WO2012095207A1 - Verfahren zur steuerung einer batterie und batterie zur ausführung des verfahrens - Google Patents

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Ralph Schmidt
Stefan Butzmann
Holger Fink
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Sb Limotive Germany Gmbh
Sb Limotive Company Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling a battery having at least one battery module string, wherein a battery module in
  • Battery module string comprises a coupling unit, and a battery in which the inventive method is executable.
  • battery cells are connected in series. Since the power provided by such a battery must flow through all the battery cells and a battery cell can only conduct a limited current, battery cells are often additionally connected in parallel in order to increase the maximum current. This can be done either by providing multiple cell wraps within a battery cell housing or by externally interconnecting battery cells. It is, however,
  • a pulse inverter 12 Connected DC voltage intermediate circuit is a pulse inverter 12, which provides over two switchable semiconductor valves and two diodes at three taps 14-1, 14-2, 14-3 against each other phase-shifted sinusoidal currents for the operation of an electric drive motor 13. The capacity of the pulse inverter 12, which provides over two switchable semiconductor valves and two diodes at three taps 14-1, 14-2, 14-3 against each other phase-shifted sinusoidal currents for the operation of an electric drive motor 13. The capacity of the
  • DC link capacitor 1 1 must be large enough to withstand the voltage
  • Battery cell in the battery 10 determines the range, and that the defect of a single battery cell already to a lie Economicser of the whole
  • Pulse inverter 12 to high switching losses and - because of the high
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the invention therefore provides a method for controlling a battery.
  • the battery includes at least one battery module string having a plurality of battery modules connected in series.
  • Each of the series-connected battery modules comprises at least one battery cell, at least one coupling unit, a first terminal and a second terminal and is designed to occupy one of at least two switching states as a function of a control of the coupling unit.
  • different switching states correspond to different voltage values between the first terminal and the second terminal of the
  • the inventive method comprises the following steps: In a first method step, a ranking is determined among the battery modules, with which they are to participate in providing a desired output voltage of the battery module string. In this case, the battery modules compare their respective operating states with each other and determine the order of priority based on the comparison. In a further method step, a
  • an assumed switching state is set in each of the battery modules, based on a comparison between that of the
  • Control unit sent message and the particular ranking occurs.
  • the predetermined switching state is assumed by each of the battery modules.
  • the bandwidth of a bus system used for this purpose can be chosen smaller because not all battery modules for determining the condition
  • the comparison of the operating states between the individual battery modules can take place with regard to one or more different battery characteristics, such as, for example, with regard to the state of charge, the temperature, the aging or the service life.
  • the message from the control unit is sent only to one of the battery modules, which can then communicate with the remaining battery modules in order to provide them with information about the respective switching state to be adopted.
  • the message is sent from the controller to each of the battery modules.
  • the message sent by the controller may be the one to be provided
  • Output voltage of the battery module string include. Based on the output voltage to be provided can then be determined which
  • Switching states have to take the respective battery modules to produce the required output voltage.
  • the message sent by the control unit includes a number of battery modules, which should assume a predetermined switching state. This is sufficient, for example, when all battery modules provide a same module voltage in one of their switching states, so that an output voltage of the battery module string to be provided is defined by the number of battery modules occupying this switching state.
  • each of the battery modules has its respective one
  • Communication between the battery modules is typically via a data bus to which the battery modules are connected.
  • the controller is also connected to the same data bus.
  • Another aspect of the invention relates to a battery comprising at least one battery module string having the characteristics described above.
  • the battery modules are configured to compare with each other their respective operating conditions and to determine based on the comparison of a ranking with which the battery modules to provide a desired
  • Output voltage of the battery module string are involved, so that the inventive method can be performed in the battery.
  • the controller also required to complete the process may be part of the battery, although this is not essential.
  • the battery is preferably a lithium-ion battery.
  • At least one battery module may be configured to selectively connect the first terminal and the second terminal of the battery module or to switch the at least one battery cell between the first terminal and the second terminal depending on a control of the coupling unit. This defines two different switching states.
  • at least one Battery module to be configured to switch the at least one battery cell between the first terminal and the second terminal, wherein a polarity of the voltage applied between the first terminal and the second terminal voltage in dependence on a control of the coupling unit is selectable. This also results in two switching states or three switching states, if the two configurations mentioned are combined with each other.
  • the battery may include a data bus to which the battery modules are connected.
  • the battery modules are designed to compare with each other their respective operating conditions by means of a communication via the data bus.
  • FIG. 1 shows an electric drive unit according to the prior art
  • Figure 2 is a coupling unit, in the inventive method
  • FIG. 3 shows a first embodiment of the coupling unit
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the coupling unit
  • Figure 5 shows the second embodiment of the coupling unit in a simple
  • FIGS. 6 and 7 show two arrangements of the coupling unit in a battery module
  • 8 shows the coupling unit shown in FIG. 5 in the arrangement shown in FIG. 6,
  • FIG. 9 shows an electric drive unit with three battery module strings
  • FIG. 10 shows a control of the electric drive unit shown in FIG. 9 by a control unit
  • Figure 1 1 shows an embodiment of the coupling unit, which allows between the terminals of a battery module, a voltage with selectable
  • FIG 12 shows an embodiment of the battery module with the coupling unit shown in Figure 11, and
  • FIG. 2 shows a coupling unit 30 which can be used in the method according to the invention.
  • the coupling unit 30 has two inputs 31 and 32 and an output 33 and is adapted to connect one of the inputs 31 or 32 to the output 33 and to decouple the other. In certain embodiments of the coupling unit, this can also be designed to separate both inputs 31, 32 from the output 33. However, it is not intended to connect both the input 31 and the input 32 to the output 33.
  • 3 shows a first embodiment of the coupling unit 30, which has a changeover switch 34, which in principle can connect only one of the two inputs 31, 32 to the output 33, while the respective other input 31, 32 is disconnected from the output 33.
  • the changeover switch 34 can be realized particularly simply as an electromechanical switch.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the coupling unit 30, in which a first and a second switch 35 or 36 are provided. Each of the switches is connected between one of the inputs 31 and 32 and the output 33. In contrast to the embodiment of Figure 3, this embodiment has the advantage that both inputs 31, 32 from
  • Output 33 can be disconnected, so that the output 33 is high impedance.
  • the switches 35, 36 can be easily realized as semiconductor switches such as Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) switches or Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) switches.
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • FIG. 5 shows the second embodiment of the coupling unit in a simple
  • Battery module 40 A plurality of battery cells 41 is connected in series between the inputs of a coupling unit 30.
  • the invention is not limited to such a series connection of battery cells, it can also be provided only a single battery cell or a parallel connection or mixed-serial-parallel circuit of battery cells.
  • the output of the coupling unit 30 is connected to a first terminal 42 and the negative pole of the battery cells 41 to a second terminal 43.
  • a mirror-image arrangement as in FIG. 7 is possible, in which the positive pole of the battery cells 41 is connected to the first terminal 42 and the output of the coupling unit 30 to the second terminal 43.
  • FIG. 8 shows the coupling unit 30 shown in FIG. 5 in the arrangement shown in FIG. A control and diagnosis of the coupling units 30 via a signal line 44, which is connected to a control unit, not shown.
  • a signal line 44 which is connected to a control unit, not shown.
  • FIG. 9 shows an electric drive unit with an electric motor 13, whose three phases are connected to three battery module strings 50-1, 50-2, 50-3.
  • Each of the three battery module strings 50-1, 50-2, 50-3 consists of a plurality of series-connected battery modules 40-1, 40-n, each comprising a coupling unit 30 and constructed as shown in Figure 6 or 7.
  • Battery module 40-1, 40-n connected to the second terminal 43 of an adjacent battery module 40-1, 40-n. In this way, a stepped output voltage can be generated in each of the three battery module strings 50-1, 50-2, 50-3.
