WO2014040780A2 - Batteriemanagementsystem, batteriesystem, kraftfahrzeug und verfahren zur erzeugung einer periodischen wechselspannung - Google Patents

Batteriemanagementsystem, batteriesystem, kraftfahrzeug und verfahren zur erzeugung einer periodischen wechselspannung Download PDF

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Definitions

  • Battery management system battery system, motor vehicle and method for generating a periodic alternating voltage
  • the present invention relates to a method for producing a
  • Battery module string includes individually or serially electrically connectable with Tru of the battery module strand and individually electrically separable
  • Battery modules each with at least one battery cell, such as a lithium-ion battery cell, such as in battery systems of electric or hybrid vehicles, ie in motor vehicles with at least partially or temporarily electrically powered drives, use.
  • the invention therefore also relates to a motor vehicle and a battery system.
  • batteries such as lithium ion cell based batteries or nickel metal hydride batteries are finding wider and wider applications.
  • Batteries with lower energy storage capacity are used, for example, for small portable electronic devices such as mobile phones, laptops, camcorders and the like, while high capacity batteries are used as an energy source for driving motors of hybrid or electric vehicles, etc. or as stationary batteries ,
  • Batteries can be connected, for example, by the serial connection of
  • Battery modules are formed, in some cases, parallel connections of the battery modules and the battery modules in turn can consist of serially and / or parallel-connected battery cells.
  • BDI direct injection battery
  • BDI include battery modules and associated with the modules
  • FIG. 1 shows a battery module 60 with coupling unit 50.
  • Battery cell 1 1 is connected between the inputs of a coupling unit 50 in series.
  • This battery module 60 is not limited to such a series connection of battery cells 1 1, it may in turn only a single
  • Battery cell 1 1 be provided or a parallel connection or mixed series-parallel circuit of battery cells 1 1.
  • Coupling unit 50 is connected to a first terminal 61 and the second output of the coupling unit 40 to a second terminal 62.
  • the battery cells 1 1 can be decoupled from the rest of the battery on both sides, which, for example, a safe replacement during operation allows, as at any pole of the battery cells 1 1 the dangerous high sum voltage of the remaining battery modules of the battery is applied.
  • FIG. 2 shows a battery which has n battery module strings 70-1 to 70-m.
  • Each battery module string 70-1 to 70-m has a plurality of
  • Battery modules 60 wherein preferably each battery module string 70-1 to 70-m the same number of battery modules 60 and each battery module 60 the same number of battery cells 1 1 connected in an identical manner.
  • One pole of each battery module string 70-1 to 70-m may be connected to a corresponding pole of the other battery module strings 70-1 to 70-m, which is indicated by a dashed line in FIG.
  • a battery module string 70-1 to 70-m may include any number of battery modules 60 greater than 1 and one battery each number of battery module strings 70-1 to 70-m.
  • charging and disconnecting devices and disconnecting devices may additionally be provided at the poles of the battery module strings 70-1 to 70-m if safety regulations so require.
  • FIG. 3 shows a drive system with a battery.
  • the battery has three battery module strings 70-1, 70-2 and 70-3, which are each connected directly to an input of a drive motor 13 designed for operation with three phase signals.
  • a control unit of the battery is at the output of the battery
  • Battery module strings a proportional to the number of activated battery modules 60 voltage, which is between 0 V and the full
  • Output voltage of the battery module string may be available. Therefore, the polyphase battery system can be used by appropriately connecting and disconnecting the modules, a plurality of each other
  • phase-shifted AC voltages With appropriate design, for example, three sinusoids can be generated approximated and mutually phase-shifted AC voltage profiles, whereby a directly usable for driving electric or hybrid motors rotating field are generated.
  • the voltage is chosen so that the adjusting AC causes the torque required to operate the motor.
  • FIG. 4 shows a time profile of an output voltage of a
  • Battery module string The output voltage of one battery module string
  • V is plotted over time t.
  • Reference numeral 80-b is a desired (ideal) sine for an exemplary application
  • the ideal sine is separated from the battery module string by a discrete-value one
  • Voltage curve 80-a approximated.
  • the deviations of the discrete-value voltage curve 80-a from the ideal curve 80-b depend on their size from the number of battery cells 1 1, which are connected in series in a battery module 60.
  • applications do not affect the relatively small deviations of the overall system.
  • battery management systems For battery management, for example for the basic control of modules, to increase the safety of batteries, to increase efficiency and to extend the life of battery modules and battery modules composed of battery systems, battery management systems are used.
  • One function of battery management systems is to include temporal current and / or voltage waveforms with an accuracy and sampling frequency necessary to determine a current state of charge and / or state of aging, an internal impedance, a temperature value, and / or the value of another characteristic to determine the individual battery modules.
  • the behavior of the module is determined by the electrical characteristic of the weakest cell. Therefore, the individual battery modules also have individual electrical characteristics.
  • a battery management system for a battery module string with individually or serially electrically connectable with poles of the battery module string and individually electrically separable battery modules is described.
  • the battery module string is suitable for generating an alternating voltage by disconnecting and connecting the battery modules
  • a battery management system is characterized in that it is arranged to associate each battery module, depending on its position in a battery module list, with a respective time duration during which the battery module is electrically connected within a half period of the AC voltage.
