WO2013113585A2 - Verfahren zum ladungsausgleich von batterieelementen, batteriesystem und kraftfahrzeug mit einem solchen batteriesystem - Google Patents

Verfahren zum ladungsausgleich von batterieelementen, batteriesystem und kraftfahrzeug mit einem solchen batteriesystem Download PDF

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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for charge balance of battery elements, a battery system and motor vehicle with such a battery system, which are particularly applicable to configure battery systems in which a predetermined ratio of technical
  • Performance which is realized by an active charge balance between the cells of the battery system, and resulting costs, which are reduced by the use of methods for passive charge compensation, is met.
  • Electric vehicles are increasingly new battery systems will be used, are placed on the very high reliability requirements.
  • the background to these high requirements is that a failure of the battery can lead to a failure of the entire system (eg a failure of the traction battery in an electric vehicle) or even to one
  • FIG. 1 shows a block diagram of a battery system according to the prior art.
  • a charging and disconnecting device 14 Between the positive terminal 10 and the negative terminal 12 of the battery system, a charging and disconnecting device 14, a plurality of battery cells Zi, Z n and optionally another separator 16 are connected in series.
  • the Charging and separating device 14 includes a circuit breaker 18, a
  • the optional separator 16 includes a circuit breaker 24.
  • a plurality of battery cells Zi, Z n are connected in series; It is also known to connect battery cells or series-connected groups of battery cells in parallel.
  • a problem with the use of many individual series-connected battery cells is that the battery cells are not perfectly equal, which can lead to unequal cell voltages, especially over extended periods of the life of the battery. Especially at
  • Lithium-ion batteries that cause overcharging or over-discharging of individual cells to irreversible damage to the battery must be done on a regular basis
  • Periods are carried out a charge equalization (so-called cell balancing).
  • cell balancing the individual cells by external
  • passive cell balancing can be done by means of a configuration comprising an operational amplifier.
  • active cell balancing for example, an inductance can be arranged at the center tap between the cells to be balanced.
  • the principle of the passive method is that higher-charged cells are discharged to the level of the lower-charged cells, that is, energy is converted into heat. This has the disadvantage that energy contained in the cells is not used and also in the cell balancing heat is generated, which must be dissipated via cooling measures.
  • a particular advantage of the invention is that a compromise between technical performance and cost is found by performing hybrid cell balancing, that is, by combining passive and active charge balancing. According to the invention, this is achieved by using a charge balance between at least four
  • Battery elements which are connected in series, these battery elements are divided into at least two groups Mi, M 2 , each group comprises at least two battery elements. For each of the groups it is provided that for at least part of the battery elements in the group a passive charge equalization takes place. In contrast, the charge is actively balanced between the groups.
  • Another preferred embodiment provides that for at least part of the groups the passive charge compensation within a group is performed by a unit for cell voltage detection, preferably an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) for cell voltage detection.
  • the active charge compensation is controlled by a central control unit, that is not carried out autonomously.
  • a further preferred embodiment provides that the passive and / or active charge compensation takes place autonomously. It proves to be advantageous in particular, if the passive charge balance between the
  • a further aspect of the invention relates to a battery system having at least four battery elements connected in series, at least one module for active charge balancing between groups of battery elements and at least two modules for passive charge balancing between battery elements.
  • the battery system according to the invention is configured such that a method for charge equalization can be performed, wherein at least a part of the four
  • Battery elements is grouped into at least two groups of at least two battery elements, between the battery elements of a group a passive charge equalization and between at least part of the groups an active charge compensation is performed.
  • a charge compensation module for the passive compensation of the charges of the two adjacent battery elements Z ,, Z i + 1 is provided.
  • the two adjacent battery elements Z, Z i + 1 are connected to each other in such a way that the positive pole of a first of the adjacent
  • Battery elements Z with the negative pole of the second of the adjacent battery elements Z i + 1 is conductively connected.
  • a charge balancing module comprises a voltage divider R c1 , R c2 , at least one comparison means and at least one discharge means.
  • the voltage divider is designed so, starting from the electric potential of the negative pole of the first of the adjacent battery elements Z, and the electric potential of the positive pole of the second of the adjacent battery elements Z i + 1, a first electrical potential to generate, which corresponds to the target value of the electric potential at the positive pole of the first of the adjacent battery elements Z, and the negative pole of the second of the adjacent battery elements Z i + 1 .
  • the at least one comparison means compares the first electrical potential with a second electrical potential which is applied to the positive pole of the first of the adjacent battery elements Z, and the negative pole of the second of the adjacent battery elements Z i + 1 .
  • the at least one discharge means is arranged to discharge the first of the adjacent battery elements Z, when the second electric potential in the positive direction of the first
  • Battery elements Z i + 1 to discharge when the second electrical potential in the negative direction deviates from the first electrical potential.
  • a particular advantage of this circuit arrangement according to the invention is that the charge of any number of battery elements Z connected in series can be compensated for autonomously, passively.
  • the discharge means and the comparison means are preferably formed by a negative feedback operational amplifier. This will be the
  • the voltage divider preferably comprises a first resistor and a second resistor, wherein the electrical resistance of the first resistor and the electrical resistance of the second resistor are in the same ratio as the desired voltage of the first battery element and the target voltage of the second battery element.