  • a control unit 60 shown in FIG. 10 is designed to output a first control signal to a variable number of battery modules 40-1, 40-n in m battery module strings 50-1, 50-2,... 50-m via a data bus 61, by which the coupling units 30 of the thus-actuated battery modules 40-1, 40-n, the battery cell (or the battery cells) 41 between the first terminal 42 and the second terminal 43 of the respective
  • the control unit 60 outputs to the remaining battery modules 40-1, 40-n a second control signal, by means of which the coupling units 30 of these remaining battery modules 40-1, 40-n, the first terminal 42 and the second terminal 43 of the respective
  • Battery module 40-1, 40-n connect, whereby its battery cells 41 are bridged.
  • Output voltages are generated, which drive the electric motor 13 in the desired form without the use of an additional pulse inverter.
  • the battery modules 40-1, .., used in one of the m battery module strings 50-1, 50-2,. 40-n are configured to switch their battery cells 41 between the first terminal 42 and the second terminal 43 in such a way that a polarity of the voltage applied between the first terminal 42 and the second terminal 43 can be selected as a function of a control of the coupling unit.
  • Figure 1 1 shows an embodiment of the coupling unit 70, which makes this possible and in which a first, a second, a third and a fourth switch 75, 76, 77 and 78 are provided.
  • the first switch 75 is connected between a first input 71 and a first output 73
  • the second switch 76 is connected between a second input 72 and a second output 74
  • the third switch 77 between the first input 71 and the second output 74
  • the fourth Switch 78 connected between the second input 72 and the first output 73.
  • FIG. 12 shows an embodiment of the battery module 40 with the coupling unit shown in FIG. 11.
  • the first output of the coupling unit 70 is connected to the first terminal 42 and the second output of the coupling unit 70 to the second terminal 43 of the battery module 40.
  • the thus constructed battery module 40 has the advantage that the battery cells 41 through the
  • Coupling unit 70 can be connected in a selectable polarity with the terminals 42, 43, so that an output voltage of different signs can be generated. It may also be possible, for example, by closing the switches 76 and 78 and simultaneously opening the switches 75 and 77 (or by opening the switches 76 and 78 and closing the switches 75 and 77) to connect the terminals 42 and 43 together and to produce an output voltage of 0V. Overall, it is thus possible to set either 0 volts, the voltage U m0d or the voltage -U m0d between the terminals 42 and 43 of the battery module 40 .
  • the electric drive unit shown in Figure 10 is generally m
  • Battery module strings shown. In the following, since this is the most frequently encountered case in the art, it is intended to work with m 3 battery module strings.
  • the electric drive unit with three battery module strings 50-1, 50-2, 50-3 shown in FIGS. 9 and 10 has the following property: a required output voltage, which is smaller than the maximum available output voltage, in one of the battery module strings 50-50. 1, 50-2, 50-3 provide several different, but for the behavior at the terminals to the outside equivalent switching combinations of the semiconductor switch involved in the systems are possible. In this case, not all the battery modules contained in the system 40 are flowed through by the same stream. These different, equivalent switching combinations result in the
  • the battery modules 40-1, 40-n are designed so that they can output the voltage 0 V and + U m0 d.
  • Battery module string 50-1, 50-2, 50-3 can then be set in steps of module voltage Umod.
  • Battery module string 50-1, 50-2, 50-3 is a multiple of the individual module voltage Umod-
  • the battery line voltage U S t r between levels of 0 V and 4xU m0 d vary in stages ,
  • one stage of the output voltage can be realized with the following number of different, equivalent or redundant switching states:
  • one has four possible switching states available for the provision of the output voltage of a battery string U s t r U m0 d:
  • the coupling unit 30 In each case only one of the four battery modules 40-1, 40-4 is connected by means of the coupling unit 30 so that it Output voltage U m0 d outputs, while the three other battery modules are connected by means of their coupling units 30 so that they carry the voltage 0 V to the outside.
  • a plurality of equivalent switching states are available in each case in order to supply the current I str , which is off flowing out of or into the battery module string, through certain battery modules 40-1, 40-4.
  • Inverter is described by a number triplet, wherein the first number describes the switching state of the first battery module string 50-1, the second number of the second battery module string 50-2 and the third number that of the third battery module string 50-3 and indicate the numbers
  • Battery module string 50-1, 50-2, 50-3 are present, then the following states in the potential difference are identical: 100, 211, 322 and 433.
  • the current flow in this branch on certain modules be distributed.
  • the selection of the battery modules 40 depends on the direction of the current flow in
  • the state of charge SOC of a module 50 can either be derived directly from its voltage, or known methods for determining the SOC can be used.
  • the current direction is the regulation of the inverter known. If the current direction is such that the current in the battery module string I S t r > 0 (that is, if the modules 40 are discharged), the modules 40 are involved in the power supply, which currently have the highest state of charge. If the current direction is such that the current in the battery module string I S t r ⁇ 0, the modules 40 are involved in the current conduction, which have the momentarily smallest state of charge. For example, the battery modules 40 are sequentially selected.
  • charge state regions can also be predetermined and specific selection probabilities assigned to these charge state regions.
  • a high state of charge range can be assigned a higher probability of selection than a low state of charge range, and vice versa, depending on the desired current direction. Then the batteries with a high charge state become more frequent at the
  • Order of the battery modules according to the state of charge need not be determined. In any case, this control prevents the state of charge of the various battery modules 40 from being greatly different. Also, the temperature of the battery modules 40 and thus the overall battery can be influenced. The temperature of the battery cells is getting out
  • the modules 40 are most often involved in the current routing having the lowest temperature.
  • the modules are the least involved in the power supply, which have the highest temperature.
  • the modules 40 can be involved in the current routing as a function of this.
  • the modules 40 with the highest SOH are most commonly used on the
  • the lowest SOH modules 40 are least likely to be involved in the current routing. If no SOH is known for the modules 40, the distribution of the current-carrying durations can take place uniformly over the modules, so that a uniform aging takes place.
  • the lifetime of the battery modules can also be influenced by the process.
  • the service life of battery cells is determined by the charging and discharging cycles. In order to get as few cycles for a module, such switching states are always selected, in which the desired state is achieved with a minimum number of modules involved in the power supply.
  • the states of the battery modules can each be influenced individually. However, several or all states can be influenced simultaneously.
  • the rules for the respective battery characteristics are evaluated together. If contradicting requirements for the selection of the modules 40 result from the various rules, this can be achieved by prioritizing the individual parameters. Another way of
  • Output voltage can be realized with the following number of different switching states:
  • the potential difference between the terminals of the inverter can here by different output voltages to the
  • Battery module strings 50-1, 50-2, 50-3 can be achieved.
  • the switching state of the entire inverter is described by a number triplet
  • the first number describing the switching state of the first battery module string 50-1, the second number of the second battery module string 50-2 and the third number of the third battery module string 50-3, and the numbers specify the multiple of the module voltage U m0d at the terminals of the respective
  • Battery module strings 50-1, 50-2, 50-3 then the following states in the potential difference are identical: 344 and 233 and 122 and 01 1 and -100 and -2-1-1 and -3-2-2 and 4-3-3.
  • the current flow in this branch can be distributed to specific modules.
  • the selection of the modules 40 depends on the direction of current flow in the battery module string 50-1, 50-2, 50-3, the state of charge SOC and the module output voltage -U m0d and + U m0d .
  • the current direction and the required module output voltage are known to control the inverter. Now applies:
  • the modules 40 are involved in the power supply, which currently have the highest state of charge, ie with decreasing
  • state of charge areas can also be defined and a certain selection probability for these areas
  • Battery modules 40 are determined according to state of charge.
  • battery modules 40 required to provide a particular output voltage in one of the battery module strings 50-1, 50-2, 50-3 are based on various criteria selected.
