WO2016012202A1 - Verfahren zum schalten der batteriezellen einer batterie und zugehöriges batteriesystem - Google Patents

Verfahren zum schalten der batteriezellen einer batterie und zugehöriges batteriesystem Download PDF

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probability
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Philipp Hartmann
Philipp Hillenbrand
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for switching a plurality of battery cells of a battery designed as an electrochemical energy store.
  • the invention also relates to a battery system with a trained as an electrochemical energy storage battery with multiple
  • Battery cell units each comprising a battery cell and a battery cell associated battery cell monitoring module.
  • FIG. 1 shows a battery system 10 known from the prior art, which comprises a battery 1 1 with a plurality of battery cell units (Smart Cell Unit SCU) 20, each having a battery cell 21 and a battery cell monitoring module (battery cell electronic module or battery cell electronics) assigned to the battery cell 21. 22 have.
  • Smart Cell Unit SCU Smart Cell Unit SCU
  • battery cell monitoring module battery cell electronic module or battery cell electronics
  • Battery cell monitoring modules 22 allow individual control of the individual battery cells 21. To generate an output voltage
  • the battery system 10 includes a central control unit (CCU) 30 for controlling the battery system 10.
  • CCU central control unit
  • the battery cells 21 can be introduced in each case in positive or negative polarity relative to the tap of the output voltage U of the battery 1 1 in the series circuit.
  • a regulated output voltage (total output voltage) U of the battery 1 1 individual battery cells 21 are further switched off in each case by means of the associated battery cell monitoring module 22, that is, the researchercampusden battery cells 21 are disconnected from the series connection by the terminals of each implicacampusden battery cell 21 by means of the associated Battery cell monitoring module 22 are electrically connected, whereby the corresponding battery cells 21 are bridged. Consequently, the battery cells 21 connected to the series connection can each be in a switching state designated as "positively connected” or in a further switching state designated as "negatively connected”. Further, the battery cells 21 separated from the series circuit may be in a switching state called "bypassed".
  • Control function is implemented by the central control unit 30, which is designed as a central controller realized with little effort.
  • Communication interface 31 formed via the central control unit 30 only a single message, which includes the current control variables P1 and P2, to all battery cell monitoring modules 22. All battery cell monitoring modules 22 receive the same message and switch the respectively assigned battery cells 21 of FIG Series connection either autonomously to or bypass each
  • the central control unit 30 outputs the two control quantities P1, P2 in the form of two between 0 and 1
  • each battery cell monitoring module 22 is a gleichverteilter
  • Random process is executed, which interprets P1 as a first probability, designated as switch-on probability, with which each switched-off battery cell 21 will turn on, and P2 as one
  • the central control unit 30 performs the control variables P1 and P2 so that the smallest possible difference (control difference) between a current output voltage U of the battery 1 1 and a desired output voltage Us of the battery 1 1 occurs.
  • Battery cell health balance (battery cell balancing) is achieved by the simultaneous use of a weighted life for the battery cells 21.
  • each battery cell monitoring module 22 scales the relevant one
  • Control variable P1 or P2 that is, the identically received and in
  • control variable P1 or P2 Dependent on the switching state of the associated battery cell 21 selected control variable P1 or P2, depending on a figure of merit, which is calculated in dependence on a state of charge (SOC) and an aging state (SOH) of the associated battery cell 21.
  • SOC state of charge
  • SOH aging state
  • Battery cell function state equalization method has been found that a battery cell function state compensation can be achieved only if the quality factors of the battery cells 21 are greatly different from each other. Will one dependent on the states of charge of the battery cells 21
  • a method for switching a plurality of battery cells of a battery designed as an electrochemical energy store.
  • the battery cells are each electrically coupled to the battery with a corresponding first probability and in each case electrically decoupled from the battery with a corresponding second probability.
  • the battery cells are connected in series with each other.
  • a first quality factor as a function of a state of charge and an aging state of the corresponding battery cell calculated.
  • an average first quality factor which corresponds to an average value of the first quality factors of the battery cells, is determined.
  • a second quality factor as a linear, in particular monotonically increasing function of the difference between the first quality factor of the corresponding battery cell and the
  • Battery cell determines the corresponding first probability and the corresponding second probability respectively as a function of the calculated second quality factor of the corresponding battery cell.
  • a battery system with a as a
  • electrochemical energy storage battery formed with several
  • Battery cell units each comprising a battery cell and a battery cell associated battery cell monitoring module.
  • each battery cell monitoring module is designed to electrically couple the associated battery cell to the battery with a corresponding first probability and to electrically decouple it from the battery with a corresponding second probability.
  • the battery cells by means of the associated battery cell monitoring modules in series with each other can be switched.
  • each battery cell monitoring module is configured to calculate a first quality factor of the associated battery cell as a function of a state of charge and of an aging state of the corresponding battery cell.
  • the battery system comprises a central control unit, which is designed to be an average first
  • Quality factor which is an average value of the first quality factors of the
  • Battery cells corresponds to determine and to each
  • each one is
  • Battery cell monitoring module further adapted to a second
  • an average first figure of merit (a mean first figure of merit of all participating battery cells) is determined and communicated from the central control unit to all battery cell monitoring modules, each calculating a second figure of merit as a function of the first figure of merit of the associated battery cell and the received average first figure of merit ,
  • the second quality factor G2i for each battery cell is determined and communicated from the central control unit to all battery cell monitoring modules, each calculating a second figure of merit as a function of the first figure of merit of the associated battery cell and the received average first figure of merit ,
  • the second quality factor G2i for each battery cell is determined and communicated from the central control unit to all battery cell monitoring modules, each calculating a second figure of merit as a function of the first figure of merit of the associated battery cell and the received average first figure of merit ,
  • the second quality factor G2i for each battery cell is determined and communicated from the central control unit to all battery cell monitoring modules, each calculating a second figure of merit as a function of the first figure of merit of the associated battery cell and the
  • Relation (1) determines:
  • G2i ((G1 i -G1) / C) + 0.5, where C is a particular positive constant, 0 ⁇ G1 i ⁇ 1, 0 ⁇ G1 ⁇ 1 and 0 ⁇ G2i ⁇ 1, in particular 0.1 ⁇ G2i ⁇ 0.9. (1 )
  • C is an especially positive constant
  • i is a natural number lying between 1 and a number n of the battery cells of the battery
  • G2i is the second quality factor of the i-th battery cell
  • G1 i is the first quality factor of the corresponding i te battery cell
  • G1 the average first figure of merit, the average value of the first quality factors of the battery cells of the
  • the corresponding first probability for each battery cell is a linear monotonically increasing function of the second quality factor of the corresponding battery cell and the corresponding second probability for each battery cell is a linear monotonically decreasing function of the second quality factor corresponding battery cell.
  • the corresponding first probability for each battery cell is a linear monotonically increasing function of the second quality factor of the corresponding battery cell and the corresponding second probability for each battery cell is a linear monotonically decreasing function of the second quality factor corresponding battery cell.
  • the corresponding first probability for each battery cell is a linear monotonically increasing function of the second quality factor of the corresponding battery cell and the corresponding second probability for each battery cell is a linear monotonically decreasing function of the second quality factor corresponding battery cell.
  • each battery cell electrically decoupled from the battery, that is, each switched off
  • Battery cell with a first probability, which is a monotonically increasing function of the second quality factor of the corresponding battery cell, electrically coupled to the battery, that is, turned on and each
  • Quality factor of the corresponding battery cell is off. It is further preferred that during a charging process the battery is switched off.
  • Battery cell with a first probability which is a monotonically decreasing function of the second quality factor of the corresponding battery cell, turned on and off each powered-up battery cell with a corresponding second probability, which is a monotonically increasing function of the second quality factor of the corresponding battery cell.
  • the second figure of merit of each battery cell is a monotonically increasing function of the difference between the first figure of merit of the corresponding one
  • Battery cell and the average first quality factor and during a discharge of the battery for each battery cell are the first corresponding first probability of a monotonically increasing and the second corresponding second probability monotonic decreasing function of the second
  • Quality factor of the corresponding battery cell It is thereby achieved that during a discharging operation of the battery, battery cells having a first figure of merit whose difference G1 i -G1 is greater, more often turned on and less frequently turned off, that is, be discharged more than battery cells each having a first figure of merit whose difference G1 i-G1 is smaller.