  • the battery management system comprises a device for receiving transmitted voltage curves of
  • the battery management system is designed to use the specific states for the arrangement of the battery modules in the battery module list, so that the battery modules are arranged in the battery module list after increasing wear. Furthermore, the battery management system is configured to allocate a less worn battery module a period of time that is longer than a period associated with a relatively more worn battery module.
  • Battery management system designed to be number and duration of
  • Interruptions to divide the respective period of time into separate part-time periods to determine, the number and duration of the interruptions depending on a voltage provided by the respective battery module and a desired voltage waveform of the AC voltage between a start time and an end time of the respective
  • the battery system comprises at least one battery module string with individually or serially electrically with
  • a motor vehicle which comprises an at least partially or partially electrically operable drive unit and a battery system according to claim 4.
  • the battery system allows each of the battery modules to be individually electrically connected to the poles or electrically disconnected from the poles.
  • the alternating voltage is generated by changing electrical connection states of the battery modules with the poles, wherein in a half-period each battery module is electrically connected for different lengths of time.
  • the method is characterized in that a respective period of time during which a respective battery module is to be electrically connected during the half period is assigned to at least one position of the respective battery module in a battery module list. That is, the respective period of time during which the respective battery module is to be electrically connected during the half-period depends at least on a position of the respective battery module in a battery module list.
  • the method comprises the steps of measuring a progression of at least one voltage of the respective battery module and using the measured characteristic to determine a state of wear of the respective battery module
  • the method further comprises using the determined states to arrange the battery modules in the battery module list such that the battery modules are arranged in the battery module list for increasing wear, the longer the less worn the respective one
  • the battery module connected in a half period immediately preceding the half period for a longest period of time may be connected in the half period for a shortest period of time.
  • the respective period may consist of at least one interruption of separate part-time periods. Number and duration of
  • Interruptions can then be selected depending on a provided by the respective battery module voltage and a desired voltage waveform of the AC voltage between an initial time of a temporally first of the part-time periods and an end time of a temporally last of the part-time periods, so that by pulse width modulation of the desired voltage waveform is approximated better.
  • FIG. 2 shows a battery with n battery module strings according to the prior art
  • FIG. 3 shows a drive system with a battery having three battery module strings according to the prior art
  • Figure 4 shows a time course of an output voltage of a
  • FIG. 5 shows an exemplary time profile of an output voltage of a battery module string according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows an exemplary time profile of an output voltage of a battery module string according to a variant of the first embodiment of the invention
  • the balancing method includes prioritizing the battery modules for generating the
  • the wear condition of a module can be estimated, for example, based on the total amount of time that the module was used. Additionally or alternatively, the determination of the wear condition may be one or more
  • Measurements on the module such as an impedance measurement and / or a
  • the prioritization limits the use of the less powerful modules, which are weaker than others due to wear or current state of charge, and instead causes increased use of the more powerful modules. Further weakening and / or aging of the weaker modules is thus limited. This causes an extension of the usability of these modules and thus longer and better usability of the entire system.
  • BDI direct converter
  • a strongest module 1 1 1 -1 of n modules is selected with respect to SOC and / or SOH and / or service life to produce a first half-period, and a voltage V1 is generated for one Duration t1 ⁇ T / 2 positive switched on, where 7 is the period. If the voltage available from the strongest module 1 1 -1 is greater than ⁇ V1 ⁇ , instead of permanent switching for the duration t1, pulse width modulation by means of fast switching during the period t1 can be used to generate, on average, a voltage V1 To make available.
  • a next weakest or second strongest module 1 1 -2 of the n modules is switched on positively during the time period t 1 for a time t 2 ⁇ t 1.
  • the second strongest module 1 1 -2 sets a voltage V2 with
  • fast-switching-based pulse width modulation can be used to average the
  • the modules are positively connected in series, so that during the period t2 at least one voltage with an amount greater than or equal to
  • a / ' strongest module 1 1 -i, 1 ⁇ i ⁇ n, for the duration t (i-1) for a
  • Time ti ⁇ t (i-1) switched on During the period ti, the i-strongest module 1 1 -i sets a voltage Vi with IV / ' l-il to disposal. Again, pulse width modulation can be used to provide the voltage Vi on average.
  • the modules are positively connected in series, so that during the time ti at least one voltage with an amount greater than or equal to ⁇ V1 ⁇ + ⁇ V2 ⁇ + ... + ⁇ V (i-1) ⁇ + ⁇ Vi ⁇ is available ,
  • a weakest module 1 1 -n is switched on during the time t (n-1) for a time tn ⁇ t (n-1). During the period tn, the weakest module 1 1 -n sets a voltage Vn with
  • the modules are positively connected in series, so that during the time tn at least one voltage is available, the amount of which
  • Vlrr) ax.Vmax is then the amplitude of the AC voltage
  • Pulse width modulation can be used to provide the voltage Vn on average.
  • This variant of the first embodiment is shown by way of example in FIG.
  • the intervals t1, t2,... Tn are centered by the time t0 + T / 4, the half period beginning at t0.