  • the control unit 60 which determines the desired output voltage, must also have the states of
  • Controller 60 can determine the respective current state of each battery module 40. According to the invention it is now provided that among the Battery modules 40 a ranking is determined with which this at a
  • Provision of a desired output voltage of one of the battery module strings 50-1, 50-2, 50-3 are involved by the battery modules 40 compared with each other according to the criteria described above, their respective operating conditions and determine the ranking based on this comparison. Thus determine the
  • the output voltage to be provided is determined by a control unit 60.
  • the controller 60 sends a message to all battery modules 40.
  • the message may either include the desired output voltage or a
  • Control unit 60 sent message and the particular ranking is then set to be taken switching state in each of the battery modules, which is eventually occupied by each of the battery modules 40 to the required
  • Control unit 60 to the individual modules 40.
  • Each of the battery modules 40 autonomously determines the state in which it is currently and deals with other battery modules 40 in one of the battery module strings 50-1, 50-2, 50-3, on which place the Ranking is with respect to its operating state.
  • the control unit 60 may in this case be part of the battery 10 itself, or be arranged outside the battery 10.
  • the controller 60 determines the output voltage to be provided in one of the battery module strings 50-1, 50-2, 50-3 based on the connected load such as a three-phase motor and the current current direction.
  • the controller 60 then sends a message to all the battery modules 40-1, 40-n in one of the battery module strings 50-1, 50-2, 50-3 via the data bus 61, the transmitted message containing the number M determined by the controller 60.
  • FIG. 13 shows the selection of the switching states assumed in the battery modules 40-1,..., 40-n in a flow chart.
  • a selection is made between a first switching state (U m0d ) and a second switching state (0 V) (for example, in the battery modules illustrated in FIGS .
  • the selection process starts in method step S10.
  • method step S1 the message containing the number M is received in a respective battery module 40.
  • the relevant battery module checks whether M is greater as n is. If this is not the case (this corresponds to the case in which the battery modules 40 are discharged), it is checked in method step S13 whether the number z1 allocated to the respective battery module is less than or equal to the number M. If the latter is the case, the respective battery module 40 assumes the first switching state in method step S14 and thus supplies U m0d . Otherwise, it assumes the second switching state in method step S15 and thus supplies 0 V.
  • step S16 If, however, the number M is greater than the number n, it is checked in step S16 whether the number z2 is less than or equal to the number M. If this is the case, the respective battery module assumes the first switching state in method step S17. Otherwise, it assumes the second switching state in method step S18.
  • step S19 the method for selecting the switching state ends in the battery modules 40-1, 40-n.
  • the described selection can be easily extended to the case in which the battery modules 40 are switchable between three switching states, that is, for example, in the configuration shown in Figure 12.
  • a selection between the first switching state (U m0d ) and the second switching state (0 V) is made exactly as shown in FIG.
  • each of the battery modules 40-1, 40-n mentioned here is selected between the second switching state (0 V) and a third one
  • Switching state ( -U m0d ) is made by comparing the negative number M with the numbers -n, -z1 and -z2.

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung einer Batterie (10) umfassend mindestens einen Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40-1,..., 40-n) beschrieben. Jedes Batteriemodul (40-1,..., 40-n) umfasst wenigstens eine Batteriezelle (41), wenigstens eine Koppeleinheit (30, 70), einen ersten Anschluss (42) und einen zweiten Anschluss (43) und ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen, wobei verschiedene Schaltzustände unterschiedlichen Spannungswerten zwischen dem ersten Anschluss (42) und dem zweiten Anschluss (43) des Batteriemoduls (40-1,..., 40-n) entsprechen. In dem Verfahren wird eine Rangfolge unter den Batteriemodulen (40-1,..., 40-n) bestimmt, mit welcher diese an einer Bereitstellung einer gewünschten Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs (50-1, 50-2, 50-3) zu beteiligen sind, wobei die Batteriemodule (40-1,..., 40-n) untereinander ihre jeweiligen Betriebszustände vergleichen und auf Grundlage des Vergleichs die Rangfolge bestimmen.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur Steuerung einer Batterie und Batterie zur Ausführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Batterie mit mindestens einem Batteriemodulstrang, bei dem ein Batteriemodul im
Batteriemodulstrang eine Koppeleinheit umfasst, sowie eine Batterie, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt
Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige
Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbare Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einer solchen Batterie bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen. Dies kann entweder durch Vorsehen von mehreren Zellwickeln innerhalb eines Batteriezellengehäuses oder durch externes Verschalten von Batteriezellen geschehen. Dabei ist jedoch
problematisch, dass es aufgrund nicht exakt identischer Zellkapazitäten und -Spannungen zu Ausgleichsströmen zwischen den parallel geschalteten
Batteriezellen kommen kann.
Das Prinzipschaltbild einer üblichen elektrischen Antriebseinheit, wie sie beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären
Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum
Einsatz kommt, ist in Figur 1 dargestellt. Eine Batterie 10 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen Zwischenkreiskondensator 11 gepuffert wird. An den
Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Abgriffen 14-1 , 14-2, 14-3 gegeneinander phasenversetzte Sinusströme für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors 13 bereitstellt. Die Kapazität des
Zwischenkreiskondensators 1 1 muss groß genug sein, um die Spannung im
Gleichspannungszwischenkreis für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen
Anwendung wie einem Elektrofahrzeug ergibt sich eine hohe Kapazität im
Bereich von mF.
Nachteilig bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung ist, dass die schwächste
Batteriezelle in der Batterie 10 die Reichweite bestimmt, und dass der Defekt einer einzelnen Batteriezelle bereits zu einem Liegenbleiber des ganzen
Fahrzeugs führt. Zudem führt die Modulation der hohen Spannungen im
Pulswechselrichter 12 zu hohen Schaltverlusten und - da wegen der hohen
Spannungen typischerweise Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter eingesetzt werden müssen - ebenfalls zu hohen Durchlassverlusten.
Nachteilig ist außerdem, dass im System enthaltene Batteriezellen oder -module von dem gleichen Strom durchflössen werden und somit nicht einzeln
ansteuerbar sind. Es besteht daher keine Möglichkeit, auf verschiedene
Zustände von einzelnen Batteriezellen Einfluss zu nehmen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Steuerung einer Batterie bereitgestellt. Die Batterie umfasst mindestens einen Batteriemodulstrang mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen. Jedes der in Serie geschalteten Batteriemodule umfasst wenigstens eine Batteriezelle, wenigstens eine Koppeleinheit, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen. Hierbei entsprechen verschiedene Schaltzustände unterschiedlichen Spannungswerten zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des
Batteriemoduls. Somit ist in jedem der Schaltzustände ein anderer Spannungswert zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Batteriemoduls abgreifbar. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte: In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Rangfolge unter den Batteriemodulen bestimmt, mit welcher diese an einer Bereitstellung einer gewünschten Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs zu beteiligen sind. Hierbei vergleichen die Batteriemodule untereinander ihre jeweiligen Betriebszustände und bestimmen auf Grundlage des Vergleichs die Rangfolge. In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine
bereitzustellende Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs durch ein Steuergerät bestimmt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird vom dem Steuergerät eine
Nachricht an mindestens eines der Batteriemodule gesendet. In einem weiteren
Verfahrensschritt wird ein einzunehmender Schaltzustand in jedem der Batteriemodule festgelegt, wobei dies auf Grundlage eines Vergleichs zwischen der von dem
Steuergerät gesendeten Nachricht und der bestimmten Rangfolge erfolgt. Schließlich wird in einem weiteren Verfahrensschritt der festgelegte Schaltzustand durch jedes der Batteriemodule eingenommen.
Dadurch, dass die Batteriemodule untereinander ihre jeweiligen Betriebszustände vergleichen und auf Grundlage des Vergleichs die Rangfolge bestimmen, wird eine Datenübertragung zwischen den Batteriemodulen und dem Steuergerät minimiert. Die Rechenleistung des Steuergerätes kann verkleinert werden, da die Bestimmung der
Zustände von allen Modulen nicht mehr auf dem Steuergerät durchgeführt werden muss. Die Bandbreite eines hierfür verwendeten Bussystems kann kleiner gewählt werden, da nicht mehr alle Batteriemodule die für die Zustandsbestimmung
notwendigen Daten an das Steuergerät kommunizieren müssen.