  • a first terminal of the first resistor is conductively connected to the negative pole of the first battery element
  • a second terminal of the first resistor is conductively connected to a first terminal of the second resistor
  • a second terminal of the second resistor is conductively connected to the positive pole of the second battery element.
  • the second terminal of the first resistor and the first terminal of the second resistor are connected to the non-inverting input of the first resistor Operational amplifier conductively connected, the second terminal of the second resistor and the positive pole of the second battery element conductively connected to the positive supply voltage input of the operational amplifier, the first terminal of the first resistor and the negative pole of the first battery element with the negative supply voltage input of
  • Battery element and the negative pole of the second battery element conductively connected to the inverting input and the output of the operational amplifier.
  • the desired voltage of the first battery element and the desired voltage of the second battery element may be the same. As a result, a particularly simple battery system with several identical components can be provided.
  • the invention provides a battery system having a plurality of battery elements connected in series, each pair of battery elements conductively connected to each other being balanced as described above. This ensures that all battery elements are balanced with a particularly simple and regular arrangement of components.
  • Charge compensation comprises at least one inductance, at least two transistors and at least one logical switching unit.
  • a first terminal of the inductance is connected to the inner poles of the adjacent groups Mi, M 2 .
  • the other terminal of the inductance is connected to the collector of the first and the collector of the second transistor.
  • the emitters of the transistors are connected to the outer poles of the adjacent groups Mi, M 2 .
  • the poles of the adjacent groups Mi, M 2 which are connected to each other, referred to as inner poles, the other two poles of the adjacent groups Mi, M 2 , are accordingly referred to as outer poles.
  • the base of the first transistor is connected to a first output of the logic switching unit and the base of the second transistor is connected to a second output of the logic switching unit.
  • a first entrance of the Logical switching unit is preferably connected to a signal generator, wherein the signal generator provides a logic signal for switching the transistors.
  • n-channel transistor acts.
  • the signal generator comprises at least one comparator which compares (compares) the charge state of the adjacent groups Mi, M 2 . It proves to be advantageous if the comparator is designed as a window comparator.
  • Configuration of the window comparator can be advantageously achieved that a charge balance only takes place when the voltage difference between the groups whose charge is to be balanced, reaches or exceeds a certain predetermined value.
  • At least a part of the battery elements comprises at least one electro-chemical cell.
  • the battery system is one
  • Lithium-ion battery or the battery system includes electrochemical cells, which are formed as lithium-ion battery cells.
  • a further aspect of the invention relates to a motor vehicle having an electric drive motor for driving the motor vehicle and a battery system connected or connectable to the electric drive motor, the battery system having at least four battery elements connected in series, at least one module for active charge compensation between
  • Battery elements and at least two modules for passive charge balance between battery elements and wherein the battery system is configured such that a method for charge equalization is feasible, wherein at least a part of the four battery elements is grouped into at least two groups of at least two battery elements, between the Battery elements of a group, a passive charge equalization and between at least part of the groups an active charge equalization is performed.
  • FIG. 1 shows a basic circuit diagram of a battery system with a multiplicity of battery cells according to the prior art
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the invention with two units for passive charge equalization and one unit for active charge compensation
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a passive charge compensation for individual battery cells and a module-wise active charge compensation
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment for one of
  • FIG. 2 shows an exemplary battery system 200 with four battery cells Zi, 2.2, Z 3 , Z 4 , wherein the battery system 200 is suitable for one
  • the four battery cells Zi, Z 2 , Z 3 , Z 4 are divided into two groups (hereinafter referred to as modules), a first module comprising the battery cells Zi and Z 2 and a second module comprising the battery cells Z 3 and Z 4 .
  • modules a first module comprising the battery cells Zi and Z 2
  • a second module comprising the battery cells Z 3 and Z 4 .
  • the two battery cells Zi, Z 2 and Z 3 , Z 4 is in each case a unit for a passive
  • Battery cell Z- ⁇ and Z 2 described in more detail.
  • the positive pole of the battery cell Z-1 is connected to the negative pole of the battery cell Z 2 .
  • Two series connected resistors R c i and R C 2 are parallel to the battery cells
  • a first terminal of the resistor R c i is connected to the negative pole of the battery cell Zi; a second terminal of the resistor R c i is connected to a first terminal of the resistor R C 2, and a second terminal of the resistor R C 2 is connected to the positive terminal of the battery cell Z 2 .
  • the resistance values of the resistors R c i and R C 2 are in the same proportion to each other as the target voltages of the battery cells Zi and Z 2 . In particular, the resistors R c i and R C 2 have the same
  • the passive charge balancing unit further comprises a
  • Operational amplifier 206 The non-inverting input of the
  • Operational amplifier 206 is connected to the internal node 202 of the voltage divider.
  • the inverting input of the operational amplifier 206 is connected to the node 204 between the battery cells Zi and Z 2 .
  • the positive supply voltage input of the operational amplifier 206 is connected to the positive pole of the battery cell Z 2 .
  • Supply voltage input of the operational amplifier 206 is connected to the negative pole of the battery cell 7. ⁇ .