  • the assignment of interval to module is maintained in the second half period. That is, in the second half-period, the strongest module weakest module 1 1 -1 is switched on again for a time t1, the i-strongest module 1 1 -i, 1 ⁇ i ⁇ n, is again for a period ti ⁇ tj, for every 1 j ⁇ i, and the weakest module 1 1 -n is switched on again for a period tn ⁇ tj, for all 1 j ⁇ n. In the second half period, however, the connection is negative. The amounts of generated voltages are the same as in the first half period. Again, the intervals t1, t2,... Tn are centered, but in the second half period centered at the time t0 + 3 * T / 4.
  • Hierarchization of the modules by strength can be done using calculated and / or measured quantities. For example, the total useful life of the modules in the BMS can be tracked using the turn-on durations and used to hierarchize strength.
  • a current state of charge of the modules can be determined and the modules can be hierarchized according to the state of charge.
  • the load on the modules within a period is equal or approximately equal.
  • the loading of the modules which are switched on the longest in one half-period and the shortest in the other half-period is the same.
  • connection does not take place according to strength, but according to the voltage provided.

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Description

Beschreibung
Titel
Batteriemanagementsystem, Batteriesystem, Kraftfahrzeug und Verfahren zur Erzeugung einer periodischen Wechselspannung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer
periodischen Wechselspannung unter Verwendung eines Batteriemodulstrangs und ein Batteriemanagementsystem für einen Batteriemodulstrang. Der
Batteriemodulstrang umfasst individuell oder seriell elektrisch mit Polen des Batteriemodulstrangs verbindbare und individuell elektrisch abtrennbare
Batteriemodule je mit mindestens einer Batteriezelle, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, wie sie etwa in Batteriesystemen von Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugen, also in Kraftfahrzeugen mit zumindest teil- oder zeitweise elektrisch betriebenen Antrieben, Verwendung findet. Die Erfindung betrifft daher auch ein Kraftfahrzeug und ein Batteriesystem.
Stand der Technik
Durch verbesserte Speicherkapazität, häufigere Wiederaufladbarkeit und höhere Energiedichten finden Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien oder Nickelmetallhydrid-Batterien, immer breitere Anwendungen.
Batterien mit geringerer Energiespeicherkapazität werden zum Beispiel für kleine tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Camcordern und dergleichen verwendet, während Batterien mit hoher Kapazität als Energiequelle für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen, etc. oder als stationäre Batterien Verwendung finden.
Batterien können zum Beispiel durch das serielle Verschalten von
Batteriemodulen gebildet werden, wobei teilweise auch parallele Verschaltungen der Batteriemodule erfolgen und die Batteriemodule ihrerseits aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen bestehen können. Für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen sind insbesondere Mehrphasenbatteriesysteme geeignet, die auch als Batterie Direktinverter (BDI) bezeichnet und in DE 10 2010 027 864 beschrieben werden. BDI umfassen Batteriemodule und den Modulen zugeordnete
Kopplungseinheiten. Mittels der Kopplungseinheiten sind die Batteriemodule individuell elektrisch verbindbar und elektrisch abtrennbar, wahlweise mit der Möglichkeit, zwischen einer positiven und einer negativen Verbindung zu wählen. Figur 1 zeigt ein Batteriemodul 60 mit Koppeleinheit 50. Eine Mehrzahl von
Batteriezellen 1 1 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 50 in Serie geschaltet. Dieses Batteriemodul 60 ist nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen 1 1 beschränkt, es kann wiederum auch nur eine einzelne
Batteriezelle 1 1 vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen 1 1. Der erste Ausgang der
Koppeleinheit 50 ist mit einem ersten Terminal 61 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 40 mit einem zweiten Terminal 62 verbunden. Durch die
Koppeleinheit 50 können die Batteriezellen 1 1 von der restlichen Batterie beidseitig abgekoppelt werden, was beispielsweise einen gefahrlosen Austausch im laufenden Betrieb ermöglicht, da an keinem Pol der Batteriezellen 1 1 die gefährliche hohe Summenspannung der restlichen Batteriemodule der Batterie anliegt.