  • the second figure of merit of each battery cell is a monotonically increasing function of the difference between the first figure of merit of the corresponding one
  • Battery cell and the average first figure of merit and during a charging of the battery for each battery cell are the corresponding first
  • the first quality factor of each battery cell is a monotonically increasing function of the state of charge of the corresponding battery cell.
  • a battery cell function state compensation can be carried out, by means of which even smaller state of charge differences between the battery cells of, for example, less than 5% can be effectively compensated.
  • the average value of the first quality factors of the battery cells is preferably calculated directly from the values of the first quality factors of the battery cells.
  • Value for the first figure of merit of each battery cell is transmitted by means of the corresponding battery cell monitoring module to the central control unit, which then calculates the average value of the first quality factors of the battery cells directly from the values of the first quality factors of the battery cells and transmits this to each battery cell monitoring module.
  • the average value of the first quality factors of the battery cells for generating a desired output voltage of the battery can be specified for determining the average quality factor.
  • a current output voltage of the battery is measured. Preference is given in the presence of one to the desired
  • Output voltage is the average value of the first figure of merit
  • Battery cells increased during a discharge of the battery and / or reduced during a charging of the battery.
  • the statistical mean value of the output voltage of the battery is influenced by the first probabilities with which the battery cells are switched on and by the second probabilities with which the battery cell is switched off. Because the first
  • Probabilities and accordingly the second probabilities are each dependent on the second quality factor of the corresponding battery cell, and that the second quality factors of the battery cells are each dependent on the average first figure of merit, the statistical average of the output voltage of the battery is dependent on the average first
  • the measured ones are actual
  • the battery cell modules do not have to transmit the respectively calculated value for the first quality factor of the respective associated battery cell to the central control unit.
  • the average first quality factor is first estimated by the central control unit and then iteratively approximated to the real value of the average first figure of merit and then transmitted to each battery cell module. So the average first Quality factor without information flow between the
  • a first control variable scaled by a first factor is preferred as the corresponding first probability and a second control variable scaled by a second scaling factor is the one
  • the first control variable and the second control variable are each independent of the first quality factor of the corresponding battery cell and of the second quality factor of the corresponding battery cell. Also, for each battery cell, the corresponding first factor and the corresponding second factor are respectively predefined as a function of the second quality factor of the corresponding battery cell.
  • the corresponding first factor during a discharging operation of the battery may be equal to the second quality factor of the corresponding battery cell.
  • the corresponding second factor during a charging process of the battery can be equal to the second quality factor of the corresponding battery cell.
  • the same first control variable and the same second control variable are used for all battery cells.
  • Control variable and the second control variable specified Preferably, a current output voltage of the battery is measured and compared with the desired output voltage of the battery. Further, in the presence of a difference between the current output voltage and the desired output voltage, the first control quantity and the second control value are changed such that the amount of the difference between the current
  • the measured actual output voltage and the desired output voltage are preferably not instantaneous values of the corresponding voltages, but such averaged values of the corresponding voltages or statistical values calculated over several control cycles
  • the battery cells of a battery of a battery system according to the invention are lithium-ion battery cells.
  • Another aspect of the invention relates to a vehicle having a
  • Figure 1 is a known from the prior art battery system
  • Figure 2 shows a battery system according to a first embodiment of
  • FIG. 2 shows a battery system 100 according to the invention according to a first embodiment of the invention.
  • the battery system 100 according to the invention formed as an electrochemical energy storage battery 1 1 1 with multiple battery cell units 120, each having a battery cell 21 and the battery cell 21 associated battery cell monitoring module 122.
  • each battery cell 21 is formed as an electrochemical energy storage battery 1 1 1 with multiple battery cell units 120, each having a battery cell 21 and the battery cell 21 associated battery cell monitoring module 122.
  • Battery cell monitoring module 122 adapted to the associated
  • Battery cell units 122 of the battery system 100 according to the invention provided such that when the corresponding battery cells 21 are turned on, they are connected in series, that is, the switched-battery cells 21 can also be inserted in positive or negative polarity in a series connection here.
  • the battery system 100 according to the invention differs from the battery system shown in Figure 1 by the functionality of the
  • Battery cell 21 associated battery cell monitoring modules 122 are to
  • Battery cell monitoring module 122 described in more detail.
  • Each battery cell monitoring module 122 is designed to calculate a first quality factor G1 i of the associated battery cell 21 as a function of a charge state LZi and of an aging state AZi of the associated battery cell 21. Furthermore, each one is
  • Battery cell monitoring module according to the invention 122 designed to a second figure of merit G2i the associated battery cell 21 according to the relation (1 a), a special case in the general description already
  • i is a natural number lying between 1 and a number n of the battery cells 21 of the battery 11, and G2i is the second quality factor of the ith
  • G1 i is the first figure of merit of the corresponding i-th battery cell and G1 the average first figure of merit, which corresponds to the average value of the first quality factors G1 i of the battery cells 21 of the battery 1 1 1.
  • the central control unit 30 is also in the
  • Battery system 100 designed to be the first control variable
  • each battery cell monitoring module 122 via the communication path 31 to transmit. Furthermore, each battery cell monitoring module 122 according to the invention is configured, for the associated battery cell 21, the first control variable P1 scaled by a corresponding first factor f1i as the corresponding first probability P1i and the second control variable P2 scaled by a second factor f2i as the corresponding second probability P2i to use.
  • each battery cell monitoring module 122 is designed to determine a corresponding first probability P1 i according to relation (2) and a corresponding second probability P2i according to relation (3) during a discharging process of the battery 1 1 1 for the associated battery cell 21:
  • P1 is the first control quantity and P2 is the second control quantity
  • f1i is the corresponding first factor
  • f2i is the corresponding second factor
  • G2i is the corresponding second figure of merit.
  • Battery cell function state balancing (balancing) of the battery cells 21 of a battery 1 1 1 achieved even in the presence of lower state of charge differences LZi between the battery cells 21, if for each battery cell 21, a second figure of merit G2i as a function of the average first figure of merit G1, the average value of the first figure of merit G1 i all battery cells 21 of the battery 1 1 1 corresponds, is calculated.
  • a second figure of merit G2i as a function of the average first figure of merit G1
  • Battery cell function state equalization can be achieved, for example, by the
  • the central control unit 30 is adapted to
  • the average first quality factor G1 Determining the average first quality factor G1 to calculate the average value of the first quality factors G1 i of all battery cells 21 of the battery 1 1 1 directly from the values of the calculated first quality factors G1 i of the battery cells 21 transmitted by the battery cell monitoring modules 122 and the thus determined average first quality factor G1 the
  • the average value of the first quality factors G1 i of the battery cells 21 can be determined by means of the central control unit 30 without information flow from the
  • Battery cell monitoring modules 122 can be estimated, since the statistical mean value of the output voltage U of the battery 1 1 1 is influenced by the invention carried out scaling of the received control variable P1, P2 and therefore depends on the average first figure of merit G1.
  • Battery 1 1 1 is greater than a desired output voltage Us of the battery 1 1 1, a value for the average first quality factor G1 has been estimated, which is smaller than the actual value of the average first figure of merit G1. Furthermore, this means that when the output voltage U of the battery 1 1 1 during a charging of the battery 1 1 1 smaller than a desired
  • Output voltage U of the battery 1 1 1 during a charging of the battery 1 1 1 is greater than a desired output voltage Us of the battery 1 1 1, a value for the average first figure of merit G1 was estimated to be greater than the actual value of the average first figure of merit G1 is. Consequently, the value for the average first figure of merit G1 during a discharging operation of the battery 1 1 1 according to the rules given in relations (6) and (7) and during a charging of the battery 1 1 1 1 according to the in the relations (8) and (9) are iteratively approximated to the real value of the average first figure of merit G1.