  • the operational amplifier 206 is negative feedback, that is, the output is connected to the inverting input. If, for example, the battery cell Zi is discharged deeper than the battery cell Z 2 , then the potential at the inverting input of the operational amplifier 206 is lower than the potential at the non-inverting input of the
  • Operational amplifier 206 The operational amplifier 206 tries
  • the battery cell Z 2 is thus discharged, which corresponds to the desired behavior. Accordingly, in the case that the battery cell Z 2 is discharged deeper than the battery cell Zi, the battery cell is discharged via the negative supply voltage input of the operational amplifier 206.
  • the discharging process continues until the ratio between the voltage across the battery cell. ⁇ And the voltage across the battery cell Z 2 has reached its desired value.
  • the discharging process continues until the voltage across the battery cell Zi equals the voltage across the battery cell Z 2 . Thereafter, only the rest supply current of the operational amplifier 206 and the cross-flow through the resistors R c i and R c2 flow from the cells. Both currents can be kept very small by suitable dimensioning and selection of the circuit components.
  • a second unit for passive charge equalization is connected to the battery cells Z 3 and Z 4 .
  • the principle illustrated in FIG. 2 can be applied directly to battery systems with more than four battery cells by balancing two adjacent battery cells in the manner illustrated.
  • the exemplary battery system 200 further includes an active charge balance unit. According to this exemplary unit for active
  • Charge balance is connected to the center tap 208 of the two modules an inductance 210, which by a p-channel 212 or a
  • N-channel transistor 214 is traversed by a current depending on the desired current direction.
  • the current initially continues to flow through the inductance 210 and charges the desired module Zi, Z 2 or Z 3 , Z 4 via the body diode of the respective other transistor 214, 212.
  • the selection of which transistor 212, 214 is used to turn on the current is via a logic signal provided by a logic circuit 216.
  • An exemplary logic circuit 216 includes at least one comparator, and preferably driver logic.
  • Another exemplary battery system 300 is shown in FIG. This exemplary battery system 300 comprises a multiplicity of battery cells, the battery cells being divided into four modules Mi, M 2 , M 3 , M 4 each of n battery cells.
  • each of the modules Mi, M 2 , M 3 , M 4 is in each case a separate unit PB-i, PB 2 , PB 3 and PB 4 for passive charge equalization contained in each module Mi, M 2 , M 3 , M 4 Battery cells provided.
  • Each two of the modules Mi, M 2 ; M 2 , M 3 and M 3 , M 4 are balanced by a separate unit AB-i, AB 2 and AB 3 for active charge compensation.
  • a separate unit AB-i, AB 2 and AB 3 for active charge compensation.
  • all adjacent modules M ,, M i + 1 are connected to a unit AB, for active charge equalization. It is thus preferably a passive charge balance for the individual battery cells in the modules M, and an active charge balance between each adjacent modules M ,, M i + 1 .
  • the charge balancing methods described above are autonomous methods of passive and active charge balancing.
  • FIG. 4 a circuit arrangement 400 is shown, in which the passive charge compensation within the modules M ,, M i + 1 of a
  • Cell voltage detection unit 402 a so-called CSC (Cell Supervising Circuit), is controlled, wherein the cell voltage detection units 402 communicate with a central control unit 404.
  • the unit AB, for active charge balancing is shown only schematically, wherein the transistors shown in Figure 2 were represented schematically by switches 406, 408 (and the drive logic for the active cell balancing has been omitted).
  • Control unit 404 are controlled.
  • the invention is not limited in its embodiment to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants are conceivable that of the inventive method, the
  • Battery system according to the invention and the motor vehicle according to the invention also makes use in fundamentally different versions.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ladungsausgleich von Batterieelementen, ein Batteriesystem und Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem, welche insbesondere einsetzbar sind, um Batteriesysteme zu konfigurieren, bei denen ein vorgegebenes Verhältnis von technischer Performance, die durch einen aktiven Ladungsausgleich zwischen den Zellen des Batteriesystems realisiert wird, und entstehenden Kosten, die durch Einsatz von Verfahren zum passiven Ladungsausgleich reduziert werden, eingehalten wird. Hierfür wird Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen mindestens vier in Reihe geschalteten Batterieelementen (Z1, Z2, Z3, Z4) vorgeschlagen. Demgemäß wird zumindest ein Teil der mindestens vier Batterieelemente (Z1, Z2, Z3, Z4) in mindestens zwei Gruppen (M1, M2) von jeweils mindestens zwei Batterieelementen (Z1, Z2), (Z3, Z4) gruppiert. Zwischen den Batterieelementen innerhalb einer Gruppe wird ein passiver Ladungsausgleich und zwischen zumindest einem Teil der Gruppen (M1, M2) wird ein aktiver Ladungsausgleich durchgeführt.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Ladungsausgleich von Batterieelementen, Batteriesystem und Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesvstem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ladungsausgleich von Batterieelementen, ein Batteriesystem und Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem, welche insbesondere einsetzbar sind, um Batteriesysteme zu konfigurieren, bei denen ein vorgegebenes Verhältnis von technischer
Performance, die durch einen aktiven Ladungsausgleich zwischen den Zellen des Batteriesystems realisiert wird, und entstehenden Kosten, die durch Einsatz von Verfahren zum passiven Ladungsausgleich reduziert werden, eingehalten wird.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und
Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann (z. B. ein Ausfall der Traktionsbatterie bei einem Elektrofahrzeug) oder sogar zu einem
sicherheitsrelevanten Problem führen kann (bei Windkraftanlagen werden z. B. Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine
Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen).
Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik. Zwischen dem Pluspol 10 und dem Minuspol 12 des Batteriesystems sind eine Lade- und Trenneinrichtung 14, eine Vielzahl von Batteriezellen Z-i, Zn sowie optional eine weitere Trenneinrichtung 16 in Reihe geschaltet. Die Lade- und Trenneinrichtung 14 umfasst einen Trennschalter 18, einen
Ladeschalter 20 sowie einen Ladewiderstand 22. Die optionale Trenneinrichtung 16 umfasst einen Trennschalter 24. Um die Anforderungen an die Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erfüllen, werden eine Vielzahl von Batteriezellen Z-i, Zn in Reihe geschaltet werden; es ist auch bekannt, Batteriezellen oder in Reihe geschaltete Gruppen von Batteriezellen parallel zu schalten.
Ein Problem beim Einsatz vieler einzelner in Reihe geschalteter Batteriezellen besteht darin, dass die Batteriezellen nicht perfekt gleich sind, was zu ungleichen Zellspannungen führen kann, insbesondere über längere Zeitspannen von der Größenordnung der Lebensdauer der Batterie. Da insbesondere bei
Lithium-Ionen-Batterien das Überladen oder das Tiefentladen einzelner Zellen zu einer irreversiblen Schädigung der Batterie führt, muss in regelmäßigen
Zeitabständen ein Ladungsausgleich (sogenanntes Zell-Balancing) durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Zellen durch externe
Beschaltungsmaßnahmen so ge- oder entladen, dass sie wieder gleiche
Zellspannung besitzen.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen der
Ladungsausgleich von Zellen einer Batterie jeweils paarweise passiv oder aktiv erfolgt. Beispielsweise kann ein solches passives Zell-Balancing mit Hilfe einer Konfiguration erfolgen, die einen Operationsverstärker umfasst. Für ein aktives Zell-Balancing kann beispielsweise eine Induktivität am Mittelabgriff zwischen den zu balancierenden Zellen angeordnet sein.
Das Prinzip des passiven Verfahrens ist dabei, dass höher geladene Zellen auf das Niveau der niedriger geladenen Zellen entladen werden, also Energie in Wärme umgewandelt wird. Dies hat den Nachteil, dass in den Zellen enthaltene Energie nicht genutzt wird und zudem beim Zell-Balancing Wärme entsteht, die über Kühlmaßnahmen abgeführt werden muss.
Das aktive Zell-Balancing, bei dem Ladung von Zelle zu Zelle transferiert wird, vermeidet diese Nachteile, ist jedoch kostenintensiv. Aus der DE 10 2008 043 593 A1 ist ein Verfahren zum Angleichen elektrischer Spannungen von Gruppen von elektrischen Speichereinheiten bekannt, bei dem Ladungen zwischen den Gruppen von elektrischen Speichereinheiten mit Hilfe von Spulen transferiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Kompromiss zwischen technischer Performance und Kosten gefunden wird, indem ein hybrides Zell-Balancing durchgeführt wird, das heißt, indem passiver und aktiver Ladungsausgleich miteinander kombiniert werden. Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem bei einem Ladungsausgleich zwischen mindestens vier
Batterieelementen, welche in Reihe geschaltet sind, diese Batterieelemente in mindestens zwei Gruppen M-i , M2 aufgeteilt werden, wobei jede Gruppe mindestens zwei Batterieelemente umfasst. Für jede der Gruppen ist dabei vorgesehen, dass für zumindest einen Teil der Batterieelemente in der Gruppe ein passiver Ladungsausgleich erfolgt. Zwischen den Gruppen wird die Ladung demgegenüber aktiv ausgeglichen. Durch die Vorgabe der Anzahl von
Batterieelementen, die jeweils zu einer Gruppe zusammengefasst werden, (und Vorgabe der Anzahl von Gruppen) kann somit die gewünschte Gewichtung zwischen Performance und Kosten erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der aktive
Ladungsausgleich jeweils zwischen zwei Gruppen, vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Gruppen, erfolgt.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass für zumindest einen Teil der Gruppen der passive Ladungsausgleich innerhalb einer Gruppe durch eine Einheit zur Zellspannungserfassung, vorzugsweise einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) zur Zellspannungserfassung, durchgeführt wird. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass auch der aktive Ladungsausgleich von einer zentralen Steuereinheit gesteuert wird, also nicht autonom durchgeführt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der passive und/oder aktive Ladungsausgleich autonom erfolgt. Als vorteilhaft erweist es sich insbesondere, wenn der passive Ladungsausgleich zwischen den
Batterieelementen durch eine Einheit zur Zellspannungserfassung, der aktive Ladungsausgleich zwischen den Gruppen jedoch autonom erfolgt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit mindestens vier in Reihe geschalteten Batterieelementen, mindestens einem Modul zum aktiven Ladungsausgleich zwischen Gruppen von Batterieelementen und mindestens zwei Modulen zum passiven Ladungsausgleich zwischen Batterieelementen. Das Batteriesystem ist erfindungsgemäß derart konfiguriert, dass ein Verfahren zum Ladungsausgleich ausführbar ist, wobei zumindest ein Teil der vier
