalteinheit (S1w) und die weitere zweite Schalteinheit (S2w) so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen, und - nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, in der Energie von der Spule (L) an den Pufferkondensator (C_P) der Schaltungsanordnung (CMM) abgegeben wird, die weitere erste Schalteinheit (S1w) und die weitere zweite Schalteinheit (S2w) so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand aufweisen.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (CMM) gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Schaltmatrix der Schaltungsanordnung (CMM) mit den Batteriezellen (Z) des Batteriemoduls verbunden ist und das Verfahren für einen jeweiligen Symmetrierzyklus folgende Schritte aufweist: - In einem Schritt zum Starten einer Energieaufnahmephase, bei der von der Spule (L) Energie aus einer oder mehreren Zellen aufgenommen wird, werden ein erster und eine zweiter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt und die erste Schalteinheit (S1) des ersten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des zweiten Zellknotens werden so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen, - nach einer vorgegebenen Energieaufnahmezeitdauer, in der die Spule (L) von den Zellen (Z), die zwischen den ersten Zellknoten und den zweiten Zellknoten geschaltet sind, Energie aufnimmt, werden in einem Schritt zum Beenden der Energieaufnahmephase die erste Schalteinheit (S1) des ersten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des zweiten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen, - in einem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase der Spule (L), bei der Energie von der Spule (L) an den Pufferkondensator (C_P) der benachbarten Schaltungsanordnung (CMM#n+1) abgegeben wird, werden die erste Anschlussschalteinheit (S1 b) und die zweite Anschlussschalteinheit (S2b) so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen, und - nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer, in der Energie von der Spule (L) an den Pufferkondensator (C_P) der benachbarten Schaltungsanordnung (CMM#n+1) abgegeben wird, werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, die erste Anschlussschalteinheit (S1 b) und die zweite Anschlussschalteinheit (S2b) so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand aufweisen.
Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung (CMM) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die Schaltmatrix der Schaltungsanordnung (CMM) mit den Batteriezellen (Z) des Batteriemoduls verbunden ist und das Verfahren für einen jeweiligen Symmetrierzyklus folgende Schritte aufweist: - in einem Schritt zum Starten einer Energieaufnahmephase, bei der von der Spule (L) Energie aus dem Pufferkondensator (C_P) der Schaltungsanordnung (CMM) aufgenommen wird, werden die weitere erste Schalteinheit (S1w) und die weitere zweite Schalteinheit (S2w) so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen, - nach einer vorgegebenen Energieaufnahmezeitdauer, in der die Spule (L) von dem Pufferkondensator (C_P) der Schaltungsanordnung (CMM) Energie aufnimmt, werden in einem Schritt zum Beenden der Energieaufnahmephase die weitere erste Schalteinheit (S 1 w) und die weitere zweite Schalteinheit (S2w) so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen, - in einem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase der Spule, bei der von der Spule (L) Energie an eine oder mehrere Zellen (Z) abgegeben wird, werden ein dritter und ein vierter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt, und die erste Schalteinheit (S1) des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des vierten Zellknotens werden so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen, und - nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, bei der von der Spule (L) Energie an die eine oder die mehreren Zellen (Z), die zwischen den dritten und den vierten Zellknoten geschaltet sind, abgeben wird, werden die erste Schalteinheit (S1) des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des vierten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung (CMM) gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Schaltmatrix der Schaltungsanordnung (CMM) mit den Batteriezellen (Z) des Batteriemoduls verbunden ist und das Verfahren für einen jeweiligen Symmetrierzyklus folgende Schritte aufweist: - in einem Schritt zum Starten einer Energieaufnahmephase, bei der von der Spule (L) die Energie aus dem Pufferkondensator (C_P) der Schaltungsanordnung (CMM) aufgenommen wird, werden die weitere erste Schalteinheit (S1w) und die weitere zweite Schalteinheit (S2w) so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen, - nach einer vorgegebenen Energieaufnahmezeitdauer, in der die Spule (L) von dem Pufferkondensator die Energie aufnimmt, werden in einem Schritt zum Beenden der Energieaufnahmephase die weitere erste Schalteinheit (S1w) und die weitere zweite Schalteinheit (S2w) so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen, - in einem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase, bei der von der Spule (L) Energie an den Pufferkondensator (C_P) der benachbart Schaltungsanordnung (CMM#n+1) abgegeben wird, werden die erste Anschlussschalteinheit (S1 b) und die zweite Anschlussschalteinheit (S2b) so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen, und - nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, in der von der Spule (L) Energie an den Pufferkondensator (C_P) der benachbart Schaltungsanordnung (CMM#n+1) abgegeben wird, die erste Anschlussschalteinheit (S1 b) und die zweite Anschlussschalteinheit (S2b) so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung (CMM) gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Schaltmatrix der Schaltungsanordnung (CMM) mit den Batteriezellen (Z) des Batteriemoduls verbunden ist und das Verfahren für einen jeweiligen Symmetrierzyklus