Der Vergleich der Betriebszustände zwischen den einzelnen Batteriemodulen kann hinsichtlich einer oder auch mehrerer verschiedener Batteriekenngrößen erfolgen, wie zum Beispiel hinsichtlich des Ladezustandes, der Temperatur, der Alterung oder der Lebensdauer.
Es kann ausreichen, dass die Nachricht von dem Steuergerät lediglich an eines der Batteriemodule gesendet wird, welches daraufhin mit den restlichen Batteriemodulen kommunizieren kann, um ihnen Informationen über den jeweils einzunehmenden Schaltzustand zukommen zu lassen. Bevorzugt ist jedoch, dass die Nachricht von dem Steuergerät an jedes der Batteriemodule gesendet wird. Die von dem Steuergerät gesendete Nachricht kann die bereitzustellende
Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs beinhalten. Auf Grundlage der bereitzustellenden Ausgangsspannung kann dann festgelegt werden, welche
Schaltzustände die jeweiligen Batteriemodule einzunehmen haben, um die geforderte Ausgangsspannung zu erzeugen.
Eine andere Möglichkeit ist, dass die von dem Steuergerät gesendete Nachricht eine Anzahl von Batteriemodulen beinhaltet, welche einen vorbestimmten Schaltzustand einnehmen sollen. Dies ist beispielsweise dann ausreichend, wenn alle Batteriemodule eine gleiche Modulspannung in einem ihrer Schaltzustände bereitstellen, so dass eine bereitzustellende Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs durch die Anzahl der diesen Schaltzustand einnehmenden Batteriemodule definiert ist.
Bevorzugt ist außerdem, dass jedes der Batteriemodule seinen jeweiligen
Betriebszustand selbstständig bestimmt, insbesondere unter Verwendung eines dem Batteriemodul zugeordneten oder von ihm umfassten Mikrocontrollers. Die
Kommunikation zwischen den Batteriemodulen erfolgt typischerweise über einen Datenbus, an den die Batteriemodule angeschlossen sind. Typischerweise ist auch das Steuergerät an denselben Datenbus angeschlossen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, welche mindestens einen Batteriemodulstrang mit den oben beschriebenen Eigenschaften umfasst. Hierbei sind die Batteriemodule dazu ausgebildet, untereinander ihre jeweiligen Betriebszustände zu vergleichen und auf Grundlage des Vergleichs eine Rangfolge zu bestimmen, mit welcher die Batteriemodule an einer Bereitstellung einer gewünschten
Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs zu beteiligen sind, so dass das erfindungsgemäße Verfahren in der Batterie ausgeführt werden kann. Das zur vollständigen Ausführung des Verfahrens außerdem erforderliche Steuergerät kann Teil der Batterie sein, obwohl dies nicht wesentlich ist. Die Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie.
Mindestens ein Batteriemodul kann dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wahlweise den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss des Batteriemoduls zu verbinden oder die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss zu schalten. Hierdurch werden zwei verschiedene Schaltzustände definiert. Außerdem kann mindestens ein Batteriemodul dazu ausgebildet sein, die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss zu schalten, wobei eine Polarität der zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss anliegenden Spannung in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wählbar ist. Hierdurch entstehen ebenfalls zwei Schaltzustände oder aber drei Schaltzustände, wenn die beiden genannten Konfigurationen miteinander kombiniert werden.
Außerdem kann die Batterie einen Datenbus umfassen, an den die Batteriemodule angeschlossen sind. Die Batteriemodule sind dabei dazu ausgebildet, untereinander ihre jeweiligen Betriebszustände mittels einer Kommunikation über den Datenbus zu vergleichen.
Es wird zudem ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum
Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen erfindungsgemäßen Batterie angegeben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen:
Figur 1 eine elektrische Antriebseinheit gemäß dem Stand der Technik, Figur 2 eine Koppeleinheit, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendbar ist,
Figur 3 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit, Figur 4 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit,
Figur 5 die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen
Halbleiterschaltung,
Figur 6 und 7 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul, Figur 8 die in Figur 5 dargestellte Koppeleinheit in der in Figur 6 dargestellten Anordnung,
Figur 9 eine elektrische Antriebseinheit mit drei Batteriemodulsträngen,
Figur 10 eine Ansteuerung der in Figur 9 gezeigten elektrischen Antriebseinheit durch ein Steuergerät,
Figur 1 1 eine Ausführungsform der Koppeleinheit, welche ermöglicht, dass zwischen den Anschlüssen eines Batteriemoduls eine Spannung mit wählbarer
Polarität anliegt,
Figur 12 eine Ausführungsform des Batteriemoduls mit der in Figur 11 dargestellten Koppeleinheit, und
Figur 13 die Auswahl der in den Batteriemodulen eingenommenen
Schaltzustände in einem Flussdiagramm.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 2 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar ist. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ist dazu ausgebildet, einen der Eingänge 31 oder 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden und den anderen abzukoppeln. Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 31 , 32 vom Ausgang 33 abzutrennen. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den Eingang 31 als auch den Eingang 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden. Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit 30, welche über einen Wechselschalter 34 verfügt, welcher prinzipiell nur einen der beiden Eingänge 31 , 32 mit dem Ausgang 33 verbinden kann, während der jeweils andere Eingang 31 , 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt wird. Der Wechselschalter 34 kann besonders einfach als elektromechanischer Schalter realisiert werden. Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster und ein zweiter Schalter 35 beziehungsweise 36 vorgesehen sind. Jeder der Schalter ist zwischen einen der Eingänge 31 beziehungsweise 32 und den Ausgang 33 geschaltet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von Figur 3 bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31 , 32 vom
Ausgang 33 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang 33 hochohmig wird. Zudem können die Schalter 35, 36 einfach als Halbleiterschalter wie zum Beispiel Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)-Schalter oder Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter verwirklicht werden.
Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen
Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 30 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignales reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind. Figur 5 zeigt die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen
Halbleiterschaltung, bei welcher jeder der Schalter 35, 36 aus jeweils einem ein- und ausschaltbaren Halbleiterventil und einer zu diesem antiparallel geschalteten Diode besteht. Die Figuren 6 und 7 zeigen zwei Anordnungen der Koppeleinheit 30 in einem
Batteriemodul 40. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 41 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen. Im Beispiel der Figur 6 sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten Anschluss 42 und der negative Pol der Batteriezellen 41 mit einem zweiten Anschluss 43 verbunden. Es ist jedoch eine spiegelbildliche Anordnung wie in Figur 7 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 41 mit dem ersten Anschluss 42 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Anschluss 43 verbunden sind.
Figur 8 zeigt die in Figur 5 dargestellte Koppeleinheit 30 in der in Figur 6 dargestellten Anordnung. Eine Ansteuerung und Diagnose der Koppeleinheiten 30 erfolgt über eine Signalleitung 44, welche mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden ist. Insgesamt ist es möglich, zwischen den Anschlüssen 42 und 43 des Batteriemoduls 40 entweder 0 Volt oder eine Spannung Um0d einzustellen.
Figur 9 zeigt eine elektrische Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor 13, dessen drei Phasen mit drei Batteriemodulsträngen 50-1 , 50-2, 50-3 verbunden sind. Jeder der drei Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 besteht aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen 40-1 , 40-n, die jeweils eine Koppeleinheit 30 umfassen und wie in Figur 6 oder 7 dargestellt aufgebaut sind. Bei dem Zusammensetzen von Batteriemodulen 40-1 , 40-n zu einem der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 wird jeweils der erste Anschluss 42 eines
Batteriemoduls 40-1 , 40-n mit dem zweiten Anschluss 43 eines benachbarten Batteriemoduls 40-1 , 40-n verbunden. Auf diese Weise kann eine gestufte Ausgangsspannung in jedem der drei Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 erzeugt werden.