Batterieelemente in mindestens zwei Gruppen von jeweils mindestens zwei Batterieelementen gruppiert wird, zwischen den Batterieelementen einer Gruppe ein passiver Ladungsausgleich und zwischen zumindest einem Teil der Gruppen ein aktiver Ladungsausgleich durchgeführt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht dabei für den passiven
Ladungsausgleich vor, dass für jeweils zwei benachbarte Batterieelemente Z, Zi+1 (i = 1 , 2, n-1 ) ein Ladungsausgleichsmodul zum passiven Ausgleich der Ladungen der beiden benachbarten Batterieelemente Z,, Zi+1 vorgesehen ist. Die beiden benachbarten Batterieelemente Z, Zi+1 sind dabei derart miteinander verbunden, dass der positive Pol eines ersten der benachbarten
Batterieelemente Z, mit dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1 leitend verbunden ist. Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch ausgezeichnet, dass für alle Paare von benachbarten Batterieelementen Zi, Zi+1 (i = 1 , 2, n-1 ) ein Ladungsausgleichsmodul vorgesehen ist. Mit anderen Worten: gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird die Ladung jedes Batterieelements Z (i = 2, 3, n-1 ) durch zwei Ladungsausgleichsmodule ausgeglichen. Lediglich für das erste Z-ι und letzte Batterieelement Zn ist nur ein Ladungsausgleichsmodul vorgesehen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Ladungsausgleichsmodul einen Spannungsteiler Rc1, Rc2, mindestens ein Vergleichsmittel und mindestens ein Entlademittel. Der Spannungsteiler ist dabei so ausgelegt, ausgehend von dem elektrischen Potenzial des negativen Pols des ersten der benachbarten Batterieelemente Z, und dem elektrischen Potenzial des positiven Pols des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1 ein erstes elektrisches Potenzial zu erzeugen, das dem Soll-Wert des elektrischen Potenzials an dem positiven Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente Z, und dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1 entspricht. Das mindestens eine Vergleichsmittel vergleicht das erste elektrische Potenzial mit einem zweiten elektrischen Potenzial, das an dem positiven Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente Z, und dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente Zi+1 anliegt. Das mindestens eine Entlademittel ist dazu ausgelegt, das erste der benachbarten Batterieelemente Z, zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in positiver Richtung von dem ersten
elektrischen Potenzial abweicht, und das zweite der benachbarten
Batterieelemente Zi+1 zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in negativer Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht.
Ein besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, dass die Ladung einer beliebigen Anzahl von in Reihe verschalteten Batterieelementen Z, autonom, passiv ausgeglichen werden kann.
Die Entlademittel und die Vergleichsmittel sind vorzugsweise durch einen gegengekoppelten Operationsverstärker gebildet. Dadurch werden die
Funktionen des Entladens und Vergleichens besonders vorteilhaft durch eine einzige Komponente realisiert.
Der Spannungsteiler umfasst vorzugsweise einen ersten Widerstand und einen zweiten Widerstand, wobei der elektrische Widerstand des ersten Widerstands und der elektrische Widerstand des zweiten Widerstands im gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die Soll-Spannung des ersten Batterieelements und die Soll-Spannung des zweiten Batterieelements.
Vorzugsweise ist ein erster Anschluss des ersten Widerstands mit dem negativen Pol des ersten Batterieelements leitend verbunden, ein zweiter Anschluss des ersten Widerstands mit einem ersten Anschluss des zweiten Widerstands leitend verbunden und ein zweiter Anschluss des zweiten Widerstands mit dem positiven Pol des zweiten Batterieelements leitend verbunden.
Vorzugsweise sind der zweite Anschluss des ersten Widerstands und der erste Anschluss des zweiten Widerstands mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers leitend verbunden, der zweite Anschluss des zweiten Widerstands und der positive Pol des zweiten Batterieelements mit dem positiven Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers leitend verbunden, der erste Anschluss des ersten Widerstands und der negative Pol des ersten Batterieelements mit dem negativen Versorgungsspannungseingang des
Operationsverstärkers leitend verbunden und der positive Pol des ersten
Batterieelements und der negative Pol des zweiten Batterieelements mit dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers leitend verbunden.
