WO2016131773A1 - Einstellen von ladungszuständen von batteriezellen - Google Patents

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Michael Hinterberger
Berthold Hellenthal
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Audi Ag
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for adjusting charge states of battery cells which are operated in parallel.
  • the invention also relates to a device for this and a battery, in particular for use in a motor vehicle, with a plurality of battery cells, which are electrically connected in parallel.
  • a special feature of the electrically parallel-connected battery cells is that all of the battery cells, which are electrically connected in parallel, are subjected to essentially the same electrical voltage. If slight differences in voltage with respect to their respective individual no-load voltage already exist in the case of individual battery cells, a corresponding equalizing current flows at the moment of the interconnection for parallel connection.
  • the equalizing current is limited by the respective internal resistances of the affected battery cells and by contact resistances between terminal contacts of the battery cells and an electrical connection for producing the parallel connection of the battery cells.
  • the internal resistance of the battery cells are very small and are often in the small Milliohm Scheme or even lower. This effect is reinforced by the fact that the different battery cells, which are electrically connected in parallel, usually have slight differences in voltage with respect to the open circuit voltage. Therefore, with the same design, the respective charge states of the battery cells may differ from each other. As a result, the aforementioned effect can be further enhanced.
  • a battery cell is a device that has two electrodes that interact electrochemically with each other. The interaction can take place under complementary mediating effect of an electrolyte.
  • Battery cells also called galvanic cells, are preferably reversible in terms of their function, as used for example in batteries in the form of accumulators. Due to the electrochemical interaction of the electrodes, a battery cell-specific DC voltage is established at the electrodes, which is provided via connection contacts of the respective battery cell connected to the electrodes.
  • the individual battery cells are often electrically conductively connected to one another by means of busbars or similar electrical conductors in the desired type of circuit in order to be able to provide a desired direct voltage with a likewise desired load capacity at connection terminals of the battery.
  • Such batteries are used, for example, as lead-acid batteries in the automotive sector, as nickel-cadmium batteries in the aircraft sector and in uninterruptible power supplies. gene, as lithium-ion batteries in the field of small household appliances and / or the like, but recently also applied to electrically powered vehicles.
  • Electrically driven motor vehicles generally comprise an electrical system with a battery and a drive device connected to the electrical system.
  • Such motor vehicles are, for example, electric vehicles, hybrid vehicles in which a drive is possible both by means of an electric drive device and by means of an internal combustion engine, or the like.
  • the battery is often designed as a high-voltage battery system in such vehicles.
  • the invention proposes a method according to claim 1 and a device according to further claim 9. Closing lent be proposed with the further claim 10, a battery.
  • the device is designed to determine the charge states of the battery cells, to select those battery cells whose charge states are to be set according to a preselected selection rule, those battery cells whose charge states are to be adjusted by means of a respective semiconductor switch to activate the battery cells and to deactivate the remaining battery cells by means of the semiconductor switches of the respective remaining battery cells, to carry out the adjustment of the charge states and to monitor the charge states, and to stop the setting of the charge states upon reaching a predetermined charge state by the activated battery cells.
  • the battery has a device for setting charge states of the battery cells, which is designed to determine the charge states of the battery cells, to select those battery cells whose charge states are to be set according to a preselected selection rule, those battery cells, their charge states are set to activate by means of a respective semiconductor switch of the battery cells and to deactivate the remaining battery cells by means of the semiconductor switches of the respective remaining battery cells, to carry out the adjustment of the charge states and to monitor the charge states, and adjusting the charge states upon reaching a predetermined state of charge through the activated battery cells to end.
  • the invention it is thus possible for the first time to influence battery cells, which are operated in a parallel connection, that is to say they are electrically connected in parallel, with regard to their charge states in a predeterminable manner.
  • the respective state of charge of the battery cell can be set in the desired manner.
  • the method of the invention is thus not only suitable for use in a parallel connection of identical battery cells, but can also be advantageously used if the battery cells have different capacities and / or the like.
  • the method of the invention allows a dynamic adaptation, so that the battery cells can be operated as optimally as possible. As a result, the availability of electrical energy can be maximized and / or aging can be reduced.
  • a state of charge in the sense of the invention indicates a value for the electrical charge stored in a respective battery cell. This differs from a capacitance state, the value of which is a measure of which maximum electrical charge can be reversibly stored in the battery cell.
  • the invention makes it possible to enable active balancing of electrically parallel-connected battery cells, with the aid of switchable battery cells, that is to say battery cells which have a semiconductor switch with which they can be activated or deactivated.