Figur 2 zeigt eine Batterie, welche über n Batteriemodulstränge 70-1 bis 70-m verfügt. Jeder Batteriemodulstrang 70-1 bis 70-m weist eine Mehrzahl von
Batteriemodulen 60 auf, wobei vorzugsweise jeder Batteriemodulstrang 70-1 bis 70-m dieselbe Anzahl von Batteriemodulen 60 und jedes Batteriemodul 60 dieselbe Anzahl von Batteriezellen 1 1 in identischer Weise verschaltet enthält. Ein Pol eines jeden Batteriemodulstranges 70-1 bis 70-m kann mit einem entsprechenden Pol der anderen Batteriemodulstränge 70-1 bis 70-m verbunden sein, was durch eine gestrichelte Linie in Figur 2 angedeutet ist. Generell kann ein Batteriemodulstrang 70-1 bis 70-m jede Zahl von Batteriemodulen 60 größer 1 und eine Batterie jede Zahl von Batteriemodulsträngen 70-1 bis 70-m enthalten. Auch können an den Polen der Batteriemodulstränge 70-1 bis 70-m zusätzlich Lade- und Trenneinrichtungen und Trenneinrichtungen vorgesehen sein, wenn Sicherheitsbestimmungen dies erfordern. Allerdings sind solche Trenneinrichtungen nicht notwendig, weil eine Abkopplung der Batteriezellen 1 1 von den Batterieanschlüssen durch die in den Batteriemodulen 60 enthaltenen Koppeleinheiten 30 oder 50 erfolgen kann. Figur 3 zeigt ein Antriebssystem mit einer Batterie. Im gezeigten Beispiel besitzt die Batterie drei Batteriemodulstränge 70-1 , 70-2 und 70-3, welche jeweils direkt an einen Eingang eines auf einen Betrieb mit drei Phasensignalen ausgelegten Antriebsmotors 13 angeschlossen sind. Indem eine Steuereinheit der Batterie eine variable Anzahl von Batteriemodulen 60 eines Batteriemodulstranges aktiviert (beziehungsweise deaktiviert), steht am Ausgang des
Batteriemodulstranges eine zu der Anzahl der aktivierten Batteriemodule 60 proportionale Spannung, welche zwischen 0 V und der vollen
Ausgangsspannung des Batteriemodulstranges betragen kann, zur Verfügung. Daher kann das Mehrphasen batteriesystem durch entsprechendes Verbinden und Abtrennen der Module verwendet werden, mehrere zueinander
phasenverschobene Wechselspannungen zu erzeugen. Bei entsprechender Auslegung können zum Beispiel drei Sinuskurven angenäherte und zueinander phasenverschobene Wechselspannungsprofile erzeugt werden, wodurch ein direkt zum Antrieb von Elektro- oder Hybridmotoren verwendbares Drehfeld erzeugt sind. Die Spannung wird dabei so gewählt, dass der sich einstellende Wechselstrom das zum Betrieb des Motors benötigte Drehmoment bewirkt.
Figur 4 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Ausgangsspannung eines
Batteriemodulstrangs. Die Ausgangsspannung des einen Batteriemodulstranges
V ist dabei über der Zeit t aufgetragen. Mit dem Bezugszeichen 80-b ist ein für einen beispielhaften Anwendungszweck gewünschter (idealer) Sinus
aufgetragen, der jedoch nur Spannungswerte größer oder gleich Null aufweist. Der ideale Sinus wird vom Batteriemodulstrang durch eine wertdiskrete
Spannungskurve 80-a näherungsweise erzeugt. Die Abweichungen der wertdiskreten Spannungskurve 80-a von der idealen Kurve 80-b hängen hinsichtlich ihrer Größe von der Anzahl von Batteriezellen 1 1 ab, die in einem Batteriemodul 60 in Serie geschaltet sind. Je weniger Batteriezellen 1 1 in einem Batteriemodul 60 in Serie geschaltet sind, desto genauer kann die wertdiskrete Spannungskurve 80-a der idealisierten Kurve 80-b folgen. In üblichen Anwendungen beeinträchtigen die verhältnismäßig geringen Abweichungen die Funktion des Gesamtsystems jedoch nicht.
Zum Batteriemanagement, zum Beispiel zur grundsätzlichen Ansteuerung von Modulen, zur Erhöhung der Sicherheit von Batterien, zur Effizienzsteigerung und zur Verlängerung der Lebenszeit von Batteriemodulen und aus Batteriemodulen zusammengesetzten Batteriesystemen werden Batteriemanagementsysteme eingesetzt. Eine Funktion von Batteriemanagementsystemen ist die Aufnahme von zeitlichen Stromstärken- und/oder Spannungsverläufen mit einer Genauigkeit und Abtastfrequenz, die notwendig ist, um einen aktuellen Ladungszustand und/oder einen aktuellen Alterungszustand, eine interne Impedanz, einen Temperaturwert und/oder den Wert einer anderen Kenngröße der einzelnen Batteriemodule zu bestimmen.
Obwohl die Herstellung der Batteriezellen standardisiert ist und ausgezeichnete Herstellungsverfahren durch die Zellhersteller verwirklicht sind, werden
Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften, beispielsweise bezüglich Spannung, Kapazität oder Innenwiderstand beobachtet. Neben diesen
Unterschieden, die durch den Herstellungsprozess entstehen, bewirken
Alterungsprozesse eine weitere Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Batteriezellen. In einem Batteriemodul aus einer oder mehreren Zellen sind die einzelnen Batteriezellen daher nie identisch in Bezug auf die elektrische
Leistung. Insbesondere bei serieller Verschaltung der Zellen in einem Modul wird das Verhalten des Moduls durch die elektrische Charakteristik der schwächsten Zelle bestimmt. Daher weisen die einzelnen Batteriemodule ebenfalls individuelle elektrische Charakteristiken auf.
Offenbarung der Erfindung
In der vorliegenden Erfindung wird ein Balancierungsverfahren zwischen den Modulen einer Batterie beschrieben.
Insbesondere wird erfindungsgemäß ein Batteriemanagementsystem gemäß Anspruch 1 für einen Batteriemodulstrang mit individuell oder seriell elektrisch mit Polen des Batteriemodulstrangs verbindbaren und individuell elektrisch abtrennbaren Batteriemodulen beschrieben. Dabei ist der Batteriemodulstrang geeignet, durch Abtrennen und Verbinden der Batteriemodule eine Wechselspannung zu erzeugen, das
Batteriemanagementsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es ausgelegt ist, jedem Batteriemodul abhängig von seiner Position in einer Batteriemodulliste eine jeweilige Zeitdauer zuzuordnen, während der das Batteriemodul innerhalb einer Halbperiode der Wechselspannung elektrisch verbunden ist.