  • the estimated value for the average first quality factor G1 is reduced, and (6) is during a discharging process the battery 1 1 1, the output voltage U of the battery is greater than the desired output voltage Us of the battery 1 1 1, then the estimated value for the average first figure of merit G1 is increased. (7)
  • the output voltage U of the battery 1 1 1 is smaller than the desired output voltage Us of the battery 11 during a charging process of the battery 11, the estimated value for the average first quality factor G1 is increased, and (8) is during a charging process the battery 1 1 1, the output voltage U of

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Schalten von mehreren Batteriezellen (21) einer als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten Batterie (111), wobei die Batteriezellen (21) jeweils mit einer entsprechenden ersten Wahrscheinlichkeit P1i an die Batterie (111) elektrisch gekoppelt werden und jeweils mit einer entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeit P2i von der Batterie (111) elektrisch entkoppelt werden. Dabei sind die Batteriezellen (21) in Reihe miteinander schaltbar. Bei dem Verfahren wird für jede Batteriezelle (21) ein erster Gütefaktor Gi in Abhängigkeit von einem Ladezustand LZi und von einem Alterungszustand AZi der entsprechenden Batteriezelle (21 ) berechnet. Auch wird ein durchschnittlicher erster Gütefaktor G1, der einem Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren G1i der Batteriezellen (21) entspricht, bestimmt. Ferner wird für jede Batteriezelle (21) ein zweiter Gütefaktor G2i als eine lineare insbesondere monoton steigende Funktion von der Differenz zwischen dem ersten Gütefaktor G1i der entsprechenden Batteriezelle (21) und dem durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 berechnet. Dabei werden für jede Batteriezelle (21) die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P1i und die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i jeweils in Abhängigkeit von dem berechneten zweiten Gütefaktor G2i der entsprechenden Batteriezelle (21) bestimmt.

Description

Beschreibung Titel
VERFAHREN ZUM SCHALTEN DER BATTERIEZELLEN EINER BATTERIE UND ZUGEHÖRIGES BATTERIESYSTEM
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten von mehreren Batteriezellen einer als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten Batterie. Auch betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten Batterie mit mehreren
Batteriezelleinheiten, die jeweils eine Batteriezelle und ein der Batteriezelle zugeordnetes Batteriezellüberwachungsmodul umfassen.
Stand der Technik
In der Figur 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem 10 dargestellt, das eine Batterie 1 1 mit mehreren Batteriezelleinheiten (Smart Cell Unit SCU) 20 umfasst, die jeweils eine Batteriezelle 21 und ein der Batteriezelle 21 zugeordnetes Batteriezellüberwachungsmodul (Batteriezellelektronikmodul beziehungsweise Batteriezellelektronik) 22 aufweisen. Zur Vereinfachung der Darstellung aus der Figur 1 wurden nur zwei Batteriezelleinheiten skizziert und jeweils mit dem Bezugszeichen 20 versehen. Die
Batteriezellüberwachungsmodule 22 ermöglichen eine individuelle Steuerung der einzelnen Batteriezellen 21. Zur Erzeugung einer Ausgangsspannung
(Gesamtausgangsspannung) U der Batterie 1 1 , die auch als die
Ausgangsspannung U des Batteriesystems 10 dient, sind die
Batteriezellüberwachungsmodule 22 in einer Reihenschaltung über eine
Verbindungsstrecke miteinander verbunden. Das Batteriesystem 10 umfasst ferner eine zentrale Steuereinheit (Central Control Unit CCU) 30 zur Steuerung des Batteriesystems 10.
Zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung
(Gesamtausgangsspannung) U der Batterie 1 1 werden einzelne Batteriezellen 21 jeweils mittels des zugeordneten Batteriezellüberwachungsmoduls 22
eingeschaltet, das heißt, dass die Batteriezellen 21 jeweils in positiver oder negativer Polarität relativ zum Abgriff der Ausgangsspannung U der Batterie 1 1 in die Reihenschaltung eingebracht werden können. Zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung (Gesamtausgangsspannung) U der Batterie 1 1 werden ferner einzelne Batteriezellen 21 jeweils mittels des zugeordneten Batteriezellüberwachungsmoduls 22 ausgeschalten, das heißt, dass die auszuschaltenden Batteriezellen 21 von der Reihenschaltung getrennt werden, indem die Anschlussklemmen jeder auszuschaltenden Batteriezelle 21 mittels des zugeordneten Batteriezellüberwachungsmoduls 22 elektrisch verbunden werden, wodurch die entsprechenden Batteriezellen 21 überbrückt werden. Die zu der Reihenschaltung zugeschalteten Batteriezellen 21 können sich folglich jeweils in einem als„positiv zugeschaltet" bezeichneten Schaltzustand oder in einem weiteren als„negativ zugeschaltet" bezeichneten Schaltzustand befinden. Ferner können sich die von der Reihenschaltung getrennten Batteriezellen 21 in einem als„überbrückt" bezeichneten Schaltzustand befinden.
In solchen Batteriesystemen 10 (SmartCell-Batteriesystemen) erfolgt die
Entscheidung über die Änderung des Schaltzustandes der Batteriezellen 21 dezentral in den jeweiligen Batteriezellüberwachungsmodulen 22. Die eigentliche
Regelungsfunktion wird durch die zentrale Steuereinheit 30, die als ein aufwandsarm realisierter zentraler Regler ausgebildet ist, umgesetzt.
Dabei erfolgt in dem Batteriesystem 10 eine Vorgabe einer ersten Steuergröße P1 und einer zweiten Steuergröße P2 über eine als eine unidirektionale
Kommunikationsschnittstelle ausgebildete Kommunikationsstrecke 31 , über die von der zentralen Steuereinheit 30 nur eine einzige Nachricht, die die aktuellen Steuergrößen P1 und P2 umfasst, an alle Batteriezellüberwachungsmodule 22 gesendet wird. Alle Batteriezellüberwachungsmodule 22 empfangen dieselbe Nachricht und schalten die jeweils zugeordnete Batteriezellen 21 der Reihenschaltung entweder autonom zu oder überbrücken die jeweils
zugeordneten Batteriezellen 21 durch die entsprechenden in den
Batteriezellüberwachungsmodule 22 jeweils vorhandenen Schalter (nicht dargestellt). Gemäß eines Steuerungsalgorithmus gibt die zentrale Steuereinheit 30 die zwei Steuergröße P1 , P2 in Form von zwei zwischen 0 und 1 liegenden
Zahlenwerten vor, welche über die Kommunikationsstrecke 31 von der zentrale Steuereinheit (CCU) 30 zu den Batteriezellüberwachungsmodulen (SCU) 22 übertragen und gleichermaßen von allen Batteriezellüberwachungsmodulen 22 empfangen werden. Dabei gilt 0 < P1 < 1 und 0 < P2 < 1 .
In jedem Batteriezellüberwachungsmodul 22 wird ein gleichverteilter
Zufallsprozess ausgeführt, welcher P1 als eine als Einschaltwahrscheinlichkeit bezeichnete erste Wahrscheinlichkeit interpretiert, mit der jede ausgeschaltete Batteriezellen 21 einschalten wird, und P2 als eine als
Ausschaltwahrscheinlichkeit bezeichnete zweite Wahrscheinlichkeit interpretiert, mit der jede eingeschalteten Batteriezelle 21 ausschaltet wird. Die zentrale Steuereinheit 30 führt die Steuergrößen P1 und P2 so nach, dass eine möglichst kleine Differenz (Regeldifferenz) zwischen einer aktuellen Ausgangsspannung U der Batterie 1 1 und einer gewünschten Ausgangsspannung Us der Batterie 1 1 auftritt.
Zusätzlich zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung U der Batterie 1 1 kann eine einfache Erweiterung des durch die zentrale Steuereinheit 30 durchgeführten Steuerungsalgorithmus so stattfinden, dass ein aktiver
Batteriezellfunktionszustandsausgleich (Batteriezellbalancing) durch die gleichzeitige Verwendung einer gewichteten Nutzungsdauer für die Batteriezellen 21 erreicht wird.