  • the semiconductor switch By means of the semiconductor switch, a switchable electrical connection between an electrode and an associated terminal contacts of the battery cell can be produced.
  • a semiconductor switch in the sense of this disclosure is a controllable electronic switching element, for example a transistor, a thyristor, combination circuits thereof, in particular with parallel-connected freewheeling diodes, for example a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), preferably with an integrated freewheeling diode, or the like.
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the semiconductor switches which are preferably integrated into the respective battery cell, can be controlled by the respective battery cell control unit. For this purpose, they are preferably operated in a switching operation.
  • Switching operation of the semiconductor switch means that a very low electrical resistance is provided in an on state between the terminals forming a switching path of the semiconductor switch so that a high current flow at very low residual voltage is possible.
  • the switching path of the semiconductor switch is high-impedance, that is, it provides a high electrical resistance, so that there is essentially no or only a very small, in particular negligible electrical current flow even at high voltage applied to the switching path. This differs from a linear operation, which is not used in semiconductor switches in the rule.
  • the invention initially provides that the charge states of the battery cells, which are electrically connected in parallel, are determined.
  • a separate charge state detection circuit may be provided which detects either simultaneously or selectively the charge states of the battery cells.
  • a battery cell control unit may be provided battery cell internal, which determines the respective state of charge of their battery cell.
  • the battery cell control units are preferably in communication with one another, in particular via a wireless connection such as radio, ultrasound, infrared or the like.
  • a wired connection can also be provided, for example, using a Lichtunikationsnetzwer- kes based on an interface protocol.
  • a battery management system may be provided which communicates with the battery cell control units in communication and to which the charge states of the respective battery cells are transmitted.
  • the selection is made on the basis of a preselected selection rule.
  • the selection rule can be, for example, a file in which tables with charge combinations of the battery cells are stored and in which corresponding selections are assigned to the charge combinations.
  • the setting of the charge states is carried out.
  • the charge supply monitored preferably the charge supply monitored. This can in turn be realized by means of the battery cell control units.
  • the setting of the charge states is terminated upon reaching a predetermined state of charge by the activated battery cells.
  • the adjustment preferably comprises balancing the charge states of the activated battery cells.
  • the termination can take place, for example, by the battery management system, but also by the battery cell-side battery cell control unit. It proves particularly advantageous if the setting of the charge state takes place on the battery cell side itself.
  • the predetermined charge state is preferably a charge state in which the activated battery cells have substantially the same charge state. However, it can also be a different state of charge, in particular if the activated battery cells have different designs or capacities.
  • the method is not limited to the selective operation of two individual battery cells, but can also be applied to multiple battery cells, in particular simultaneously. It can be provided, for example, that one battery cell is permanently switched on, for example the battery cell, which provides the energy for the charge equalization, and another battery cell, which receives corresponding charge, is operated in cyclic operation. As a result, a particularly high efficiency with regard to the charge balance can be achieved. Of course, this scenario can be reversed.
  • the semiconductor switches of an activated battery cell is operated in clock mode.
  • the clock mode is a special operating state of the switching mode, in which the transistor is switched on and off periodically or non-periodically in accordance with a clock signal.
  • the clocking operation may provide that the semiconductor switch is turned on and off at a predetermined frequency.
  • a duty cycle between a switched-on state and a switched-off state can be variable and can be adapted to the respective battery cell as a function of the state of charge and / or an aging state.
  • the battery cells that are connected in parallel have a different capacity that the duty ratio is set according to the respective capacity differences.
  • the semiconductor switches of at least two battery cells be operated in time division multiplex.
  • This mode of operation provides that at least two battery cells are not simultaneously electrically connected to the other battery cells.
  • the energy distribution and the charge balance can be further optimized overall. This is advantageous, for example, when a battery cell is used to charge two more battery cells as possible at the same time.
  • the charge states of the battery cells be set to a charge value at which the charge states of these battery cells differ from one another by less than a predefinable value, in particular less than 5 percent differ from one another.
  • a mean charge value is determined.
  • the charge values of all battery cells are determined. This average charge value can then be used to determine, by comparison of the respective individual charge values of the respective individual battery cells with the mean charge value, which of the respective battery cells should be charged or charged and how much charge should be supplied or removed.