Das erlaubt ein dynamisches Management der Belastungen der Batteriemodule durch dynamisches Management der Batteriemodulliste.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst das Batteriemanagementsystem eine Vorrichtung zum Empfang übermittelter Spannungsverläufe der
Batteriemodule und Mittel zur Verwendung des gemessenen Verlaufs zur Bestimmung eines Abnutzungszustands des jeweiligen Batteriemoduls. Dabei ist das Batteriemanagementsystem ausgelegt, die bestimmten Zustände zur Anordnung der Batteriemodule in der Batteriemodulliste zu verwenden, so dass die Batteriemodule in der Batteriemodulliste nach ansteigender Abnutzung angeordnet sind. Weiterhin ist das Batteriemanagementsystem ausgelegt, einem weniger abgenutzten Batteriemodul eine Zeitdauer zuzuordnen, die länger als eine einem vergleichsweise stärker abgenutzten Batteriemodul zugeordnete Zeitdauer ist.
In dieser oder einer anderen Ausführungsform kann das
Batteriemanagementsystem ausgelegt sein, Anzahl und Dauer von
Unterbrechungen zur Teilung der jeweiligen Zeitdauer in voneinander getrennte Teilzeitdauern zu bestimmen, wobei Anzahl und Dauer der Unterbrechungen abhängig von einer durch das jeweilige Batteriemodul zur Verfügung gestellten Spannung und einem gewünschten Spannungsverlauf der Wechselspannung zwischen einem Anfangszeitpunkt und einem Endzeitpunkt der jeweiligen
Zeitdauer sind.
Weiterhin wird ein Batteriesystem gemäß Anspruch 4 zur Erzeugung von mindestens einer Wechselspannung vorgestellt. Das Batteriesystem umfasst mindestens einen Batteriemodulstrang mit individuell oder seriell elektrisch mit
Polen des Batteriemodulstrangs verbindbaren und individuell elektrisch abtrennbaren Batteriemodulen und ein erfindungsgemäßes
Batteriemanagementsystem.
Und es wird ein Kraftfahrzeug beschrieben, welches eine zumindest zeit- oder teilweise elektrisch betreibbare Antriebseinheit und ein Batteriesystem nach Anspruch 4 umfasst.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Erzeugung einer periodischen
Wechselspannung vorgestellt, wobei die Wechselspannung an Polen eines Batteriemodule umfassenden Batteriesystems erzeugt wird. Dabei erlaubt das Batteriesystem, jedes der Batteriemodule individuell mit den Polen elektrisch zu verbinden oder von den Polen elektrisch zu trennen. Die Wechselspannung wird durch Änderung elektrischer Verbindungszustände der Batteriemodule mit den Polen erzeugt, wobei in einer Halbperiode jedes Batteriemodul unterschiedlich lange elektrisch verbunden ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Zeitdauer, während der ein jeweiliges Batteriemodul während der Halbperiode elektrisch verbunden werden soll, zumindest einer Position des jeweiligen Batteriemoduls in einer Batteriemodulliste zugeordnet wird. Das heißt, die jeweilige Zeitdauer, während der das jeweilige Batteriemodul während der Halbperiode elektrisch verbunden werden soll, hängt zumindest von einer Position des jeweiligen Batteriemoduls in einer Batteriemodulliste ab.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst das Verfahren für jedes der Batteriemodule die Schritte Messung von einem Verlauf zumindest einer Spannung des jeweiligen Batteriemoduls und Verwendung des gemessenen Verlaufs zur Bestimmung eines Abnutzungszustands des jeweiligen
Batteriemoduls. In der möglichen Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin eine Verwendung der bestimmten Zustände zur Anordnung der Batteriemodule in der Batteriemodulliste, so dass die Batteriemodule in der Batteriemodulliste nach ansteigender Abnutzung angeordnet sind, wobei die jeweilige Zeitdauer desto länger ist je weniger abgenutzt das jeweilige
Batteriemodul ist.