Die Soll-Spannung des ersten Batterieelements und die Soll-Spannung des zweiten Batterieelements können gleich sein. Dadurch kann ein besonders einfaches Batteriesystem mit mehreren baugleichen Komponenten bereitgestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Batteriesystem mit einer Vielzahl in Reihe geschalteten Batterieelementen bereit, wobei jedes Paar miteinander leitend verbundener Batterieelemente, wie oben beschrieben, balanciert ist. Dadurch wird erreicht, dass mit einer besonders einfachen und regelmäßigen Anordnung von Komponenten sämtliche Batterieelemente miteinander balanciert werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist für den aktiven
Ladungsausgleich vorgesehen, dass die Einheit zum autonomen
Ladungsausgleich mindestens eine Induktivität, mindestens zwei Transistoren und mindestens eine logische Schalteinheit umfasst. Ein erster Anschluss der Induktivität ist mit den inneren Polen der benachbarten Gruppen M-i , M2 verbunden. Der andere Anschluss der Induktivität ist mit dem Kollektor des ersten und dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden. Die Emitter der Transistoren sind mit den äußeren Polen der benachbarten Gruppen M-i , M2 verbunden. Dabei werden die Pole der benachbarten Gruppen M-i , M2, die miteinander verbunden sind, als innere Pole bezeichnet, die beiden anderen Pole der benachbarten Gruppen M-i , M2, werden dementsprechend als äußere Pole bezeichnet. Die Basis des ersten Transistors ist mit einem ersten Ausgang der logischen Schalteinheit und die Basis des zweiten Transistors ist mit einem zweiten Ausgang der logischen Schalteinheit verbunden. Ein erster Eingang der logischen Schalteinheit ist vorzugsweise mit einem Signalgeber verbunden, wobei der Signalgeber ein Logiksignal zur Schaltung der Transistoren liefert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei den Transistoren um einen p-Kanal-Transistor und einen
n-Kanal-Transistor handelt. Vorzugsweise ist der Emitter des p-Kanal-Transistors mit dem positiven äußeren Pol der benachbarten Gruppen M-i , M2 und der Emitter des n-Kanal-Transistors mit dem negativen äußeren Pol der
benachbarten Gruppen M-i , M2 verbunden.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Signalgeber mindestens einen Komparator umfasst, der (die) den Ladungszustand der benachbarten Gruppen M-i , M2 vergleicht (vergleichen). Als vorteilhaft erweist es sich, wenn der Komparator als Fensterkomparator ausgebildet ist. Durch geeignete
Konfiguration des Fensterkomparators kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass ein Ladungsausgleich nur erfolgt, wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Gruppen, deren Ladung ausgeglichen werden soll, einen bestimmten vorgebbaren Wert erreicht bzw. überschreitet.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Batterieelemente mindestens eine elektro-chemische Zelle umfasst.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Batteriesystem um eine
Lithium-Ionen-Batterie oder das Batteriesystem umfasst elektrochemische Zellen, die als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriesystem, wobei das Batteriesystem mindestens vier in Reihe geschaltete Batterieelemente, mindestens ein Modul zum aktiven Ladungsausgleich zwischen
Batterieelementen und mindestens zwei Module zum passiven Ladungsausgleich zwischen Batterieelementen umfasst, und wobei das Batteriesystem derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren zum Ladungsausgleich durchführbar ist, wobei zumindest ein Teil der vier Batterieelemente in mindestens zwei Gruppen von jeweils mindestens zwei Batterieelementen gruppiert wird, zwischen den Batterieelementen einer Gruppe ein passiver Ladungsausgleich und zwischen zumindest einem Teil der Gruppen ein aktiver Ladungsausgleich durchgeführt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems mit einer Vielzahl von Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung mit zwei Einheiten zum passiven Ladungsausgleich und einer Einheit zum aktiven Ladungsausgleich,
Figur 3 eine Prinzipdarstellung für einen passiven Ladungsausgleich für einzelne Batteriezellen und einen modulweisen aktiven Ladungsausgleich, und
Figur 4 eine beispielhafte Ausführungsform für einen von
Zellspannungserfassungseinheiten gesteuerten Ladungsausgleich.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 2 ist ein beispielhaftes Batteriesystem 200 mit vier Batteriezellen Z-i , 2.2, Z3, Z4 gezeigt, wobei das Batteriesystem 200 geeignet ist für einen
Ladungsausgleich (Zell-Balancing), der aktives mit passivem Zell-Balancing kombiniert.
Die vier Batteriezellen Z-i , Z2, Z3, Z4 sind in zwei Gruppen (im Folgenden als Module bezeichnet) aufgeteilt, wobei ein erstes Modul die Batteriezellen Z-i und Z2 und ein zweites Modul die Batteriezellen Z3 und Z4 umfasst. Für die beiden Batteriezellen Z-i , Z2 bzw. Z3, Z4 ist jeweils eine Einheit für ein passives
Zell-Balancing vorgesehen. Im Folgenden wird die Einheit zum passiven Ladungsausgleich für die
Batteriezellen Z-ι und Z2 in größerem Detail beschrieben. Der positive Pol der Batteriezelle Z-ι ist mit dem negativen Pol der Batteriezelle Z2 verbunden. Zwei in Reihe geschaltete Widerstände Rci und RC2 liegen parallel zu den Batteriezellen
Z-i und Z2. Ein erster Anschluss des Widerstands Rci ist mit dem negativen Pol der Batteriezelle Z-i verbunden; ein zweiter Anschluss des Widerstands Rci ist mit einem ersten Anschluss des Widerstands RC2 verbunden, und ein zweiter Anschluss des Widerstands RC2 ist mit dem positiven Pol der Batteriezelle Z2 verbunden. Die Widerstandswerte der Widerstände Rci und RC2 stehen im gleichen Verhältnis zueinander wie die Soll-Spannungen der Batteriezellen Z-i und Z2. Insbesondere weisen die Widerstände Rci und RC2 den gleichen
Widerstandswert auf, wenn die Batteriezellen Z-i und Z2 auf dieselbe Spannung geladen werden sollen. Somit bilden die Widerstände Rci und RC2 einen
Spannungsteiler, an dessen innerem Knoten 202 das Potenzial anliegt, das an dem Knoten 204 zwischen den Batteriezellen Z-i und Z2 anliegen soll.