  • the battery cells having a higher charge value than the average charge value can be discharged by charging charge is transferred according to the inventive method to battery cells having a lower charge value than the previously determined average charge value. This proves to be particularly advantageous if the deviation of the charge values of the individual battery cells is less than 5 percent. Then, a good operational readiness of the battery cells comprehensive battery can be ensured.
  • a further embodiment of the invention provides that an aging state of at least one of the battery cells is determined and the state of charge is set taking into account the aging state. For example, it can be provided that a current available charge capacity of the battery cell is determined. This can be used as the basis for determining a current state of charge, which then serves overall for carrying out the method of the invention. As a result, battery state-specific adjustment of the state of charge can be achieved.
  • the available charge capacity with a capacity can commissioning and / or compared with a manufacturer value. The comparison result can be set, for example, in addition to the setting of the state of charge. Furthermore, it is also possible to determine an internal resistance and to use its value for carrying out the method.
  • the value of the internal resistance can change with increasing aging of the battery cell, in particular increase. Overall, this can reduce the stress on the respective battery cells as well as their further aging. It is also proposed that the operational readiness of at least one of the battery cells is determined and, if the at least one battery cell is inoperative, it is deactivated. As a result, it can be achieved that the battery comprising the battery cells can continue to be operated in an emergency operation. Dangerous conditions during normal operation can thus be largely avoided.
  • the selection rule stipulates that a mean charge value is determined on the basis of a plurality, preferably all, of the battery cells, and at least one battery cell with a larger charge value and a battery cell with a charge charge value smaller than the average charge value are selected. This allows a further advantageous adaptation of the method of the invention.
  • the semiconductor switches of the battery cells are operated in consideration of non-electrical physical parameters of the further battery cells.
  • the non-electrical physical parameters may be, for example, a pressure of the battery cell, a temperature of the battery cell, a weight of an electrolyte of the battery cell, and / or the like.
  • a clock frequency or a duty cycle as a function of the parameter can be selected in order to achieve the most effective possible setting of the state of charge can.
  • the duty cycle may be reduced in clocking operation as the temperature of another activated battery cell increases.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram representation four parallel connected battery cells 12, 14, 16, 18 of a battery 10, wherein the non-designated plus poles are electrically connected by a busbar 20.
  • the negative poles of the battery cells 12, 14, 16, 18 are correspondingly electrically conductively connected to a bus bar 22.
  • Each of the battery cells 12, 14, 16, 18 has, schematically illustrated in accordance with a model representation, an internal resistance 24 and a voltage source 26. The values for the internal resistance 24 and the voltage source 26 are based on the electrochemical properties of the battery cells 12, 14, 16, 18, taking into account the respective structural design.
  • FIG. 2 now shows a battery 30 with parallel-connected battery cells 32, 34, 36, 38 according to the invention.
  • Plus poles of the battery cells 32, 34, 36, 38 are again electrically connected by means of a bus bar 20.
  • negative poles of the battery cells 32, 34, 36, 38 are electrically connected by means of a bus bar 22.
  • internal electrical resistances 24 and voltage sources 26 are provided in each of the battery cells 32, 34, 36, 38, which, as explained for FIG. 1, model the function of the respective battery cell 32, 34, 36, 38.
  • semiconductor switches 42, 44, 46, 48 are connected in the battery cells 32, 34, 36, 38 in series with the internal resistors 24 and voltage sources 26, by means of which the respective battery cell 32, 34, 36, 38 can be activated or deactivated.
  • the semiconductor switches 42, 44, 46, 48 are operated in switching operation. This makes it possible to selectively activate the battery cells 32, 34, 36, 38.
  • the semiconductor switches 42, 44, 46, 48 are arranged integrated in the respective battery cells 32, 34, 36, 38.
  • FIG. 3 An enlarged view in a schematic circuit diagram of a single of the battery cells, Fig. 3, in this case the battery cell 32.
  • the battery cell 32 connected in series, the voltage source 26, the internal resistance 24 and the semiconductor switch 42.
  • This series circuit is connected to a negative terminal contact 54 and to a positive terminal contact 52, in such a way that between the terminal contacts 52, 54, a DC electrical voltage is applied.
  • the battery cell 32 has a battery cell control unit 40 that is connected to a voltage sensor unit 50.
  • the other battery cells also have a battery cell control unit 40 and a voltage sensor unit 50.
  • the battery cell control unit 40 comprises a driver circuit, which is not shown separately and which is connected to the semiconductor switch 42.
  • the driver circuit is used to control the semiconductor switch 42 in switching operation.