folgende Schritte aufweist: - in einem Schritt zum Starten einer Energieaufnahmephase, bei der von der Spule (L) die Energie aus einem Pufferkondensator (C_P) einer benachbarten Schaltungsanordnung (CMM#n+1) aufnimmt, wird die ersten Anschlussschalteinheit (S1 b) und die zweite Anschlussschalteinheit (S2b) so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen, - nach einer vorgegebenen Energieaufnahmezeitdauer, in der die Spule (L) von dem Pufferkondensator der benachbarten Schaltungsanordnung Energie aufnimmt, werden in einem Schritt zum Beenden der Energieaufnahmephase die erste Anschlussschalteinheit (S1 b) und die zweite Anschlussschalteinheit (S2b) so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen, - in einem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase, bei der von der Spule (L) Energie an den Pufferkondensator der Schaltungsanordnung (CMM) abgegeben wird, werden die weitere erste Schalteinheit (S1w) und die weitere zweite Schalteinheit (S2w) so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen, und - nach einer vorgegebenen ersten Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, in der von der Spule (L) Energie an den Pufferkondensator der Schaltungsanordnung (CMM) abgegeben wird, die weitere erste Schalteinheit (S1w) und die weitere zweite Schalteinheit (S2w) so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung (CMM) gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Schaltmatrix der Schaltungsanordnung (CMM) mit den Batteriezellen (Z) des Batteriemoduls verbunden ist und das Verfahren für einen jeweiligen Symmetrierzyklus folgende Schritte aufweist: - in einem Schritt zum Starten einer Energieaufnahmephase, bei der von der Spule (L) Energie aus dem Pufferkondensator (C_P) der benachbarten Schaltungsanordnung (CMM#n+1) aufnimmt, wird die ersten Anschlussschalteinheit (S1b) und die zweite Anschlussschalteinheit (S2b) so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen, - nach einer vorgegebenen Energieaufnahmezeitdauer, in der die Spule (L) von dem Pufferkondensator der benachbarten Schaltungsanordnung (CMM#n+1) Energie aufnimmt, werden in einem Schritt zum Beenden der Energieaufnahmephase die erste Anschlussschalteinheit (S1b) und die zweite Anschlussschalteinheit (S2b) so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen, - in einem Schritt zum Starten einer Energieabgabephase der Spule, bei der von der Spule (L) Energie an eine oder mehrere Zellen (Z) abgegeben wird, werden ein dritter und ein vierter Zellknoten des Batteriemoduls ausgewählt, und die erste Schalteinheit (S1) des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des vierten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen geschlossenen Schaltzustand annehmen, und - nach einer vorgegebenen Energieabgabezeitdauer werden in einem Schritt zum Beenden der Energieabgabephase, bei der von der Spule (L) Energie an die eine oder die mehreren Zellen (Z), die zwischen den dritten und den vierten Zellknoten geschaltet sind, abgeben wird, werden die erste Schalteinheit (S1) des dritten Zellknotens und die zweite Schalteinheit (S2) des vierten Zellknotens so angesteuert, dass sie einen offenen Schaltzustand annehmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem in dem jeweiligen Symmetrierzyklus vor dem Schritt zum Starten der Energieaufnahmephase die zusätzliche erste Schalteinheit (S1z) zum Verbinden des ersten Anschlusses (p-Rail) der Spulenschaltung mit dem lokalen Referenzpotential (GND_#n) und die zusätzliche zweite Schalteinheit (S2z) zum Verbinden des zweiten Anschlusses (n-Rail) der Spulenschaltung (LS) mit dem lokalen Referenzpotential (GND_#n) derart angesteuert werden, dass sie für eine vorgegebene dritte Zeitdauer einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, bei dem eine vorgegebene erste Zeitspanne nach dem Schritt zum Starten der Energieaufnahmephase das Überbrückungsschaltelement (DS) so angesteuert wird, dass es einen geschlossenen Zustand aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, bei dem eine vorgegebene zweite Zeitspanne vor dem Schritt zum Beenden der Energieaufnahmephase das Schaltelement (FWS) der Spulenschaltung (LS) derart angesteuert wird, dass es einen geschlossenen Schaltzustand aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, bei dem eine vorgegebene dritte Zeitspanne nach dem Schritt zum Beenden der Energieaufnahmephase das Überbrückungsschaltelement (DS) so angesteuert wird, dass es einen offenen Zustand aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 21, bei dem eine vorgegebene vierte Zeitspanne nach dem Schritt zum Start der Energieabgabephase das Schaltelement (FWS) der Spulenschaltung (LS) derart angesteuert wird, dass es einen offenen Schaltzustand aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 22, bei dem abhängig von bereitgestellten Messwerten, die repräsentativ sind für jeweilige Zellspannungen und/oder jeweilige Ladezustände der Batteriezellen (Z) des Batteriemoduls, der erste, zweite, dritte und vierte Zellknoten ausgewählt werden.
Steuervorrichtung (SV) zum Betreiben der Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 23 auszuführen.
Batteriesystem aufweisend zumindest eine Schaltungsanordnungen (CMM) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und zumindest ein Batteriemodul, das eine Vielzahl von in Serie geschalteten Batteriezellen (Z) aufweist, wobei jeweils eine der Schaltungsanordnungen (CMM) mit einem der Batteriemodule verbunden ist.
Batteriesystem nach Anspruch 25, wobei die Kontrolleinheit (Ctrl) der jeweiligen Schaltungsanordnung (CMM) eine Steuervorrichtung (SV) nach Anspruch 24 umfasst.
Computerprogramm das, wenn es von einem Prozessor einer Steuervorrichtung ausgeführt wird, die Steuervorrichtung veranlasst, das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 23 auszuführen.
Computerprogrammprodukt umfassend ein Computerprogramm nach Anspruch 27.