Dazu skaliert jedes Batteriezellüberwachungsmodul 22 die relevante
Steuergröße P1 oder P2, das heißt, die identisch empfangene und in
Abhängigkeit von dem Schaltzustand der zugeordneten Batteriezelle 21 ausgewählte Steuergröße P1 oder P2, in Abhängigkeit von einem Gütefaktor, der in Abhängigkeit von einem Ladungszustand (SOC) und einem Alterungszustand (SOH) der zugeordneten Batteriezelle 21 berechnet wird. Im Ergebnis werden ausgeschaltete Batteriezellen 21 mit einem höheren Gütefaktor mit einer größerer Wahrscheinlichkeit während eines Entladevorgangs eingeschaltet als Batteriezellen 21 mit einem niedrigeren (geringeren) Gütefaktor. Umgekehrt werden Batteriezellen 21 mit einem niedrigeren Gütefaktor mit größerer
Wahrscheinlichkeit während eines Entladevorgangs ausgeschaltet, als
Batteriezellen 21 mit einem höheren Gütefaktor. Im zeitlichen Mittel werden
Batteriezellen 21 mit einem niedrigeren Gütefaktor weniger häufig belastet, wodurch ein aktiver Batteriezellfunktionszustandsausgleich der Batteriezellen 21 erreicht wird. Bei der Realisierung des oben beschriebenen
Batteriezellfunktionszustandsausgleich-Verfahrens hat sich herausgestellt, dass ein Batteriezellfunktionszustandsausgleich nur dann erreicht werden kann, wenn sich die Gütefaktoren der Batteriezellen 21 stark voneinander unterscheiden. Wird ein von den Ladezuständen der Batteriezellen 21 abhängiges
Batteriezellfunktionszustandsausgleich-Verfahren verwendet, so lässt sich der
Effekt eines so durchgeführten Batteriezellfunktionszustandsausgleichs beim Vorliegen von Ladezustandsunterschieden zwischen den Batteriezellen 21 , die kleiner als 5% sind, kaum noch erkennen. Durch die Verwendung eines statistischen, wie zuvor beschriebenen Steueralgorithmus (Regelalgorithmus), werden die Batteriezellen 21 in Abhängigkeit von der statistischen Schwankung belastet. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass dieser Effekt bei dem bisher verwendeten Batteriezellzustandsausgleich-Verfahrens überwiegt. Dies führt dazu, dass sich die Ladezustände der Batteriezellen 21 einer Batterie 1 1 eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems 10 stets im Bereich von 0 bis 5% untereinander unterscheiden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Schalten von mehreren Batteriezellen einer als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten Batterie bereitgestellt. Dabei werden die Batteriezellen jeweils mit einer entsprechenden ersten Wahrscheinlichkeit an die Batterie elektrisch gekoppelt und jeweils mit einer entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeit von der Batterie elektrisch entkoppelt. Dabei sind die Batteriezellen in Reihe miteinander schaltbar. Bei dem Verfahren wird für jede Batteriezelle ein erster Gütefaktor in Abhängigkeit von einem Ladezustand und von einem Alterungszustand der entsprechenden Batteriezelle berechnet. Ferner wird ein durchschnittlicher erster Gütefaktor, der einem Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren der Batteriezellen entspricht, bestimmt. Auch wird für jede Batteriezelle einen zweiten Gütefaktor als eine lineare insbesondere monoton steigende Funktion von der Differenz zwischen dem ersten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle und dem
durchschnittlichen ersten Gütefaktor berechnet. Dabei werden für jede
Batteriezelle die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit und die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit jeweils in Abhängigkeit von dem berechneten zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle bestimmt.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Batteriesystem mit einer als ein
elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten Batterie mit mehreren
Batteriezelleinheiten bereitgestellt, die jeweils eine Batteriezelle und ein der Batteriezelle zugeordnetes Batteriezellüberwachungsmodul umfassen. Dabei ist jedes Batteriezellüberwachungsmodul dazu ausgebildet, die zugeordnete Batteriezelle mit einer entsprechenden ersten Wahrscheinlichkeit an die Batterie elektrisch zu koppeln und mit einer entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeit von der Batterie elektrisch zu entkoppeln. Dabei sind die Batteriezellen mittels der zugeordneten Batteriezellüberwachungsmodule in Reihe miteinander schaltbar. Ferner ist jedes Batteriezellüberwachungsmodul dazu ausgebildet, einen ersten Gütefaktor der zugeordneten Batteriezelle in Abhängigkeit von einem Ladezustand und von einem Alterungszustand der entsprechenden Batteriezelle zu berechnen. Weiterhin umfasst das Batteriesystem eine zentrale Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, einen durchschnittlichen ersten
Gütefaktor, der einem Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren der
Batteriezellen entspricht, zu bestimmen und an jedes
Batteriezellüberwachungsmodul zu übermitteln. Auch ist jedes
Batteriezellüberwachungsmodul ferner dazu ausgebildet, einen zweiten
Gütefaktor der zugeordneten Batteriezelle als eine lineare insbesondere monoton steigende Funktion von der Differenz zwischen dem ersten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle und dem durchschnittlichen ersten Gütefaktor zu berechnen und die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit und die
entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit jeweils in Abhängigkeit von dem berechneten zweiten Gütefaktor der zugeordneten Batteriezelle zu bestimmen. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei der Erfindung wird ein durchschnittlicher erster Gütefaktor (ein mittlerer erster Gütefaktor aller beteiligten Batteriezellen) bestimmt und von der zentralen Steuereinheit an alle Batteriezellüberwachungsmodule übermittelt, die jeweils einen zweiten Gütefaktor in Abhängigkeit von dem ersten Gütefaktor der zugeordneten Batteriezelle und von dem empfangenen durchschnittlichen ersten Gütefaktor berechnen. Vorzugsweise wird der zweite Gütefaktor G2i für jede Batteriezelle gemäß der
Relation (1 ) bestimmt:
G2i = ((G1 i - G1 ) / C) + 0,5, wobei C eine insbesondere positive Konstante ist, 0 < G1 i < 1 , 0 < G1 < 1 und 0 < G2i < 1 , insbesondere 0,1 < G2i < 0,9 ist. (1 )
In der Relation (1 ) sind C eine insbesondere positive Konstante, i eine natürliche Zahl, die zwischen 1 und einer Anzahl n der Batteriezellen der Batterie liegt, G2i der zweite Gütefaktor der i-te Batteriezelle, G1 i der erste Gütefaktor der entsprechenden i-te Batteriezelle und G1 der durchschnittliche erste Gütefaktor, der dem Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren der Batteriezellen der
Batterie entspricht. Ist C in der Relation (1 ) eine positive Konstante, so ist der zweite Gütefaktor jeder Batteriezelle eine lineare monoton steigende Funktion von der Differenz zwischen dem ersten Gütefaktor der entsprechenden
Batteriezelle und dem durchschnittlichen ersten Gütefaktor.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist während eines Entladevorganges der Batterie die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit für jede Batteriezelle eine lineare monoton steigende Funktion von dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle und die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit für jede Batteriezelle eine lineare monoton fallende Funktion von dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle. Vorzugsweise ist während eines Ladevorganges der Batterie die entsprechende erste
Wahrscheinlichkeit für jede Batteriezelle eine lineare monoton fallende Funktion von dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle und die
entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit für jede Batteriezelle eine lineare monoton steigende Funktion von dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle.