Dabei kann das Batteriemodul, das in einer der Halbperiode unmittelbar vorangehenden Halbperiode für eine längste Zeitdauer verbunden war, in der Halbperiode für eine kürzeste Zeitdauer verbunden werden. Die jeweilige Zeitdauer kann aus durch mindestens eine Unterbrechung von einander getrennten Teilzeitdauern bestehen. Anzahl und Dauer der
Unterbrechungen können dann von einer durch das jeweilige Batteriemodul zur Verfügung gestellten Spannung und einem gewünschten Spannungsverlauf der Wechselspannung zwischen einem Anfangszeitpunkt einer zeitlich ersten der Teilzeitdauern und einem Endzeitpunkt einer zeitlich letzten der Teilzeitdauern abhängig gewählt werden, so dass durch Pulsweitenmodulation der gewünschte Spannungsverlauf besser angenähert wird.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Batteriemodul mit Kopplungseinheit nach dem Stand der Technik,
Figur 2 eine Batterie mit n Batteriemodulsträngen nach dem Stand der Technik,
Figur 3 ein Antriebssystem mit einer Batterie mit drei Batteriemodulsträngen nach dem Stand der Technik,
Figur 4 einen zeitlichen Verlauf einer Ausgangsspannung eines
Batteriemodulstrangs,
Figur 5 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einer Ausgangsspannung eines Batteriemodulstrangs nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 6 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einer Ausgangsspannung eines Batteriemodulstrangs nach einer Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 7 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einer Ausgangsspannung eines Batteriemodulstrangs nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und Figur 8 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einer Ausgangsspannung eines Batteriemodulstrangs nach einer Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Ausführungsformen der Erfindung
In einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein
Balancierungsverfahren zwischen Modulen eines Mehrphasenbatteriesystems, also eines Batteriesystems mit BDI, beschrieben. Das Balancierungsverfahren umfasst eine Priorisierung der Batteriemodule für die Erzeugung des
sinusförmigen Spannungsverlaufs. Dabei erhält ein Modul eine desto höhere Priorität für die Nutzung in der Erzeugung, je höher seine Leistungsfähigkeit ist. Diese kann etwa anhand des Ladungszustands bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Abnutzungszustand des Moduls berücksichtigt werden, wobei eine desto höhere Priorität für die Nutzung in der Erzeugung vergeben wird, je niedriger der Abnutzungszustand ist.
Der Abnutzungszustand eines Moduls kann geschätzt werden, etwa anhand der Gesamtzeitdauer, die das Modul verwendet wurde. Zusätzlich oder alternativ kann sich die Bestimmung des Abnutzungszustands auf eine oder mehrere
Messungen an dem Modul, etwa eine Impedanzmessung und/oder eine
Kapazitätsmessung, gestützt sein.
Die Priorisierung begrenzt die Nutzung der leistungsschwächeren Module, die aufgrund von Abnutzung oder aktuellem Ladungszustand schwächer sind als andere, und bewirkt stattdessen vermehrte Nutzung der leistungsstärkeren Module. Weitere Schwächung und/oder Alterung der schwächeren Module wird so begrenzt. Diese bewirkt eine Verlängerung der Nutzbarkeit dieser Module und damit längere und bessere Nutzbarkeit des Gesamtsystems.
In Batteriemodulsystemen mit Direkt Konverter (BDI) können Module individuell zu- und abgeschaltet werden. Dabei kann zusätzlich zwischen positiver und negativer Zuschaltung gewählt werden. Dadurch lassen sich mit einem
Batteriemodulsystem mit Direkt Konverter annähernd sinusförmige
Wechselspannungsprofile oder -Verläufe erzeugen. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung, beispielhaft skizziert in Figur 5, wird zur Erzeugung einer ersten Halbperiode ein stärkstes Modul 1 1 -1 von n Modulen im Hinblick auf SOC und/oder SOH und/oder Nutzungsdauer ausgewählt und zur Erzeugung einer Spannung V1 für eine Dauer t1<T/2 positive zugeschaltet, wobei 7 die Periodendauer ist. Wenn die vom stärksten Modul 1 1 -1 zur Verfügung stehende Spannung betragsmäßig größer als \ V1\ ist, kann anstelle permanenter Zuschaltung für die Dauer t1 Pulsweitenmodulation mittels Schnellschalten (Fast Switching) während der Dauer t1 verwendet werden, um im Mittel eine Spannung V1 zur Verfügung zu stellen.
Ein nächstschwächeres oder zweitstärkstes Modul 1 1 -2 von den n Modulen wird während der Zeitdauer t1 für eine Zeitdauer t2<t1 positiv zugeschaltet. Während der Zeitdauer t2 stellt das zweitstärkste Modul 1 1 -2 eine Spannung V2 mit | V2|<| V | zur Verfügung. Wieder kann anstelle permanenter Zuschaltung fast-switching-basierte Pulsweitenmodulation verwendet werden, um im Mittel die
Spannung V2 zur Verfügung zu stellen. Die Module werden positiv in Reihe geschaltet, so dass während der Zeitdauer t2 mindestens eine Spannung mit einem Betrag größer oder gleich | V |+| \/2| zur Verfügung steht. Ein /'-stärkstes Modul 1 1 -i, 1<i<n, wird während der Zeitdauer t(i-1) für eine
Zeitdauer ti<t(i-1) zugeschaltet. Während der Zeitdauer ti stellt das i-stärkste Modul 1 1 -i eine Spannung Vi mit I V/'l-il
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zur Verfügung. Wieder kann Pulsweitenmodulation verwendet werden, um im Mittel die Spannung Vi zur Verfügung zu stellen. Die Module werden positiv in Reihe geschaltet, so dass während der Zeitdauer ti mindestens eine Spannung mit einem Betrag größer oder gleich \ V1\+\ V2\+...+\V(i-1)\+\ Vi\ zur Verfügung steht.