  • the battery cell controller Further unit 40 has a transmitting / receiving unit 56, with which it can establish a communication connection to other battery cell control units of the battery cells 34, 36, 38.
  • it can establish a communication connection to a battery management system (not shown) with the transceiver unit 56.
  • the communication links are made wirelessly on a radio basis.
  • the semiconductor switch 42 is formed by two anti-series connected MOSFETs, which are controlled as needed by the driver circuit of the battery cell control unit 40. This makes it possible to activate or deactivate the battery cell 32.
  • the semiconductor switches 42 and 46 are closed, whereas the semiconductor switches 44 and 48 are open.
  • the battery cells 34 and 38 are thus deactivated.
  • the battery cells 32 and 36 are activated as selected according to a selection rule battery cells.
  • a voltage Ui of the voltage source 26 of the battery cell 32 is greater than a voltage U3 of the voltage source 26 of the battery cell 36.
  • the selection rule provides here that an open circuit voltage of the battery cells is taken into account.
  • the open circuit voltage can be a measure of the state of charge. In this way, an energy balance can be realized by activating the battery cells 32 and 36.
  • a switching algorithm can be stored in the respective battery cell control units 40, by means of which the semiconductor switches 42, 46 are operated in a cyclic operation, in order to enable as low a load as possible energy compensation.
  • each of the battery cells 32, 34, 36, 38 having a battery cell control unit 40, further parameters can be taken into account in order to set the respective charge state. For example, a history regarding the state of charge, a maximum current load, a maximum thermal load, and / or the like may be considered. As a result, an individual adjustment of the charge state can preferably be achieved for each battery cell, so that the best possible reliable and low-maintenance operation can be achieved. In addition, there is the possibility of meaningfully increasing the overall performance or the service life of the battery 30 by selectively activating or deactivating individual battery cells. In particular, it can be achieved that in case of failure of a battery cell, this is turned off by means of their respective semiconductor switch, so that emergency operation can be realized. In addition, this dangerous states can be avoided.
  • the invention has been explained with reference to batteries of motor vehicles, it is clear to those skilled in the art that the application of the invention is not limited to these applications.
  • the invention can also be used in stationary electrical installations, in particular in the field of electrical switchgear.
  • the advantage of the invention is particularly clear, especially when the invention in uninterruptible power supplies, in particular for safety-related functions, is used. This is particularly advantageous for electrical installations in signal technology or communication technology.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen von Ladungszuständen von Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet betrieben werden, mit den folgenden Schritten: - Ermitteln der Ladungszustände der Batteriezellen, - Auswählen derjenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände eingestellt werden sollen, nach einer vorgebbaren Auswahlvorschrift, - Aktivieren derjenigen Batteriezellen, die eingestellt werden, mittels jeweils eines Halbleiterschalters der Batteriezellen und Deaktivieren der übrigen Batteriezellen mittels der Halbleiterschalter der jeweiligen übrigen Batteriezellen, - Durchführen des Einstellens der Ladungszustände und Überwachen der Ladungszustände, und - Beenden des Einstellens der Ladungszustände bei Erreichen eines vorgegeben Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen.

Description

Einstellen von Ladungszustanden von Batteriezellen
BESCHREIBUNG: Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen von Ladungszustanden von Batteriezellen, die parallelgeschaltet betrieben werden. Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung hierfür sowie eine Batterie, insbesondere für den Einsatz bei einem Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet sind.
Verfahren sowie Einrichtungen zum Einstellen von Ladungszustanden von Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet betrieben werden, sind dem Grunde nach bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Solche Batteriezellen beziehungsweise Bat- terien werden häufig bei Hochvoltbatteriesystemen eingesetzt, wie sie zum Beispiel bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen oder dergleichen verwendet werden. Bei elektrisch in Reihe geschalteten Batteriezellen ist es bekannt, einen Ladungsausgleich in Bezug auf die Batteriezellen durchzuführen, um auf diese Weise unterschiedliche Ladungszustände der in Reihe ge- schalteten Batteriezellen zu reduzieren. Dieser Vorgang wird auch Balancing genannt. Zu diesem Zweck ist bei den elektrisch in Reihe geschalteten Batteriezellen jeweils ein schaltbarer elektrischer Widerstand zu jeder einzelnen Batteriezelle parallelgeschaltet. Diese Widerstände können selektiv aktiviert werden, um die Ladungszustände der einzelnen Batteriezellen anpassen zu können. Zu diesem Zweck werden die jeweiligen Ladungszustände der Batteriezellen separat erfasst und die Widerstände entsprechend aktiviert.