Bevorzugt wird während eines Entladevorganges der Batterie jede von der Batterie elektrisch entkoppelte Batteriezelle, das heißt, jede ausgeschaltete
Batteriezelle, mit einer ersten Wahrscheinlichkeit, die eine monoton steigende Funktion von dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle ist, an die Batterie elektrisch gekoppelt, das heißt, eingeschaltet und jede
eingeschaltete Batteriezelle mit einer entsprechenden zweiten
Wahrscheinlichkeit, die eine monoton fallende Funktion von dem zweiten
Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle ist, ausgeschaltet. Weiter bevorzugt wird während eines Ladevorganges der Batterie jede ausgeschaltete
Batteriezelle mit einer ersten Wahrscheinlichkeit, die eine monoton fallende Funktion von dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle ist, eingeschaltet und jede eingeschaltete Batteriezelle mit einer entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeit, die eine monoton steigende Funktion von dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle ist, ausgeschaltet. Das bedeutet, dass während eines Entladevorganges der Batterie Batteriezellen mit größeren zweiten Gütefaktoren stärker als Batteriezellen mit kleineren zweiten Gütefaktoren entladen werden können. Das bedeutet ferner, dass während eines
Ladevorganges der Batterie Batteriezellen mit kleineren zweiten Gütefaktoren stärker als Batteriezelle mit größeren zweiten Gütefaktoren aufgeladen werden können. Der zweite Gütefaktor jeder Batteriezelle ist eine monoton steigende Funktion von der Differenz zwischen dem ersten Gütefaktor der entsprechenden
Batteriezelle und dem durchschnittlichen ersten Gütefaktor und während eines Entladevorganges der Batterie für jede Batteriezelle sind die erste entsprechende erste Wahrscheinlichkeit eine monoton steigende und die zweite entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit eine monoton fallende Funktion von dem zweiten
Gütefaktor der entsprechende Batteriezelle. Dadurch wird erreicht, dass während eines Entladevorganges der Batterie, Batteriezellen, die einen ersten Gütefaktor haben, dessen Differenz G1 i-G1 größer ist, öfter eingeschaltet und seltener ausgeschaltet werden, das heißt, stärker entladen werden, als Batteriezellen die jeweils einen ersten Gütefaktor haben, dessen Differenz G1 i-G1 kleiner ist. Der zweite Gütefaktor jeder Batteriezelle ist eine monoton steigende Funktion von der Differenz zwischen dem ersten Gütefaktor der entsprechenden
Batteriezelle und dem durchschnittlichen ersten Gütefaktor und während eines Ladevorganges der Batterie für jede Batteriezelle sind die entsprechende erste
Wahrscheinlichkeit eine monoton fallende und die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit eine monoton steigende Funktion von dem zweiten
Gütefaktor der entsprechende Batteriezelle. Dadurch wird erreicht, dass während eines Ladevorganges der Batterie, Batteriezellen, die einen ersten Gütefaktor haben, dessen Differenz G1 i-G1 kleiner ist, öfter eingeschaltet und seltener ausgeschaltet werden, das heißt, stärker aufgeladen werden als Batteriezellen die jeweils einen ersten Gütefaktor haben, dessen Differenz G1 i-G1 größer ist.
Vorzugsweise ist erste Gütefaktor jeder Batteriezelle eine monoton steigende Funktion von dem Ladezustand der entsprechenden Batteriezelle.
Folglich kann erfindungsgemäß ein Batteriezellfunktionszustandsausgleich durchgeführt werden, durch den auch kleinere Ladezustandsunterschiede zwischen den Batteriezellen von beispielsweise unter 5% effektiv ausgeglichen werden können.
Bevorzugt wird zur Bestimmung des durchschnittlichen ersten Gütefaktors der Durchschnittwert der ersten Gütefaktoren der Batteriezellen direkt aus den Werten der ersten Gütefaktoren der Batteriezellen berechnet. Vorzugsweise wird bei dieser Bestimmung des durchschnittlichen ersten Gütefaktors der berechnete
Wert für den ersten Gütefaktor jeder Batteriezelle mittels des entsprechenden Batteriezellüberwachungsmoduls an die zentrale Steuereinheit übermittelt, die dann den Durchschnittwert der ersten Gütefaktoren der Batteriezellen direkt aus den Werten der ersten Gütefaktoren der Batteriezellen berechnet und diesen an jedes Batteriezellüberwachungsmodul übermittelt.
Insbesondere kann zur Bestimmung des durchschnittlichen Gütefaktors der Durchschnittwert der ersten Gütefaktoren der Batteriezellen zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung der Batterie vorgegeben werden.
Vorzugsweise wird eine aktuelle Ausgangsspannung der Batterie gemessen. Bevorzugt wird beim Vorliegen einer gegenüber der gewünschten
Ausgangsspannung kleineren aktuellen Ausgangsspannung der
Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren der Batteriezellen während eines Entladevorganges der Batterie verringert und/oder während eines
Ladevorganges der Batterie erhöht. Weiter bevorzugt wird beim Vorliegen einer gegenüber der gewünschten Ausgangsspannung größeren aktuellen
Ausgangsspannung der Durchschnittwert der ersten Gütefaktoren der
Batteriezellen während eines Entladevorganges der Batterie erhöht und/oder während eines Ladevorganges der Batterie verringert.
Bei der soeben genannte Bestimmung des durchschnittlichen ersten Gütefaktors wird berücksichtigt, dass der statistische Mittelwert der Ausgangsspannung der Batterie von den ersten Wahrscheinlichkeiten, mit denen die Batteriezellen eingeschaltet werden, und von den zweiten Wahrscheinlichkeiten, mit denen die Batteriezelle ausgeschaltet werden, beeinflusst wird. Dadurch, dass die ersten
Wahrscheinlichkeiten und entsprechend auch die zweiten Wahrscheinlichkeiten jeweils von dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle abhängig sind, und dass die zweite Gütefaktoren der Batteriezellen jeweils von dem durchschnittlichen ersten Gütefaktor abhängig sind, ist der statistische Mittelwert der Ausgangsspannung der Batterie abhängig von dem durchschnittlichen ersten
Gütefaktor.
Bei der soeben genannten Bestimmung sind die gemessenen aktuellen
Ausgangsspannungen und die gewünschte Ausgangsspannung bevorzugt keine momentanen Werte der entsprechenden Spannungen, sondern über mehrere
Regelungszyklen berechnete Durchschnittswerte der entsprechenden
Spannungen oder statistische Mittelwerte der entsprechenden Spannungen.
Sehr vorteilhaft bei der soeben genannten Bestimmung des durchschnittlichen ersten Gütefaktors ist, dass die Batteriezellmodule den jeweils berechneten Wert für den ersten Gütefaktor der jeweils zugeordneten Batteriezelle nicht an die zentrale Steuereinheit übermitteln müssen. Hier wird der durchschnittliche erste Gütefaktor von der zentralen Steuereinheit zunächst geschätzt und dann iterativ an den realen Wert des durchschnittlichen ersten Gütefaktors angenähert und dann an jedes Batteriezellmodul übermittelt. So kann der durchschnittliche erste Gütefaktor ohne Informationsfluss zwischen den
Batteriezellüberwachungsmodulen und der zentralen Steuereinheit bestimmt werden.
Bevorzugt werden für jede Batteriezelle eine mit einem ersten Faktor skalierte erste Steuergröße als die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit und eine mit einem zweiten Skalierungsfaktor skalierte zweite Steuergröße als die
entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit verwendet. Dabei sind die erste Steuergröße und die zweite Steuergröße jeweils unabhängig von dem ersten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle und von dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle. Auch sind für jede Batteriezelle der entsprechend erste Faktor und der entsprechende zweite Faktor jeweils in Abhängigkeit von dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle vordefiniert.
Weiter bevorzugt ist für jede Batteriezelle die Summe zwischen dem
entsprechenden ersten Faktor f1 i und dem entsprechenden zweiten Faktor f2i gleich 1. Auch kann für jede Batteriezelle der entsprechende erste Faktor während eines Entladevorganges der Batterie gleich mit dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle sein. Ferner kann für jede Batteriezelle der entsprechende zweite Faktor während eines Ladevorganges der Batterie gleich mit dem zweiten Gütefaktor der entsprechenden Batteriezelle sein.
Vorzugsweise werden für alle Batteriezellen dieselbe erste Steuergröße und dieselbe zweite Steuergröße verwendet.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung der Batterie die erste
Steuergröße und die zweite Steuergröße vorgegeben. Vorzugsweise wird eine aktuelle Ausgangsspannung der Batterie gemessen und mit der gewünschten Ausgangsspannung der Batterie verglichen. Ferner werden beim Vorliegen einer Differenz zwischen der aktuellen Ausgangsspannung und der gewünschten Ausgangsspannung die erste Steuergröße und die zweite Steuergröße derartig verändert, dass der Betrag der Differenz zwischen der aktuellen
Ausgangsspannung und der gewünschten Ausgangsspannung minimiert wird. Auch hier sind die gemessene aktuelle Ausgangsspannung und die gewünschte Ausgangsspannung bevorzugt keine momentanen Werte der entsprechenden Spannungen, sondern solche über mehrere Regelungszyklen berechneten Durchschnittswerte der entsprechenden Spannungen oder statistische
Mittelwerte der entsprechenden Spannungen.