Die Einheit zum passiven Ladungsausgleich umfasst ferner einen
Operationsverstärker 206. Der nicht invertierende Eingang des
Operationsverstärkers 206 ist mit dem inneren Knoten 202 des Spannungsteilers verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 206 ist mit dem Knoten 204 zwischen den Batteriezellen Z-i und Z2 verbunden. Der positive Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers 206 ist mit dem positiven Pol der Batteriezelle Z2 verbunden. Der negative
Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers 206 ist mit dem negativen Pol der Batteriezelle 7.^ verbunden. Der Operationsverstärker 206 ist gegengekoppelt, das heißt, der Ausgang ist mit dem invertierenden Eingang verbunden. Ist nun beispielsweise die Batteriezelle Z-i tiefer entladen als die Batteriezelle Z2, so ist das Potenzial am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 206 niedriger als das Potenzial am nicht invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 206. Der Operationsverstärker 206 versucht
infolgedessen, seinen Ausgang zu seiner positiven Versorgungsspannung hin zu ziehen. Dies hat einen Stromfluss vom positiven Pol der Batteriezelle Z2 über den positiven Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers 206 zum Ausgang des Operationsverstärkers 206 zur Folge. Die Batteriezelle Z2 wird somit entladen, was dem gewünschten Verhalten entspricht. Entsprechend wird in dem Fall, dass die Batteriezelle Z2 tiefer entladen ist als die Batteriezelle Z-i, die Batteriezelle .^ über den negativen Versorgungsspannungseingang des Operationsverstärkers 206 entladen.
Der Entladevorgang setzt sich so lange fort, bis das Verhältnis zwischen der Spannung über die Batteriezelle .^ und der Spannung über der Batteriezelle Z2 seinen Soll-Wert erreicht hat. Insbesondere setzt sich der Entladevorgang in dem Fall, dass die Widerstände Rci und Rc2 gleiche Widerstandswerte aufweisen, so lange fort, bis die Spannung über der Batteriezelle Z-i gleich der Spannung über der Batteriezelle Z2 ist. Danach fließen nur noch der Ruheversorgungsstrom des Operationsverstärkers 206 und der Querstrom über die Widerstände Rci und Rc2 aus den Zellen. Beide Ströme können durch geeignete Dimensionierung und Auswahl der Schaltungskomponenten sehr klein gehalten werden.
In gleicher weise ist eine zweite Einheit zum passiven Ladungsausgleich mit den Batteriezellen Z3 und Z4 verbunden.
Das in Figur 2 dargestellte Prinzip lässt sich unmittelbar auf Batteriesysteme mit mehr als vier Batteriezellen anwenden, indem je zwei benachbarte Batteriezellen auf die dargestellte Weise balanciert werden.
Das beispielhafte Batteriesystem 200 umfasst weiter eine Einheit zum aktiven Ladungsausgleich. Gemäß dieser beispielhaften Einheit zum aktiven
Ladungsausgleich wird am Mittelabgriff 208 der beiden Module eine Induktivität 210 angeschlossen, welche durch einen p-Kanal- 212 oder einen
n-Kanal-Transistor 214 je nach gewünschter Stromrichtung von einem Strom durchflössen wird. Wird der Transistor 212, 214 abgeschaltet, fließt der Strom durch die Induktivität 210 zunächst weiter und lädt über die Body-Diode des jeweils anderen Transistors 214, 212 das gewünschte Modul Z-i, Z2 bzw. Z3, Z4 auf. Die Auswahl, welcher Transistor 212, 214 zum Einschalten des Stroms genutzt wird, erfolgt über ein Logiksignal, welches von einer logischen Schaltung 216 geliefert wird. Eine beispielhafte logische Schaltung 216 umfasst mindestens einen Komparator und vorzugsweise Treiberlogik. Ein weiteres beispielhaftes Batteriesystem 300 wird in Figur 3 dargestellt. Dieses beispielhafte Batteriesystem 300 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen, wobei die Batteriezellen in vier Module M-i , M2, M3, M4 von jeweils n Batteriezellen aufgeteilt sind. Für jedes der Module M-i , M2, M3, M4 ist jeweils eine eigene Einheit PB-i , PB2, PB3 bzw. PB4 zum passiven Ladungsausgleich der in jedem Modul M-i , M2, M3, M4 enthaltenen Batteriezellen vorgesehen.
Je zwei der Module M-i , M2; M2, M3 bzw. M3, M4 werden durch eine eigene Einheit AB-i , AB2 bzw. AB3 zum aktiven Ladungsausgleich balanciert. Dabei sind vorzugsweise alle benachbarten Module M,, Mi+1 mit einer Einheit AB, zum aktiven Ladungsausgleich verbunden. Es erfolgt somit vorzugsweise ein passiver Ladungsausgleich für die einzelnen Batteriezellen in den Modulen M, und ein aktiver Ladungsausgleich zwischen jeweils benachbarten Modulen M,, Mi+1.