Ein in Figur 10 gezeigtes Steuergerät 60 ist dazu ausgebildet, an eine variable Anzahl von Batteriemodulen 40-1 , 40-n in m Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, ...50-m über einen Datenbus 61 ein erstes Steuersignal auszugeben, durch welches die Koppeleinheiten 30 der so angesteuerten Batteriemodule 40-1 , 40-n die Batteriezelle (beziehungsweise die Batteriezellen) 41 zwischen den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 des jeweiligen
Batteriemoduls 40-1 , 40-n schalten. Gleichzeitig gibt das Steuergerät 60 an die restlichen Batteriemodule 40-1 , 40-n ein zweites Steuersignal aus, durch welches die Koppeleinheiten 30 dieser restlichen Batteriemodule 40-1 , 40-n den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 des jeweiligen
Batteriemoduls 40-1 , 40-n verbinden, wodurch dessen Batteriezellen 41 überbrückt werden.
Durch geeignete Ansteuerung der Mehrzahl von Batteriemodulen 40-1 , 40-n in m Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, ... 50-m können somit m sinusförmige
Ausgangsspannungen erzeugt werden, die den elektrischen Motor 13 in der gewünschten Form ohne Einsatz eines zusätzlichen Pulswechselrichters ansteuern.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die in einem der m Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, ... 50-m verwendeten Batteriemodule 40-1 , .. 40-n dazu ausgebildet sind, ihre Batteriezellen 41 derart zwischen den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 zu schalten, dass eine Polarität der zwischen dem ersten Anschluss 42 und dem zweiten Anschluss 43 anliegenden Spannung in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wählbar ist.
Figur 1 1 zeigt eine Ausführungsform der Koppeleinheit 70, welche dies ermöglicht und bei welcher ein erster, ein zweiter, ein dritter und ein vierter Schalter 75, 76, 77 und 78 vorgesehen sind. Der erste Schalter 75 ist zwischen einen ersten Eingang 71 und einen ersten Ausgang 73 geschaltet, der zweite Schalter 76 ist zwischen einen zweiten Eingang 72 und einen zweiten Ausgang 74, der dritte Schalter 77 zwischen den ersten Eingang 71 und den zweiten Ausgang 74 und der vierte Schalter 78 zwischen den zweiten Eingang 72 und den ersten Ausgang 73 geschaltet.
Die Figur 12 zeigt eine Ausführungsform des Batteriemoduls 40 mit der in Figur 1 1 dargestellten Koppeleinheit. Der erste Ausgang der Koppeleinheit 70 ist mit dem ersten Anschluss 42 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 70 mit dem zweiten Anschluss 43 des Batteriemoduls 40 verbunden. Das so aufgebaute Batteriemodul 40 hat den Vorteil, dass die Batteriezellen 41 durch die
Koppeleinheit 70 in einer wählbaren Polarität mit den Anschlüssen 42, 43 verbunden werden können, so dass eine Ausgangsspannung unterschiedlicher Vorzeichen erzeugt werden kann. Auch kann es möglich sein, beispielsweise durch Schließen der Schalter 76 und 78 und gleichzeitiges Öffnen der Schalter 75 und 77 (oder aber durch Öffnen der Schalter 76 und 78 sowie Schließen der Schalter 75 und 77), die Anschlüsse 42 und 43 miteinander leitend zu verbinden und eine Ausgangsspannung von 0 V zu erzeugen. Insgesamt ist es somit möglich, zwischen den Anschlüssen 42 und 43 des Batteriemoduls 40 entweder 0 Volt, die Spannung Um0d oder die Spannung -Um0d einzustellen.
Die in Figur 10 gezeigte elektrische Antriebseinheit ist allgemein mit m
Batteriemodulsträngen dargestellt. Im Folgenden soll, da dies in der Technik der am häufigsten anzutreffende Fall ist, mit m = 3 Batteriemodulsträngen gearbeitet werden. Die in den Figuren 9 und 10 gezeigte elektrische Antriebseinheit mit drei Batteriemodulsträngen 50-1 , 50-2, 50-3 hat folgende Eigenschaft: um eine geforderte Ausgangsspannung, welche kleiner als die maximal zur Verfügung stehende Ausgangsspannung ist, in einem der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 bereitzustellen, sind mehrere verschiedene, aber für das Verhalten an den Klemmen nach außen gleichwertige Schaltkombinationen der in den Systemen beteiligten Halbleiterschalter möglich. Dabei werden nicht mehr alle im System enthaltenen Batteriemodule 40 von dem gleichen Strom durchflössen. Durch diese verschiedenen, gleichwertigen Schaltkombinationen ergeben sich in den
Steuerverfahren verschiedene Möglichkeiten zur Optimierung verschiedener Zustände der Batterie, welche im Folgenden vorgestellt werden und zum
Verständnis der Erfindung beitragen sollen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel des Steuerverfahrens, welches zum Verständnis der Erfindung beschrieben wird, wird davon ausgegangen, dass die Batteriemodule 40-1 , 40-n so ausgebildet sind, dass sie die Spannung 0 V und +Um0d ausgeben können. Die Ausgangsspannung an einem
Batteriemodulstrang 50-1 , 50-2, 50-3 kann dann in Schritten der Modulspannung Umod eingestellt werden. Die maximale Ausgangsspannung an einem
Batteriemodulstrang 50-1 , 50-2, 50-3 ist ein Vielfaches der Einzelmodulspannung Umod- Somit kann bei vier Batteriemodulen 40-1 , 40-4 pro Batteriemodulstrang die Batteriestrangsspannung UStr zwischen Werten von 0 V und 4xUm0d stufig variieren. Dabei kann eine Stufe der Ausgangsspannung mit folgender Anzahl an verschiedenen, gleichwertigen bzw. redundanten Schaltzuständen realisiert werden:
Ustr = 0: 1 (alle Koppelmodule aus).
Ustr = Umod : 4 (ein Koppelmodul ein, 3 Koppelmodule aus).
Ustr = 2 Umod : 6 (2 Koppelmodule ein, 2 Koppelmodule aus).
Ust, = 3 Umod : 4 (3 Koppelmodule ein, 1 Koppelmodul aus).
Ustr = 4 Umod : 1 (alle Koppelmodul ein).
Mit anderen Worten hat man für die Bereitstellung der Ausgangsspannung eines Batteriestranges Ustr = Um0d vier mögliche Schaltzustände zur Verfügung: Jeweils ist nur eines der vier Batteriemodule 40-1 , 40-4 mittels der Koppeleinheit 30 so geschaltet, dass es die Ausgangsspannung Um0d ausgibt, während die jeweils drei anderen Batteriemodule mittels ihrer Koppeleinheiten 30 so geschaltet sind, dass sie die Spannung 0 V nach außen führen. Somit stehen außer bei den Ausgangsspannungen 0 V und 4Um0d jeweils mehrere gleichwertige Schaltzustände zur Verfügung, um den Strom lstr, der aus dem Batteriemodulstrang hinaus oder in ihn hinein fließt, durch bestimmte Batteriemodule 40-1 , 40-4 fließen zu lassen.