Vorzugsweise sind die Batteriezellen einer Batterie eines erfindungsgemäßen Batteriesystems Lithium-Ionen-Batteriezellen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem
erfindungsgemäßen Batteriesystem.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnungen im Detail beschrieben. Für gleiche Komponenten werden auch die gleichen Bezugszeichen verwendet. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem, und
Figur 2 ein Batteriesystem gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 100 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Sowie das in der Figur 1 dargestellte und aus dem Stand der Technik bekannte Batteriesystem umfasst das erfindungsgemäße Batteriesystem 100 eine als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildete Batterie 1 1 1 mit mehreren Batteriezelleinheiten 120, die jeweils eine Batteriezelle 21 und ein der Batteriezelle 21 zugeordnetes Batteriezellüberwachungsmodul 122. Auch bei dem erfindungsgemäße Batteriesystem 100 ist jedes
Batteriezellüberwachungsmodul 122 dazu ausgebildet, die zugeordnete
Batteriezelle 21 mit einer entsprechenden ersten Wahrscheinlichkeit P 1 i einzuschalten, das heißt, an die Batterie 1 1 1 elektrisch zu koppeln, und mit einer entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeit P2i auszuschalten, das heißt, von der Batterie 1 1 1 elektrisch zu entkoppeln. Ferner sind auch die
Batteriezelleinheiten 122 des erfindungsgemäßen Batteriesystems 100 derartig vorgesehen, dass wenn die entsprechenden Batteriezellen 21 eingeschaltet sind, diese in Reihe miteinander geschaltet sind, das heißt, dass auch hier die eingeschalteten Batteriezellen 21 jeweils in positiver oder negativer Polarität in eine Reihenschaltung eingebracht werden können.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem 100 unterscheidet sich von dem in der Figur 1 dargestellten Batteriesystem durch die Funktionalität der den
Batteriezellen 21 zugeordneten Batteriezellüberwachungsmodule 122. Die erfindungsgemäßen Batteriezellüberwachungsmodule 122 sind dazu
ausgebildet, eine andere Skalierung der von der zentralen Steuereinheit 30 vorgegebenen Steuergrößen P1 und P2 als die Batteriezellüberwachungsmodule des in der Figur 1 dargestellten Batteriesystems zu verwenden. Folglich sind die erfindungsgemäßen Batteriezellüberwachungsmodule 122 auch dazu
ausgebildet, die entsprechenden ersten Wahrscheinlichkeiten P1 i, mit denen die zugeordneten Batteriezellen 21 jeweils eingeschaltet werden, und die
entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeiten P2i, mit denen die zugeordneten Batteriezellen 21 jeweils ausgeschaltet werden, anders als die
Batteriezellüberwachungsmodule des in der Figur 1 dargestellten
Batteriesystems zu bestimmen. Dadurch wird ein effektiverer
Batteriezellfunktionszustandsausgleich der Batteriezellen 21 erreicht. Im
Folgenden wird die Funktionalität jedes erfindungsgemäßen
Batteriezellüberwachungsmoduls 122 näher beschrieben.
Jedes erfindungsgemäße Batteriezellüberwachungsmodul 122 ist dazu ausgebildet, einen ersten Gütefaktor G1 i der zugeordneten Batteriezelle 21 in Abhängigkeit von einem Ladezustand LZi und von einem Alterungszustand AZi der zugeordneten Batteriezelle 21 zu berechnen. Ferner ist jedes
erfindungsgemäße Batteriezellüberwachungsmodul 122 dazu ausgebildet, einen zweiten Gütefaktor G2i der zugeordneten Batteriezelle 21 gemäß der Relation (1 a), die einen Sonderfall der in der allgemeinen Beschreibung schon
eingeführten Relation (1 ) darstellt, zu berechnen: G2i = ((G1 i - G1 ) / C) + 0,5, wobei C eine positive Konstante ist,
0 < G1 i < 1 , 0 < G1 < 1 und 0 < G2i < 1 , insbesondere 0,1 < G2i < 0,9. (1 a)
In der Relation (1 a) ist i eine natürliche Zahl ist, die zwischen 1 und einer Anzahl n der Batteriezellen 21 der Batterie 1 1 1 liegt, G2i der zweite Gütefaktor der i-te
Batteriezelle, G1 i der erste Gütefaktor der entsprechenden i-te Batteriezelle und G1 der durchschnittliche erste Gütefaktor, der dem Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen 21 der Batterie 1 1 1 entspricht. Wie zuvor schon erwähnt, ist die zentrale Steuereinheit 30 auch bei dem
erfindungsgemäßen Batteriesystem 100 dazu ausgebildet, die erste Steuergröße
P1 und die zweite Steuergröße P2 vorzugeben und an die
Batteriezellüberwachungsmodule 122 über die Kommunikationstrecke 31 zu übermitteln. Weiterhin ist jedes erfindungsgemäße Batteriezellüberwachungsmodul 122 dazu ausgebildet, für die zugeordnete Batteriezelle 21 die mit einem entsprechenden ersten Faktor f1 i skalierte erste Steuergröße P1 als die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P1 i und die mit einem zweiten Faktor f2i skalierte zweite Steuergröße P2 als die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i zu verwenden.
Dabei ist jedes erfindungsgemäße Batteriezellüberwachungsmodul 122 dazu ausgebildet, während eines Entladevorganges der Batterie 1 1 1 für die zugeordnete Batteriezelle 21 eine entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P1 i gemäß der Relation (2) und eine entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i gemäß der Relation (3) zu bestimmen:
P1 i = f1 i · P1 = G2i · P1 (2) P2i = f2i · P2 = (1 - G2i) · P2 (3).
Auch ist jedes erfindungsgemäße Batteriezellüberwachungsmodul 122 dazu ausgebildet, während eines Ladevorganges der Batterie 1 1 1 für die zugeordnete Batteriezelle 21 eine entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P1 i gemäß der Relation (4) und eine entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i gemäß der Relation (5) zu bestimmen: P1 i = f1 i « P1 = (1 - G2i) « P1 (4)
P2i = f2i · P2 = G2i · P2 (5).
In den Relationen (2) bis (5) sind P1 die erste Steuergröße und P2 die zweite Steuergröße, f1 i der entsprechende erste Faktor, f2i der entsprechende zweite Faktor und G2i der entsprechende zweite Gütefaktor.
Zusammengefasst wird ein deutlich besserer
Batteriezellfunktionszustandsausgleich (Balancing) der Batteriezellen 21 einer Batterie 1 1 1 auch beim Vorliegen von geringeren Ladezustandsunterschieden LZi zwischen den Batteriezellen 21 erzielt, wenn für jede Batteriezelle 21 ein zweiter Gütefaktor G2i in Abhängigkeit des durchschnittlichen ersten Gütefaktors G1 , der dem Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren G1 i aller Batteriezellen 21 der Batterie 1 1 1 entspricht, berechnet wird. Ein besserer
Batteriezellfunktionszustandsausgleich kann beispielsweise durch die
Berechnungsvorschrift gemäß der Relation (1 a) in Kombination mit der
Skalierung der empfangenen Steuergrößen P1 , P2 gemäß den Relationen (2), (3), (4) und (5) erzielt werden. Je kleiner die Konstante C in der Relation (1 a) gewählt wird, desto stärker wirkt der Effekt des erfindungsgemäß durchgeführten Batteriezellfunktionszustandsausgleichs. Daher kann die Konstante C so gewählt werden, dass auch für kleine Unterschiede zwischen den ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen 21 der Batterie 1 1 1 ein signifikanter Effekt des
erfindungsgemäß durchgeführten Batteriezellfunktionszustandsausgleichs erzielt wird.