Für elektrisch parallelgeschaltete Batteriezellen ist das vorgenannte Verfahren nicht anwendbar. Um hier eine Ladungsanpassung zwischen einzelnen Batteriezellen erreichen zu können, ist es erforderlich, die jeweilige Batteriezelle aus dem Verbund schaltungstechnisch abzuschalten und mittels einer Entladevorrichtung oder einer Aufladevorrichtung auf einen vorgegebenen Ladungszustand aufzuladen beziehungsweise zu entladen. Ein solches Ver- fahren ist sehr aufwändig. Deshalb ist ein Balancing bei parallelgeschalteten Batteriezellen wenig verbreitet.
Eine Besonderheit der elektrisch parallelgeschalteten Batteriezellen besteht darin, dass sämtliche der Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet sind, im Wesentlichen mit der gleichen elektrischen Spannung beaufschlagt sind. Liegen bei einzelnen Batteriezellen bereits geringfügige Spannungsunterschiede in Bezug auf deren jeweilige individuelle Leerlaufspannung vor, so fließt im Moment der Zusammenschaltung zur Parallelschaltung ein entspre- chender Ausgleichsstrom. Der Ausgleichsstrom wird über die jeweiligen Innenwiderstände der betroffenen Batteriezellen sowie über Übergangswiderständen zwischen Anschlusskontakten der Batteriezellen und einer elektrischen Verbindung zur Herstellung der Parallelschaltung der Batteriezellen begrenzt. Üblicherweise sind die Innenwiderstände der Batteriezellen sehr klein und liegen häufig im kleinen Milliohmbereich oder sogar darunter. Verstärkt wird dieser Effekt dadurch, dass die unterschiedlichen Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet werden, meist geringfügige Spannungsunterschiede in Bezug auf die Leerlaufspannung aufweisen. Deshalb können bei gleicher Bauart die jeweiligen Ladungszustände der Batteriezellen von einander abweichen. Dadurch kann der vorgenannte Effekt weiter verstärkt werden.
Eine Batteriezelle ist eine Einrichtung, die zwei Elektroden aufweist, die elektrochemisch miteinander wechselwirken. Das Wechselwirken kann unter ergänzender vermittelnder Wirkung eines Elektrolyten erfolgen. Batteriezellen, auch galvanische Zellen genannt, sind vorzugsweise reversibel hinsichtlich ihrer Funktion, wie sie beispielsweise bei Batterien in Form von Akkumulatoren zum Einsatz kommen. Aufgrund der elektrochemischen Wechselwirkung der Elektroden stellt sich an den Elektroden eine batteriezellenche- miespezifische Gleichspannung ein, die über mit den Elektroden verbundene Anschlusskontakte der jeweiligen Batteriezelle bereitgestellt ist.
Innerhalb der Batterie sind die einzelnen Batteriezellen häufig mittels Stromschienen oder dergleichen elektrischer Leiter in der gewünschten Schal- tungsart miteinander elektrisch leitend verbunden, um an Anschlusspolen der Batterie eine gewünschte Gleichspannung mit einer ebenfalls gewünschten Belastbarkeit bereitstellen zu können. Solche Batterien werden beispielsweise als Blei-Säurebatterien im Kraftfahrzeugbereich, als Nickel-Kadmium- Batterien im Flugzeugbereich und bei unterbrechungsfreien Stromversorgun- gen, als Lithium-Ionen-Battehen im Bereich von Haushaltskleingeräten und/oder dergleichen, neuerdings aber auch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen angewendet. Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge umfassen in der Regel eine elektrische Anlage mit einer Batterie sowie eine an die elektrische Anlage angeschlossene Antriebsvorrichtung. Solche Kraftfahrzeuge sind beispielsweise Elektro- fahrzeuge, Hybridfahrzeuge, bei denen ein Antrieb sowohl mittels einer elektrischen Antriebsvorrichtung als auch mittels einer Verbrennungskraft- maschine möglich ist, oder dergleichen. Die Batterie ist bei solchen Kraftfahrzeugen häufig als Hochvoltbatteriesystem ausgeführt.