Die Potenzialdifferenz zwischen den Anschlüssen der in den Figuren 9 und 10 dargestellten elektrischen Antriebseinheit, welche als Wechselrichter fungiert, ergibt sich aus den Ausgangsspannungen der einzelnen Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3. Auch hierbei lassen sich gleiche Potenzialdifferenzen durch unterschiedliche Ausgangsspannungen an den Batteriemodulsträngen 50-1 , 50-2, 50-3 redundant erzielen. Wenn der Schaltzustand des gesamten
Wechselrichters durch ein Zahlentripel beschrieben wird, wobei die erste Zahl den Schaltzustand des ersten Batteriemodulstranges 50-1 , die zweite Zahl den des zweiten Batteriemodulstranges 50-2 und die dritte Zahl den des dritten Batteriemodulstranges 50-3 beschreibt und die Zahlen angeben, das
Wievielfache der Modulspannung Um0d an den Klemmen des jeweiligen
Batteriemodulstrangs 50-1 , 50-2, 50-3 anliegen, dann sind folgende Zustände in der Potenzialdifferenz identisch: 100, 211 , 322 und 433. Über die Auswahl eines der gleichwertigen Schaltzustände des Wechselrichters kann wiederum der Stromfluss in diesem Zweig auf bestimmte Module verteilt werden. Je nachdem welche der Zustände der Batteriemodule 40 beeinflusst werden sollen, ergibt sich eine Auswahlvorschrift, nach der die einzelnen Batteriemodule an der Stromführung beteiligt werden. Im Folgenden soll zunächst eine
Beeinflussung des Ladezustandes beschrieben werden. Die Auswahl der Batteriemodule 40 hängt von der Richtung des Stromflusses im
Batteriemodulstrang 50-1 , 50-2, 50-3 und vom Ladezustand SOC (State of
Charge) ab. Der Ladezustand SOC eines Moduls 50 kann entweder direkt aus seiner Spannung abgeleitet werden, oder es können bekannte Verfahren zur Bestimmung des SOC herangezogen werden. Die Stromrichtung ist der Regelung des Wechselrichters dabei bekannt. Ist die Stromrichtung so, dass für den Strom im Batteriemodulstrang lStr > 0 gilt (das heißt, wenn die Module 40 entladen werden), werden die Module 40 an der Stromführung beteiligt, die momentan den höchsten Ladezustand haben. Ist die Stromrichtung so, dass für den Strom im Batteriemodulstrang lStr < 0 gilt, werden die Module 40 an der Stromführung beteiligt, die den momentan kleinsten Ladezustand haben. Beispielsweise werden die Batteriemodule 40 sequentiell ausgewählt. Es wird dann zunächst das Batteriemodul 40 mit dem niedrigsten Ladezustand SOC ausgewählt, dann das Batteriemodul 40 mit dem zweitniedrigsten Ladezustand SOC usw. Es können aber auch Ladezustandsbereiche vorbestimmt und diesen Ladezustandsbereichen bestimmte Auswahlwahrscheinlichkeiten zugewiesen werden. Insbesondere kann einem hohen Ladezustandsbereich eine höhere Wahrscheinlichkeit zur Auswahl als einem niedrigen Ladezustandsbereich zugewiesen werden, und vice versa, je nach gewünschter Strom richtung. Dann werden die Batterien mit einem hohen Ladezustand häufiger an der
Stromführung beteiligt als die mit einem niedrigen Ladezustand, und eine
Reihenfolge der Batteriemodule nach dem Ladezustand muss nicht bestimmt werden. In jedem Fall wird durch diese Steuerung verhindert, dass sich der Ladezustand der verschiedenen Batteriemodule 40 stark unterscheidet. Auch kann die Temperatur der Batteriemodule 40 und somit der Gesamtbatterie beeinflusst werden. Die Temperatur der Batteriezellen wird aus
Sicherheitsgründen gemessen und ist daher bekannt. Die Stromrichtung ist für die Temperaturentwicklung nicht von Bedeutung. Bevorzugt werden die Module 40 am häufigsten an der Stromführung beteiligt, die die kleinste Temperatur haben. Es werden die Module am seltensten an der Stromführung beteiligt, die die höchste Temperatur haben.
Zur Beeinflussung der Alterung können, wenn aus bekannten Verfahren ein State-of- Health (SOH) für die Batteriemodule 40 bestimmt wird, in Abhängigkeit von diesem die Module 40 an der Stromführung beteiligt werden. Bevorzugt werden die Module 40 mit dem höchsten SOH am häufigsten an der
Stromführung beteiligt. Die Module 40 mit dem niedrigsten SOH werden am seltensten an der Stromführung beteiligt. Ist kein SOH für die Module 40 bekannt, so kann die Verteilung der Stromführungsdauern gleichmäßig über die Module erfolgen, so dass eine gleichmäßige Alterung erfolgt.
Auch die Lebensdauer der Batteriemodule kann durch das Verfahren beeinflusst werden. Dabei wird die Lebensdauer von Batteriezellen durch die Lade- und Entladezyklen bestimmt. Um möglichst wenige Zyklen für ein Modul zu bekommen, werden stets solche Schaltzustände ausgewählt, bei denen der gewünschte Zustand mit einer minimalen Anzahl an der Stromführung beteiligten Module erreicht wird.
Die Zustände der Batteriemodule können jeweils einzeln beeinflusst werden. Es können aber auch mehrere oder alle Zustände gleichzeitig beeinflusst werden. Dabei werden die Regeln für die jeweiligen Batteriekenngrößen gemeinsam ausgewertet. Ergeben sich aus den verschiedenen Regeln sich widersprechende Forderungen für die Auswahl der Module 40, so kann dies über eine Priorisierung der einzelnen Kenngrößen gelöst werden. Eine andere Möglichkeit der
Konfliktlösung ist, jedem Zustand einen gewissen Zeitraum zur Verfügung zu stellen, in dem die Module 40 nach der zugehörigen Regel ausgewählt werden und dann iterativ die einzelnen Kenngrößen zu beeinflussen.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Steuerverfahrens, welches zum Verständnis der Erfindung beschrieben wird, werden nun Batteriemodule 40-1 ,
40-4 der Figur 12 eingesetzt, die also drei Spannungswerte ausgeben können: +Um0d, 0 V und -Um0d- Somit kann die Ausgangsspannung an den Batteriemodulsträngen 50-1 , 50-2, 50-3 in Schritten der Modulspannung Um0d von Ustr, = -4xUm0d bis 4xUm0d eingestellt werden. Dabei kann eine Stufe der
Ausgangsspannung mit folgender Anzahl an verschiedenen Schaltzuständen realisiert werden:
Ustr, = "4 Umod 1 (alle Batteriemodule geben -Um0d aus)
Ustr, 3 Umod 4 (drei Module -Um0d, ein Modul 0 V)
Ustr, = -2 Umod 10
Ustr, Umod 16
Ustr, = 0 V 19
Ustr, — Umod 16
Ustr, = 2 Umod 10
Ustr, — 3 Umod 4 (drei Module +Um0d, ein Modul 0 V)
Ustr, = 4 Umod 1 (alle Batteriemodule geben +Um0d aus)
So ergeben sich zum Beispiel für die angeforderte
Batteriestrangausgangsspannung von 2xUmod fT)it den Einzelmodulspannungen von +Um0d (+), -Umod (-) und 0 V (0) zehn mögliche Kombinationen:
Figure imgf000016_0001
Somit stehen außer bei den Ausgangsspannungen -4 Um0d und 4 Um0d jeweils mehrere gleichwertige, redundante Schaltzustände zur Verfügung, um den Strom I, der aus dem Batteriemodulstrang 50-1 , 50-2, 50-3 hinaus oder in ihn hinein fließt, durch bestimmte Module 40-1 , 40-4 fließen zu lassen.
Die Potenzialdifferenz zwischen den Anschlüssen des Wechselrichters kann auch hier durch unterschiedliche Ausgangsspannungen an den
Batteriemodulsträngen 50-1 , 50-2, 50-3 erzielt werden. Wenn der Schaltzustand des gesamten Wechselrichters durch ein Zahlentripel beschrieben wird, wobei die erste Zahl den Schaltzustand des ersten Batteriemodulstranges 50-1 , die zweite Zahl den des zweiten Batteriemodulstranges 50-2 und die dritte Zahl den des dritten Batteriemodulstranges 50-3 beschreibt und die Zahlen angeben, das Wievielfache der Modulspannung Um0d an den Klemmen des jeweiligen
Batteriemodulstranges 50-1 , 50-2, 50-3 anliegt, dann sind folgende Zustände in der Potenzialdifferenz identisch: 344 und 233 und 122 und 01 1 sowie -100 und -2-1-1 und -3-2-2 und -4-3-3. Über die Auswahl eines der gleichwertigen Schaltzustände des Wechselrichters kann wiederum der Stromfluss in diesem Zweig auf bestimmte Module verteilt werden.