Ein schwächstes Modul 1 1 -n wird während der Zeitdauer t(n-1) für eine Zeitdauer tn<t(n-1) zugeschaltet. Während der Zeitdauer tn stellt das schwächste Modul 1 1 -n eine Spannung Vn mit | 7| | Vfn-"? ^| zur Verfügung. Die Module werden positiv in Reihe geschaltet, so dass während der Zeitdauer tn mindestens eine Spannung zur Verfügung steht, deren Betrag | |+| \ 2|+...+|\ n-^|+| V |=Vlrr)ax ist. Vmax ist dann die Amplitude der Wechselspannung. Wieder kann
Pulsweitenmodulation verwendet werden, um im Mittel die Spannung Vn zur Verfügung zu stellen. Diese Variante der ersten Ausführungsform ist beispielhaft in Figur 6 dargestellt. Für die Erzeugung der ersten Halbperiode eines einer Sinuskurve angenäherten Spannungsprofils werden die Intervalle t1, t2, ...tn um den Zeitpunkt tO+T/4 zentriert, wobei die Halbperiode bei tO beginnt.
In dieser ersten Ausführungsform wird die Zuordnung von Intervall zu Modul in der zweiten Halbperiode beibehalten. Das heißt, in der zweiten Halbperiode wird das stärkste Modul schwächstes Modul 1 1 -1 wieder für eine Zeitdauer t1 zugeschaltet, das i-stärkste Modul 1 1 -i, 1<i<n, wird wieder für eine Zeitdauer ti<tj, für alle 1 j<i, zugeschaltet und das schwächste Modul 1 1 -n wird wieder für eine Zeitdauer tn<tj, für alle 1 j<n, zugeschaltet. In der zweiten Halbperiode ist die Zuschaltung jedoch negativ. Die Beträge der erzeugten Spannungen sind dieselben wie in der ersten Halbperiode. Wieder sind die Intervalle t1, t2, ...tn zentriert, in der zweiten Halbperiode jedoch um den Zeitpunkt tO+3*T/4.
Die Hierarchisierung der Module nach Stärke kann unter Verwendung von berechneten und/oder gemessenen Größen erfolgen. So kann beispielsweise die Gesamtnutzdauer der Module im BMS unter Verwendung der Zuschaltdauern nachgehalten und zur Hierarchisierung nach Stärke verwendet werden.
Zusätzlich oder alternativ kann anhand von gemessenen Werten wie Spannung, Strom und/oder Kapazität, ein aktueller Ladungszustand der Module bestimmt und die Hierarchisierung der Module nach Ladungszustand erfolgen.
Dabei ist es vorteilhaft, die Hierarchisierung nach jeder Periode zu aktualisieren, so dass tatsächliche Ladungs-, Abnutzungs- und/oder Alterungszustände zur Hierarchisierung verwendet werden.
In einer zweiten Ausführungsform, beispielhaft in Figur 7 skizziert, ist festgelegt, dass die Zuordnung von Zeitdauer zu Modul in der zweiten Halbperiode invertiert wird. Das heißt, in der zweiten Halbperiode wird das Modul 1 1 -n, das in der ersten Halbperiode für die Dauer tn<tj, für alle 1 j<n, zugeschaltet war, in der zweiten Halbperiode für eine Zeitdauer t1 zugeschaltet. Das Modul 1 1 -1 , das in der ersten Halbperiode für die Dauer t1 zugeschaltet war, wird in der zweiten Halbperiode für eine Zeitdauer tn<tj, für alle 1 j<n, zugeschaltet. Und das Modul 1 1 -i, das in der ersten Halbperiode für die Dauer ti, 1<i<n zugeschaltet war, wird in der zweiten Halbperiode für eine Zeitdauer t(n-i), zugeschaltet. Figur 8 zeigt eine Variante des dritten Beispiels aus Figur 7, bei dem zusätzlich fast switching der je Halbperiode am kürzesten zugeschalteten Module verwendet wird, um die Amplitude anzupassen.
In der zweiten Ausführungsform ist die Belastung der Module innerhalb einer Periode gleich oder annähernd gleich. Insbesondere ist die Belastung der Module, die in einer Halbperiode am längsten und in der anderen Halbperiode am kürzesten zugeschaltet sind, gleich.
Sofern Dauer ti und Spannung Vi aber so gewählt sind, dass sich für
verschiedene /' verschiedene Gesamtbelastungen pro Periode ergeben, ist es möglich, die verschiedenen /' nach den Gesamtbelastungen pro Periode zu hierarchisieren. Das schwächste Modul kann dann für die Dauer ti in der ersten Halbperiode zugeschaltet werden, für die die Gesamtbelastung in beiden Halbperioden am niedrigsten ist. Entsprechend können stärkere Module größeren Belastungen und das stärkste Modul der größten Belastung ausgesetzt werden.