Vorzugsweise ist die zentrale Steuereinheit 30 dazu ausgebildet, zur
Bestimmung des durchschnittlichen ersten Gütefaktors G1 den Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren G1 i aller Batteriezellen 21 der Batterie 1 1 1 direkt aus den von den Batteriezellüberwachungsmodulen 122 übermittelten Werten der berechneten ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen 21 zu berechnen und den so bestimmten durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 an die
Batteriezellüberwachungsmodule 122 zu übermitteln. Zur alternativen Bestimmung des durchschnittlichen ersten Gütefaktors G1 kann der Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen 21 mittels der zentralen Steuereinheit 30 ohne Informationsfluss von den
Batteriezellüberwachungsmodulen 122 geschätzt werden, da der statistische Mittelwert der Ausgangsspannung U der Batterie 1 1 1 durch die erfindungsgemäß durchgeführte Skalierung der empfangenen Steuergröße P1 , P2 beeinflusst wird und daher von dem durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 abhängt. Für die Realisierung eines Batteriezellfunktionszustandsausgleich mit den in den Relationen (1 a), (2), (3), (4) und (5) dargestellten Berechnungsvorschriften bedeutet das, dass wenn die Ausgangsspannung U der Batterie 1 1 1 während eines Entladevorganges der Batterie 1 1 1 kleiner als eine gewünschte
Ausgangsspannung Us der Batterie 1 1 1 ist, ein Wert für den durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 geschätzt wurde, der größer als der tatsächliche Wert des durchschnittlichen ersten Gütefaktors G1 ist, und dass wenn die
Ausgangsspannung U der Batterie 1 1 1 während eines Entladevorganges der
Batterie 1 1 1 größer als eine gewünschte Ausgangsspannung Us der Batterie 1 1 1 ist, ein Wert für den durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 geschätzt wurde, der kleiner als der tatsächliche Wert des durchschnittlichen ersten Gütefaktors G1 ist. Ferner bedeutet das, dass wenn die Ausgangsspannung U der Batterie 1 1 1 während eines Ladevorganges der Batterie 1 1 1 kleiner als eine gewünschte
Ausgangsspannung Us der Batterie 1 1 1 ist, ein Wert für den durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 geschätzt wurde, der kleiner als der tatsächliche Wert des durchschnittlichen ersten Gütefaktors G1 ist, und dass wenn die
Ausgangsspannung U der Batterie 1 1 1 während eines Ladevorganges der Batterie 1 1 1 größer als eine gewünschte Ausgangsspannung Us der Batterie 1 1 1 ist, ein Wert für den durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 geschätzt wurde, der größer als der tatsächliche Wert des durchschnittlichen ersten Gütefaktors G1 ist. Folglich kann der Wert für den durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 während eines Entladevorganges der Batterie 1 1 1 gemäß den in den Relationen (6) und (7) angegebenen Vorschriften und während eines Ladevorganges der Batterie 1 1 1 gemäß den in den Relationen (8) und (9) angegebenen Vorschriften iterativ an den realen Wert des durchschnittlichen ersten Gütefaktors G1 angenähert werden. Ist während eines Entladevorganges der Batterie 1 1 1 die Ausgangsspannung U der Batterie 1 1 1 kleiner als die gewünschte Ausgangsspannung Us der Batterie 1 1 , dann wird der geschätzten Wert für den durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 verringert, und, (6) ist während eines Entladevorganges der Batterie 1 1 1 die Ausgangsspannung U der Batterie größer als die gewünschte Ausgangsspannung Us der Batterie 1 1 1 , dann wird der geschätzte Wert für den durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 erhöht. (7)
Ist während eines Ladevorganges der Batterie 1 1 1 die Ausgangsspannung U der Batterie 1 1 1 kleiner als die gewünschte Ausgangsspannung Us der Batterie 1 1 , dann wird der geschätzten Wert für den durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 erhöht, und, (8) ist während eines Ladevorganges der Batterie 1 1 1 die Ausgangsspannung U der
Batterie größer als die gewünschte Ausgangsspannung Us der Batterie 1 1 1 , dann wird der geschätzte Wert für den durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 verringert. (9) Dabei werden für die Ausgangsspannung U der Batterie 1 1 1 und für die gewünschte Ausgangsspannung Us der Batterie 1 1 1 bevorzugt keine
momentane Werte der entsprechenden Spannungen sondern solche über mehrere Regelungszyklen vorkommenden Durchschnittswerte der
entsprechenden Spannungen oder statistische Mittelwerte der entsprechenden Spannungen verwendet.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in der Figur 2 Bezug genommen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Schalten von mehreren Batteriezellen (21 ) einer als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten Batterie (1 1 1 ), wobei die Batteriezellen (21 ) jeweils mit einer entsprechenden ersten
Wahrscheinlichkeit P 1 i an die Batterie (1 1 1 ) elektrisch gekoppelt werden und jeweils mit einer entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeit P2i von der Batterie (1 1 1 ) elektrisch entkoppelt werden und wobei die
Batteriezellen (21 ) in Reihe miteinander schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Batteriezelle (21 ) ein erster Gütefaktor Gi in Abhängigkeit von einem Ladezustand LZi und von einem Alterungszustand AZi der entsprechenden Batteriezelle (21 ) berechnet wird, ein
durchschnittlicher erster Gütefaktor G1 , der einem Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) entspricht, bestimmt wird und für jede Batteriezelle (21 ) ein zweiter Gütefaktor G2i als eine lineare insbesondere monoton steigende Funktion von der Differenz zwischen dem ersten Gütefaktor (G1 i) der entsprechenden Batteriezelle (21 ) und dem durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 berechnet wird, wobei für jede Batteriezelle (21 ) die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P1 i und die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i jeweils in Abhängigkeit von dem berechneten zweiten Gütefaktor G2i der entsprechenden Batteriezelle (21 ) bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der zweite Gütefaktor G2i für jede
Batteriezelle (21 ) gemäß der folgenden Relation bestimmt wird:
G2i = ((G1 i - G1 ) / C) + 0,5, wobei C eine insbesondere positive Konstante ist, 0 < G1 i < 1 , 0 < G1 < 1 und 0 < G2i < 1 , insbesondere 0,1 < G2i < 0,9, und wobei i eine natürliche Zahl ist, die zwischen 1 und einer Anzahl n der Batteriezellen (21 ) der Batterie (1 1 1 ) liegt, G2i der zweite Gütefaktor der i-ten Batteriezelle, G1 i der erste Gütefaktor der entsprechenden i-te Batteriezelle und G1 der durchschnittliche erste Gütefaktor ist, der dem Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren der Batteriezellen (21 ) der Batterie (1 1 1 ) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei während eines Entladevorganges der Batterie (1 1 1 ) die entsprechende erste
Wahrscheinlichkeit P1 i für jede Batteriezelle (21 ) eine lineare monoton steigende Funktion von dem zweiten Gütefaktor G2i der entsprechenden Batteriezelle (21 ) und die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P 1 i für jede Batteriezelle (21 ) eine lineare monoton fallende Funktion von dem zweiten Gütefaktor G2i der entsprechenden Batteriezelle ist und/oder während eines Ladevorganges der Batterie (1 1 1 ) die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P1 i für jede Batteriezelle (21 ) eine lineare monoton fallende Funktion von dem zweiten Gütefaktor G2i der entsprechenden Batteriezelle (21 ) und die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i für jede Batteriezelle (21 ) eine lineare monoton steigende Funktion von dem zweiten Gütefaktor G2i der entsprechenden Batteriezelle (21 ) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur
Bestimmung des durchschnittlichen ersten Gütefaktors G1 der
Durchschnittwert der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) direkt aus den Werten der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) berechnet wird und/oder zur Bestimmung des durchschnittlichen
Gütefaktors G1 der Durchschnittwert der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung Us der Batterie (1 1 1 ) vorgegeben wird, vorzugsweise eine aktuelle Ausgangsspannung (U) der Batterie (1 1 1 ) gemessen wird, beim Vorliegen einer gegenüber der gewünschten Ausgangsspannung Us kleineren aktuellen Ausgangsspannung (U) der Durchschnittwert der ersten
Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) während eines Entladevorganges der Batterie (1 1 1 ) verringert wird und/oder während eines Ladevorganges der Batterie (1 1 1 ) erhöht wird und/ beim Vorliegen einer gegenüber der gewünschten Ausgangsspannung Us größeren aktuellen
Ausgangsspannung (U) der Durchschnittwert der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) während eines Entladevorganges der Batterie (1 1 1 ) erhöht wird und/oder während eines Ladevorganges der Batterie (1 1 1 ) verringert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für jede Batteriezelle (21 ) eine mit einem ersten Faktor f 1 i skalierte erste
Steuergröße P1 als die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P 1 i und eine mit einem zweiten Faktor f2i skalierte zweite Steuergröße P2 als die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i verwendet werden, wobei die erste Steuergröße P1 und die zweite Steuergröße P2 jeweils unabhängig von dem ersten Gütefaktor G1 i der entsprechenden Batteriezelle (21 ) und von dem zweiten Gütefaktor G2i der entsprechenden Batteriezelle (21 ) sind und der erste Faktor f1 i und der zweite Faktor f2i jeweils in Abhängigkeit von dem zweiten Gütefaktor G2i der entsprechenden Batteriezelle (21 ) vordefiniert sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei für jede Batteriezelle (21 ) die Summe zwischen dem entsprechenden ersten Faktor f1 i und dem entsprechenden zweiten Faktor f2i gleich 1 ist und/oder für jede Batteriezelle (21 ) der entsprechende erste Faktor f1 i während eines Entladevorganges gleich mit dem zweiten Gütefaktor G2i der entsprechenden Batteriezelle (21 ) ist und/oder für jede Batteriezelle (21 ) der entsprechende zweite Faktor f2i während eines Ladevorganges gleich mit dem zweiten Gütefaktor G2i der entsprechenden Batteriezelle (21 ) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei für alle Batteriezellen (21 ) dieselbe erste Steuergröße P1 und dieselbe zweite Steuergröße P2 verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Steuergröße P1 und die zweite Steuergröße P2 zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung Us der Batterie (1 1 1 ) vorgegeben werden und vorzugsweise eine aktuelle Ausgangsspannung (U) der Batterie (21 ) gemessen wird und mit der gewünschten Ausgangsspannung Us der Batterie (21 ) verglichen wird und bei Vorliegen einer Differenz zwischen der aktuellen Ausgangsspannung (U) und der gewünschten Ausgangsspannung Us die erste Steuergröße P1 und die zweite Steuergröße P2 derartig verändert werden, dass der Betrag der Differenz zwischen der aktuellen Ausgangsspannung (U) und der gewünschten Ausgangsspannung Us minimiert wird.