Für die Beeinflussung der Zustände der Batterie gelten dieselben Regeln wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Lediglich für die Beeinflussung des Ladezustandes wird die Regel abgeändert.
Die Auswahl der Module 40 hängt von der Richtung des Stromflusses im Batteriemodulstrang 50-1 , 50-2, 50-3 ab, vom Ladezustand SOC und der Modulausgangsspannung -Um0d und +Um0d ab. Die Stromrichtung und die geforderte Modulausgangsspannung sind der Regelung des Wechselrichters bekannt. Gilt nun:
Istr > 0 und Ustr, > 0, werden die Module 40 an der Stromführung beteiligt, die momentan den höchsten Ladezustand haben, also mit abfallendem
Ladezustand;
Istr, < 0 und Ustr, > 0, werden die Module 40 an der Stromführung beteiligt, die momentan den kleinsten Ladezustand haben, also mit ansteigendem
Ladezustand;
Istr < 0 und Ustr < 0, werden die Module 40 an der Stromführung beteiligt, die momentan den höchsten Ladezustand haben, also mit abfallendem
Ladezustand;
Istr > 0 und Ustr < 0, werden die Module 40 an der Stromführung beteiligt, die momentan den kleinsten Ladezustand haben, also mit ansteigendem
Ladezustand. Es wird dabei lediglich bevorzugt und nicht beschränkend mit dem jeweils
kleinsten oder größten Ladezustand begonnen. Wie im ersten
Ausführungsbeispiel angeführt, können auch Ladezustandsbereiche definiert werden und diesen Bereichen eine gewisse Auswahlwahrscheinlichkeit
zugewiesen werden. Dann muss nicht jedes Mal die Reihenfolge der
Batteriemodule 40 nach Ladezustand bestimmt werden.
Alle anderen Batteriekenngrößen können wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgewählt werden. Zusammenfassend werden in den beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen des Steuerverfahrens, welche zum Verständnis der Erfindung beschrieben wurden, Batteriemodule 40, welche zur Bereitstellung einer bestimmten Ausgangsspannung in einem der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 benötigt werden, auf Grund verschiedener Kriterien ausgewählt. Typischerweise muss dabei das Steuergerät 60, welches die gewünschte Ausgangsspannung bestimmt, auch die Zustände der
Batteriemodule 40 bestimmen und eine geeignete Auswahl unter den Batteriemodulen 40 treffen. Hierfür ist zum einen zusätzliche Rechenleistung im Steuergerät 60 notwendig. Zum anderen ist die Übertragung sehr vieler Daten von den
Batteriemodulen 40 zum Steuergerät 60 notwendig, auf deren Grundlage das
Steuergerät 60 den jeweiligen momentanen Zustand jedes Batteriemoduls 40 bestimmen kann. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass unter den Batteriemodulen 40 eine Rangfolge bestimmt wird, mit welcher diese an einer
Bereitstellung einer gewünschten Ausgangsspannung eines der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 zu beteiligen sind, indem die Batteriemodule 40 untereinander gemäß den oben beschriebenen Kriterien ihre jeweiligen Betriebszustände vergleichen und auf Grundlage dieses Vergleichs die Rangfolge bestimmen. Somit bestimmen die
Batteriemodule 40 untereinander, welches der Batteriemodule 40 sich an der
Ausgangsspannungsbildung beteiligen soll. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die bereitzustellende Ausgangsspannung durch ein Steuergerät 60 bestimmt.
Daraufhin sendet das Steuergerät 60 eine Nachricht an alle Batteriemodule 40. Die Nachricht kann entweder die gewünschte Ausgangsspannung beinhalten oder eine
Anzahl von Batteriemodulen M, welche einen vorbestimmten Schaltzustand
einzunehmen haben. Auf Grundlage eines Vergleichs zwischen der von dem
Steuergerät 60 gesendeten Nachricht und der bestimmten Rangfolge wird daraufhin ein einzunehmender Schaltzustand in jedem der Batteriemodule festgelegt, welche schließlich durch jedes der Batteriemodule 40 eingenommen wird, um die geforderte
Ausgangsspannung bereitzustellen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht nicht mehr die Notwendigkeit, alle Daten, die zur Bestimmung des Betriebszustandes eines der Batteriemodule 40 notwendig sind, an das Steuergerät 60 zu übertragen, und das Steuergerät 60 braucht keine Rechenleistung mehr für die Bestimmung der Modulzustände aufzuwenden. Es erfolgt somit eine Umverteilung der Informationsverarbeitungsleistung von dem
Steuergerät 60 auf die einzelnen Module 40. Jedes der Batteriemodule 40 bestimmt selbstständig den Zustand, in welchem es sich gerade befindet und handelt mit anderen Batteriemodulen 40 in einem der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 aus, auf welchem Platz der Rangfolge es sich bezüglich seines Betriebszustandes befindet.
Genauer wird im Zuge der Bestimmung der Rangfolge der Batteriemodule 40 innerhalb eines der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2. 50-3 jedem der Batteriemodule 40-1 , 40-n eine Zahl z1 zugeordnet, welche von 1 bis n läuft. Dasjenige der Batteriemodule
40, welches am bevorzugtesten an der Bereitstellung der Ausgangsspannung beteiligt werden soll, erhält die Zahl z1 =1 , während das Batteriemodul, welches am wenigsten bevorzugt beteiligt werden soll, die Zahl z1 =n erhält. Diese Zuordnung wird für den Normalfall verwendet, in welchem die Batteriemodule 40 entladen werden. Bei der Bestimmung der Rangfolge beziehungsweise der durch die Zahl z1 definierten
Reihenfolge werden die oben ausgeführten Kriterien angewendet. Gleichzeitig wird jedem der Batteriemodule 40-1 , 40-n eine zweite Zahl zugeordnet, welche durch den Ausdruck z2 = (2*n) +1 - z1 definiert wird. Diese Zuordnung wird für den Fall verwendet, in welchem die Batteriemodule 40 geladen werden.
Die Kommunikation zwischen dem Steuergerät 60 und allen Batteriemodulen 40 einerseits sowie zwischen den Batteriemodulen 40-1 , 40-n innerhalb eines der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 andererseits erfolgt, wie in Figur 10 dargestellt, über einen Datenbus 61 , bei welchem es sich beispielsweise um einen Controller Area Network (CAN)-Bus oder einen FlexRay-Bus oder einen anderen geeigneten Bus handeln kann. Das Steuergerät 60 kann hierbei selbst Bestandteil der Batterie 10 sein, oder außerhalb der Batterie 10 angeordnet sein.
Das Steuergerät 60 bestimmt die bereitzustellende Ausgangsspannung in einem der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 auf Grundlage der angeschlossenen Last, wie beispielsweise einem Drehstrommotor, sowie der aktuellen Stromrichtung.
Für den Fall, dass die Stromrichtung in einem der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 derart ist, dass die Batteriemodule 40 entladen werden, ist die vom Steuergerät 60 ermittelte Zahl M eine natürliche Zahl zwischen 1 und n. Für den Fall, dass die Batteriemodule aufgeladen werden, ergibt sich die Relation M= n + Anzahl der einzuschaltenden Module. M ist in diesem Fall eine natürliche Zahl zwischen n+1 und 2n.