In einer dritten Ausführungsform erfolgt die Zuschaltung nicht nach Stärke, sondern nach zur Verfügung gestellter Spannung. Zur Erhöhung des
Spannungsbetrags um einen Betrag | V7| wird dann das Modul zugeschaltet, dessen zur Verfügung gestellte Spannung im Betrag größer gleich \ Vi\ ist und deren Betrag die geringste Abweichung von | Vi\ hat. So kann eine besonders gute Annäherung an einen sinusförmigen Verlauf erreicht werden.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriemanagementsystem für einen Batteriemodulstrang (70-1 , 70-m) mit individuell oder seriell elektrisch mit Polen des Batteriemodulstrangs (70-1 , 70-m) positiv oder negativ verbindbaren und individuell elektrisch abtrennbaren Batteriemodulen (1 1 -1 , 1 1 -2, ... 1 1 -n), wobei der
Batteriemodulstrang (70-1 , 70-m) geeignet ist, durch Abtrennen und Verbinden der Batteriemodule (1 1 -1 ,1 1 -2, ... ,1 1 -n) eine Wechselspannung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das
Batteriemanagementsystem ausgelegt ist, jedem Batteriemodul abhängig von seiner Position in einer Batteriemodulliste eine jeweilige Zeitdauer zuzuordnen, während der das Batteriemodul innerhalb einer Halbperiode der Wechselspannung elektrisch verbunden ist.
2. Batteriemanagementsystem nach Anspruch 1 , weiterhin umfassend eine Vorrichtung zum Empfang übermittelter Spannungsverläufe der
Batteriemodule; Mittel zur Verwendung des gemessenen Verlaufs zur Bestimmung eines Abnutzungszustands des jeweiligen Batteriemoduls; wobei das Batteriemanagementsystem ausgelegt ist, die bestimmten Zustände zur Anordnung der Batteriemodule in der Batteriemodulliste zu verwenden, so dass die Batteriemodule in der Batteriemodulliste nach ansteigender Abnutzung angeordnet sind, wobei das
Batteriemanagementsystem ausgelegt ist, einem weniger abgenutzten Batteriemodul eine Zeitdauer zuzuordnen, die länger als eine einem vergleichsweise stärker abgenutzten Batteriemodul zugeordnete Zeitdauer ist.
3. Batteriemanagementsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das
Batteriemanagementsystem ausgelegt ist, Anzahl und Dauer von
Unterbrechungen zur Teilung der jeweiligen Zeitdauer in voneinander getrennte Teilzeitdauern zu bestimmen, wobei Anzahl und Dauer der Unterbrechungen abhängig von einer durch das jeweilige Batteriemodul zur Verfügung gestellten Spannung und einem gewünschten Spannungsverlauf der Wechselspannung zwischen einem Anfangszeitpunkt und einem
Endzeitpunkt der jeweiligen Zeitdauer sind.
Batteriesystem (140) zur Erzeugung von mindestens einer
Wechselspannung, umfassend mindestens einen Batteriemodulstrang (70-1 ,
70-m) mit individuell oder seriell elektrisch mit Polen des
Batteriemodulstrangs (70-1 , 70-m) verbindbaren und individuell elektrisch abtrennbaren Batteriemodulen (1 1 -1 ,1 1 -2, ... ,1 1 -n) und ein
Batteriemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Kraftfahrzeug mit einer zumindest zeit- oder teilweise elektrisch betreibbaren Antriebseinheit (150) und mit einem Mehrphasenbatteriesystem (140) nach Anspruch 4.
Verfahren zur Erzeugung einer periodischen Wechselspannung an Polen eines Batteriemodule (1 1 -1 ,1 1 -2, ... ,1 1 -n) umfassenden Batteriesystems (70-1 , 70-m), wobei das Batteriesystem (70-1 , 70-m) erlaubt, jedes der Batteriemodule (1 1 -1 ,1 1 -2, ... ,1 1 -n) individuell mit den Polen elektrisch zu verbinden oder von den Polen elektrisch zu trennen, und wobei die Wechselspannung durch Änderung elektrischer Verbindungszustände der Batteriemodule mit den Polen erzeugt wird und wobei in einer Halbperiode jedes Batteriemodul unterschiedlich lange elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
eine jeweilige Zeitdauer, während der ein jeweiliges Batteriemodul während der Halbperiode elektrisch verbunden ist, zumindest einer Position des jeweiligen Batteriemoduls in einer Batteriemodulliste zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren für jedes der
Batteriemodule die Schritte umfasst:
Messung von einem Verlauf zumindest einer Spannung des jeweiligen Batteriemoduls;
Verwendung des gemessenen Verlaufs zur Bestimmung eines
Abnutzungszustands des jeweiligen Batteriemoduls;
wobei das Verfahren weiterhin den Schritt umfasst: Verwendung der bestimmten Zustände zur Anordnung der Batteriemodule in der Batteriemodulliste, so dass die Batteriemodule in der Batteriemodulliste nach ansteigender Abnutzung angeordnet sind, wobei die jeweilige
Zeitdauer desto länger ist je weniger abgenutzt das jeweilige Batteriemodul ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Batteriemodul, das in einer der Halbperiode unmittelbar vorangehenden Halbperiode für eine längste Zeitdauer verbunden war, in der Halbperiode für eine kürzeste Zeitdauer verbunden wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die jeweilige Zeitdauer aus durch mindestens eine Unterbrechung voneinander getrennten
Teilzeitdauern besteht, und wobei Anzahl und Dauer der Unterbrechungen von einer durch das jeweilige Batteriemodul zur Verfügung gestellten Spannung und einem gewünschten Spannungsverlauf der
Wechselspannung zwischen einem Anfangszeitpunkt einer zeitlich ersten der Teilzeitdauern und einem Endzeitpunkt einer zeitlich letzten der Teilzeitdauern abhängt.
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