9. Batteriesystem (100) mit einer als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten Batterie (1 1 1 ) mit mehreren Batteriezelleinheiten (120), die jeweils eine Batteriezelle (21 ) und ein der Batteriezelle (21 ) zugeordnetes Batteriezellüberwachungsmodul (122) umfassen, wobei jedes
Batteriezellüberwachungsmodul (122) dazu ausgebildet ist, die
zugeordnete Batteriezelle (21 ) mit einer entsprechenden ersten
Wahrscheinlichkeit P 1 i an die Batterie (1 1 1 ) elektrisch zu koppeln und mit einer entsprechenden zweiten Wahrscheinlichkeit P2i von der Batterie (1 1 1 ) elektrisch zu entkoppeln, und wobei die Batteriezellen (21 ) mittels der zugeordneten Batteriezellüberwachungsmodule (122) in Reihe miteinander schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes
Batteriezellüberwachungsmodul (122) ferner dazu ausgebildet ist, einen ersten Gütefaktor G1 i der zugeordnete Batteriezelle (21 ) in Abhängigkeit von einem Ladezustand LZi und von einem Alterungszustand AZi der entsprechenden Batteriezelle (21 ) zu berechnen und das Batteriesystem (100) eine zentrale Steuereinheit (30) umfasst, die dazu ausgebildet ist, einen durchschnittlichen ersten Gütefaktor G1 , der einem
Durchschnittswert der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) entspricht, zu bestimmen und an jedes Batteriezellüberwachungsmodul (122) zu übermitteln, wobei jedes Batteriezellüberwachungsmodul (122) ferner dazu ausgebildet ist, einen zweiten Gütefaktor G2i der zugeordneten Batteriezelle (21 ) als eine lineare insbesondere monoton steigende
Funktion von der Differenz zwischen dem ersten Gütefaktor G1 i der zugeordneten Batteriezelle (21 ) und dem durchschnittlichen ersten
Gütefaktor G1 zu berechnen und die entsprechende erste
Wahrscheinlichkeit P1 i und die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i jeweils in Abhängigkeit von dem berechneten zweiten Gütefaktor G2i der zugeordneten Batteriezelle (21 ) zu bestimmen. Batteriesystem (100) nach Anspruch 9, wobei jedes
Batteriezellüberwachungsmodul (122) ferner dazu ausgebildet ist, während eines Entladevorganges der Batterie (1 1 1 ) eine lineare monoton steigende Funktion von dem zweiten Gütefaktor G2i der zugeordnete Batteriezelle (21 ) als die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P 1 i und eine lineare monoton fallende Funktion von dem zweiten Gütefaktor G2i der zugeordneten Batteriezelle (21 ) als die entsprechende zweite
Wahrscheinlichkeit P1 i zu verwenden und/oder während eines
Ladevorganges der Batterie (1 1 1 ) eine lineare monoton fallende Funktion von dem zweiten Gütefaktor G2i der zugeordneten Batteriezelle (21 ) als die entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P 1 i und eine lineare monoton steigende Funktion von dem zweiten Gütefaktor G2i der zugeordneten Batteriezelle (21 ) als die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i zu verwenden.
Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei jedes Batteriezellüberwachungsmodul (122) ferner dazu ausgebildet ist, den berechneten ersten Gütefaktor G1 i für die zugeordnete Batteriezelle (21 ) an die zentrale Steuereinheit (30) zu übermitteln und die zentrale
Steuereinheit (30) dazu ausgebildet ist, zur Bestimmung des
durchschnittlichen Gütefaktors G1 den Durchschnittwert der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) direkt aus den Werten der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) zu berechnen und/oder zur Bestimmung des durchschnittlichen ersten Gütefaktors G1 den
Durchschnittwert der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung Us der Batterie (1 1 1 ) vorzugeben und vorzugsweise eine aktuelle Ausgangsspannung U der Batterie (1 1 1 ) zu messen, beim Vorliegen einer gegenüber der
gewünschten Ausgangsspannung Us kleineren aktuellen
Ausgangsspannung U den Durchschnittwert der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) während eines Entladevorganges der Batterie (1 1 1 ) zu verringern und/oder während eines Ladevorganges der Batterie (1 1 1 ) zu erhöhen und/oder beim Vorliegen einer gegenüber der gewünschten Ausgangsspannung Us größeren aktuellen Ausgangsspannung U den Durchschnittwert der ersten Gütefaktoren G1 i der Batteriezellen (21 ) während eines Entladevorganges der Batterie (1 1 1 ) zu erhöhen und/oder während eines Ladevorganges der Batterie (1 1 1 ) zu verringern.
12. Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , wobei jedes Batteriezellüberwachungsmodul (122) ferner dazu ausgebildet ist, eine mit einem ersten Faktor f1 i skalierte erste Steuergröße P1 als die
entsprechende erste Wahrscheinlichkeit P 1 i zu verwenden und eine mit einem zweiten Faktor f2i skalierte zweite Steuergröße P2 als die entsprechende zweite Wahrscheinlichkeit P2i zu verwenden, wobei die erste Steuergröße P1 und die zweite Steuergröße P2 jeweils unabhängig von dem ersten Gütefaktor G1 i der zugeordneten Batteriezelle (21 ) und von dem zweiten Gütefaktor G2i der zugeordneten Batteriezelle (21 ) sind und der ersten Faktor f1 i und der zweiten Faktor f2i jeweils in Abhängigkeit von dem zweiten Gütefaktor G2i der zugeordneten Batteriezelle (21 ) vordefiniert sind.
13. Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 aufweisend eine zentrale Steuereinheit (30), die dazu ausgebildet ist, zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung Us der Batterie (100) eine einzelne erste Steuergröße P1 und eine einzelne zweite Steuergröße P2 für alle
Batteriezellen (21 ) vorzugeben, die erste Steuergröße P1 und die zweite Steuergröße P2 an alle Batteriezellüberwachungsmodule (122) zu übermitteln und vorzugsweise eine aktuelle Ausgangsspannung (U) der Batterie (1 1 1 ) zu messen und mit der gewünschten Ausgangsspannung Us der Batterie (1 1 1 ) zu vergleichen und beim Vorliegen einer Differenz zwischen der aktuellen Ausgangsspannung (U) und der gewünschten Ausgangsspannung Us die erste Steuergröße P1 und die zweite
Steuergröße P2 derartig zu verändern, dass eine Minimierung des
Betrages der Differenz zwischen der aktuellen Ausgangsspannung (U) und der gewünschten Ausgangsspannung Us erfolgt.
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