Bei den vorstehend beschriebenen Verfahren zum Ladungsausgleich handelt es sich um autonome Verfahren zum passiven und aktiven Ladungsausgleich.
In Figur 4 wird eine Schaltungsanordnung 400 dargestellt, bei der der passive Ladungsausgleich innerhalb der Module M,, Mi+1 von einer
Zellspannungserfassungseinheit 402, einem sogenannten CSC (Cell Supervising Circuit), gesteuert wird, wobei die Zellspannungserfassungseinheiten 402 mit einem zentralen Steuergerät 404 kommunizieren. Die Einheit AB, zum aktiven Ladungsausgleich ist lediglich schematisch dargestellt, wobei die in Figur 2 gezeigten Transistoren schematisch durch Schalter 406, 408 wiedergegeben wurden (und die Ansteuerlogik für das aktive Zell-Balancing weggelassen wurde).
Es ist in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform vorgesehen, dass auch die Schalter 406, 408 für das aktive Zell-Balancing von dem zentralen
Steuergerät 404 angesteuert werden.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführungsform nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem
erfindungsgemäßen Batteriesystem und dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug auch bei grundsätzlich andersgearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen mindestens vier in Reihe geschalteten Batterieelementen (Z-i , Z2, Z3, Z4), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der mindestens vier Batterieelemente (Z-i , Z2, Z3, Z4) in mindestens zwei Gruppen (M-i , M2) von jeweils mindestens zwei
Batterieelementen (Z-i , Z2), (Z3, Z4) gruppiert ist, wobei zwischen den Batterieelementen einer Gruppe ein passiver Ladungsausgleich und zwischen zumindest einem Teil der Gruppen (M-i , M2) ein aktiver
Ladungsausgleich durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei ein aktiver Ladungsausgleich zwischen zwei Gruppen (M-i , M2) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein aktiver Ladungsausgleich zwischen jeweils zwei benachbarten Gruppen (M-i , M2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der passive Ladungsausgleich unter Verwendung einer Einheit (402) zur
Zellspannungserfassung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der passive Ladungsausgleich von der Einheit (402) zur Zellspannungserfassung und/oder der aktive
Ladungsausgleich von einer zentralen Steuereinheit gesteuert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der aktive und/oder passive Ladungsausgleich autonom erfolgt.
Batteriesystem (200) umfassend mindestens vier in Reihe geschaltete Batterieelemente (Zi, Z2, Z3, Z4), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (200) weiter mindestens ein Modul zum aktiven Ladungsausgleich zwischen Gruppen (M-i, M2) von Batterieelementen und mindestens zwei Module zum passiven Ladungsausgleich zwischen Batterieelementen umfasst, und wobei das Batteriesystem (200) derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren zum Ladungsausgleich gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführbar ist.
Batteriesystem nach Anspruch 7, wobei mindestens ein Modul zum aktiven Ladungsausgleich zumindest Folgendes umfasst:
- eine Induktivität (210),
- zwei Transistoren (212, 214) und
eine logische Schalteinheit (216),
wobei ein erster Anschluss der Induktivität (210) mit den inneren Polen der benachbarten Gruppen (M,, Mi+1) und der zweite Anschluss der Induktivität (210) mit dem Kollektor des ersten (212) und dem Kollektor zweiten
Transistors (214) verbunden ist,
die Basis des ersten (212) und zweiten Transistors (214) mit einem Ausgang der logischen Schalteinheit (216) und der Emitter des ersten (212) und zweiten Transistors (214) mit den beiden äußeren Polen der benachbarten Gruppen (M,, Mi+1) verbunden ist.
Batteriesystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei mindestens ein Modul zum passiven Ladungsausgleich zumindest Folgendes umfasst:
einen Spannungsteiler (Rc1, Rc2), der dazu ausgelegt ist, ausgehend von dem elektrischen Potenzial des negativen Pols eines ersten der
benachbarten Batterieelemente (Z,) und dem elektrischen Potenzial des positiven Pols des zweiten der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) ein erstes elektrisches Potenzial zu erzeugen, das dem Soll-Wert des elektrischen Potenzials an dem positiven Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente (Z,) und dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) entspricht;
mindestens ein Vergleichsmittel zum Vergleichen des ersten elektrischen Potenzials mit einem zweiten elektrischen Potenzial, das an dem positiven Pol des ersten der benachbarten Batterieelemente (Z,) und dem negativen Pol des zweiten der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) anliegt, und mindestens ein Entlademittel zum partiellen Entladen von mindestens einem der zwei benachbarten Batterieelemente (Z, Zi+1), wobei das mindestens eine Entlademittel dazu ausgelegt ist, das erste der benachbarten
Batterieelemente (Z,) zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in positiver Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht, und das zweite der benachbarten Batterieelemente (Zi+1) zu entladen, wenn das zweite elektrische Potenzial in negativer Richtung von dem ersten elektrischen Potenzial abweicht.
10. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriesystem gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9.
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