Das Steuergerät 60 sendet daraufhin eine Nachricht an alle Batteriemodule 40-1 , 40-n in einem der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 über den Datenbus 61 , wobei die gesendete Nachricht die vom Steuergerät 60 ermittelte Zahl M enthält.
Figur 13 zeigt die Auswahl der in den Batteriemodulen 40-1 , ... , 40-n eingenommenen Schaltzustände in einem Flussdiagramm. Hierbei wird eine Auswahl zwischen einem ersten Schaltzustand (Um0d) und einem zweiten Schaltzustand (0 V) getroffen (z. B. in den in den Figuren 6 bis 8 dargestellten Batteriemodulen).
Das Auswahlverfahren startet im Verfahrensschritt S10. Im Verfahrensschritt S1 1 wird die die Zahl M beinhaltende Nachricht in einem betreffenden Batteriemodul 40 empfangen. Im Verfahrensschritt S12 prüft das betreffende Batteriemodul, ob M größer als n ist. Ist dies nicht der Fall (dies entspricht dem Fall, in welchem die Batteriemodule 40 entladen werden), wird im Verfahrensschritt S13 geprüft, ob die dem jeweiligen Batteriemodul zugeordnete Zahl z1 kleiner oder gleich der Zahl M ist. Ist Letzteres der Fall, so nimmt das betreffende Batteriemodul 40 im Verfahrensschritt S14 den ersten Schaltzustand ein und liefert somit Um0d- Anderenfalls nimmt es im Verfahrensschritt S15 den zweiten Schaltzustand ein und liefert somit 0 V.
Wenn die Zahl M dagegen größer als die Zahl n ist, so wird im Verfahrensschritt S16 geprüft, ob die Zahl z2 kleiner oder gleich der Zahl M ist. Ist dies der Fall, so nimmt das betreffende Batteriemodul im Verfahrensschritt S17 den ersten Schaltzustand ein. Anderenfalls nimmt es im Verfahrensschritt S18 den zweiten Schaltzustand ein.
Im Verfahrensschritt S19 endet das Verfahren zur Auswahl des Schaltzustandes in den Batteriemodulen 40-1 , 40-n.
Die beschriebene Auswahl kann einfach auf den Fall erweitert werden, in welchem die Batteriemodule 40 zwischen drei Schaltzuständen schaltbar sind, also beispielsweise in der in Figur 12 dargestellten Konfiguration. Eine Auswahl zwischen dem ersten Schaltzustand (Um0d) und dem zweiten Schaltzustand (0 V) wird genau wie in Figur 13 dargestellt getroffen.
Dagegen wird die Bereitstellung einer negativen Ausgangsspannung in einem der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 durch Ausgabe einer negativen Zahl M durch das Steuergerät 60 veranlasst. Vollkommen analog zu dem in Figur 13 dargestellten Algorithmus wird hierbei von jedem der angesprochenen Batteriemodule 40-1 , 40-n eine Auswahl zwischen dem zweiten Schaltzustand (0 V) und einem dritten
Schaltzustand (-Um0d) getroffen, indem die negative Zahl M mit den Zahlen -n, -z1 und -z2 verglichen wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Steuerung einer Batterie (10) umfassend mindestens einen Batteriemodulstrang (50-1 , 50-2, 50-3) mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40-1 , 40-n), wobei jedes Batteriemodul
(40-1 , 40-n) wenigstens eine Batteriezelle (41), wenigstens eine
Koppeleinheit (30, 70), einen ersten Anschluss (42) und einen zweiten Anschluss (43) umfasst und dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) einen von mindestens zwei
Schaltzuständen einzunehmen, wobei verschiedene Schaltzustände unterschiedlichen Spannungswerten zwischen dem ersten Anschluss (42) und dem zweiten Anschluss (43) des Batteriemoduls (40-1 , 40-n) entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
i. Bestimmung einer Rangfolge unter den Batteriemodulen (40-1 , 40-n), mit welcher diese an einer Bereitstellung einer gewünschten
Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs (50-1 , 50-2, 50-3) zu beteiligen sind, wobei die Batteriemodule (40-1 , 40-n) untereinander ihre jeweiligen Betriebszustände vergleichen und auf Grundlage des Vergleichs die Rangfolge bestimmen;
ii. Bestimmung einer bereitzustellenden Ausgangsspannung des
Batteriemodulstrangs (50-1 , 50-2, 50-3) durch ein Steuergerät (60); iii. Senden einer Nachricht von dem Steuergerät (60) an mindestens eines der Batteriemodule (40-1 , 40-n);
iv. Festlegung eines einzunehmenden Schaltzustandes in jedem der
Batteriemodule (40-1 , 40-n) auf Grundlage eines Vergleichs zwischen der von dem Steuergerät gesendeten Nachricht und der bestimmten Rangfolge; und
v. Einnehmen des festgelegten Schaltzustands durch jedes der
Batteriemodule (40-1 , 40-n). Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Batteriemodule (40-1 , 40-n) untereinander ihre jeweiligen Betriebszustände hinsichtlich mindestens einer der folgenden Batteriekenngrößen vergleichen:
des Ladezustandes,
der Temperatur,
der Alterung,
der Lebensdauer.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nachricht von dem
Steuergerät (60) an jedes der Batteriemodule (40-1 , 40-n) gesendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die von dem Steuergerät (60) gesendete Nachricht die bereitzustellende
Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs (50-1 , 50-2, 50-3) beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die von dem Steuergerät (60) gesendete Nachricht eine Anzahl von Batteriemodulen (40-1 , 40-n) beinhaltet, welche einen vorbestimmten Schaltzustand einnehmen sollen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes der Batteriemodule (40-1 , 40-n) seinen jeweiligen Betriebszustand
selbstständig bestimmt, insbesondere unter Verwendung eines dem
Batteriemodul zugeordneten oder von ihm umfassten Mikrocontrollers.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Batteriemodule (40-1 , 40-n) untereinander ihre jeweiligen
Betriebszustände mittels einer Kommunikation über einen Datenbus (61) vergleichen, an den die Batteriemodule (40-1 , 40-n) angeschlossen sind.
Batterie (10) umfassend mindestens einen Batteriemodulstrang (50-1 , 50-2, 50-3) mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40-1 ,
40-n), wobei jedes Batteriemodul (40-1 , 40-n) wenigstens eine Batteriezelle (41), wenigstens eine Koppeleinheit (30, 70), einen ersten Anschluss (42) und einen zweiten Anschluss (43) umfasst und dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen, wobei verschiedene Schaltzustände unterschiedlichen Spannungswerten zwischen dem ersten Anschluss (42) und dem zweiten Anschluss (43) des
Batteriemoduls (40-1 , 40-n) entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (40-1 , 40-n) dazu ausgebildet sind, untereinander ihre jeweiligen Betriebszustände zu vergleichen und auf Grundlage des
Vergleichs eine Rangfolge zu bestimmen, mit welcher die Batteriemodule (40-1 , 40-n) an einer Bereitstellung einer gewünschten
Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs (50-1 , 50-2, 50-3) zu beteiligen sind, so dass ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgeführt werden kann.
Batterie (10) nach Anspruch 8, wobei mindestens ein Batteriemodul (40-1 ,
40-n) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) wahlweise den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) des Batteriemoduls (40-1 , 40-n) zu verbinden oder die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) zu schalten. 10. Batterie (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei mindestens ein Batteriemodul
(40-1 , 40-n) dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) zu schalten, wobei eine Polarität der zwischen dem ersten Anschluss (42) und dem zweiten Anschluss (43) anliegenden Spannung in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (70) wählbar ist.
1 1. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Batterie (10) einen Datenbus (61) umfasst, an den die Batteriemodule (40-1 , 40-n) angeschlossen sind, und wobei die Batteriemodule (40-1 , 40-n) dazu ausgebildet sind, untereinander ihre jeweiligen Betriebszustände mittels einer Kommunikation über den Datenbus (61) zu vergleichen.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Batterie nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1.
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