Bei Einsatz in einem Hochvoltbatteriesystem eines Kraftfahrzeugs ergeben sich aufgrund der zuvor beschriebenen Ausgleichsströme Energieverluste, die die Reichweite des Kraftfahrzeugs beeinträchtigen können. In Bezug auf die Batteriezellen werden leistungsfähigere Batteriezellen erhöht belastet, weshalb sie einer verstärkten Alterung unterliegen. Auch hier reduziert sich die Betriebsbereitschaft der elektrisch parallelgeschalteten Batteriezellen insgesamt, die Teil der Batterie sind. Dabei erweist es sich als besonders nachteilig, dass ein Energieausgleich zur Erzeugung eines gleichmäßigen Ladungszustands zwischen den jeweiligen Batteriezellen aufgrund der Parallelschaltung nicht möglich ist. Für eine eine solche Parallelschaltung von Batteriezellen aufweisende Batterie ergibt sich eine höhere Verlustleistung, die ferner ein vorzeitiges Altern der Batterie insgesamt zur Folge haben kann. Darüber hinaus besteht die Gefahr, leistungsschwächere Batteriezellen zu überlasten.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Einstellen von Ladungszuständen von Batteriezellen, die elektrisch parallel- geschaltet betrieben werden, sowie eine Batterie anzugeben, mit denen die vorgenannten Probleme reduziert werden können.
Als Lösung wird mit der Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Einrichtung gemäß dem weiteren Anspruch 9 vorgeschlagen. Schließ- lieh wird mit dem weiteren Anspruch 10 eine Batterie vorgeschlagen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche. Mit der Erfindung wird für ein gattungsgemäßes Verfahren insbesondere vorgeschlagen, dass es folgende Schritte umfasst:
Ermitteln der Ladungszustände der Batteriezellen,
- Auswählen derjenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände eingestellt werden sollen, nach einer vorgebbaren Auswahlvorschrift,
Aktivieren derjenigen Batteriezellen, die eingestellt werden, mittels jeweils eines Halbleiterschalters der Batteriezellen und Deaktivieren der übrigen Batteriezellen mittels der Halbleiterschalter der jeweiligen übri- gen Batteriezellen,
Durchführen des Einstellens der Ladungszustände und Überwachen der Ladungszustände, und
Beenden des Einstellens der Ladungszustände bei Erreichen eines vorgegeben Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen.
Einrichtungsseitig wird für eine gattungsgemäße Einrichtung insbesondere vorgeschlagen, dass die Einrichtung ausgebildet ist, die Ladungszustände der Batteriezellen zu ermitteln, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, nach einer vorgebbaren Auswahlvorschrift auszu- wählen, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, mittels jeweils eines Halbleiterschalters der Batteriezellen zu aktivieren und die übrigen Batteriezellen mittels der Halbleiterschalter der jeweiligen übrigen Batteriezellen zu deaktivieren, das Einstellen der Ladungszustände durchzuführen und die Ladungszustände zu überwachen, und das Einstellen der La- dungszustände bei Erreichen eines vorgegebenen Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen zu beenden.
Batteriezellenseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Batterie eine Einrichtung zum Einstellen von Ladungszuständen der Batteriezellen auf- weist, die ausgebildet ist, die Ladungszustände der Batteriezellen zu ermitteln, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, nach einer vorgebbaren Auswahlvorschrift auszuwählen, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, mittels jeweils eines Halbleiterschalters der Batteriezellen zu aktivieren und die übrigen Batteriezellen mittels der Halbleiterschalter der jeweiligen übrigen Batteriezellen zu deaktivieren, das Einstellen der Ladungszustände durchzuführen und die Ladungszustände zu überwachen, und das Einstellen der Ladungszustände bei Erreichen eines vorgegebenen Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen zu beenden. Mit der Erfindung ist es somit erstmals möglich, Batteriezellen, die in einem Parallelverbund betrieben werden, das heißt, elektrisch parallelgeschaltet sind, hinsichtlich ihrer Ladungszustände in vorgebbarer Weise zu beeinflus- sen. Insbesondere kann der jeweilige Ladungszustand der Batteriezelle in gewünschter Weise eingestellt werden. Das Verfahren der Erfindung eignet sich somit nicht nur für die Anwendung bei einer Parallelschaltung von baugleichen Batteriezellen, sondern kann darüber hinaus auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Batteriezellen unterschiedliche Kapazitäten und/oder dergleichen aufweisen. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht eine dynamische Anpassung, sodass die Batteriezellen möglichst optimal betrieben werden können. Dadurch kann die Verfügbarkeit von elektrischer Energie maximiert und/oder eine Alterung reduziert werden. Ein Ladungszustand im Sinne der Erfindung gibt einen Wert für die elektrische Ladung an, die in ei- ner jeweiligen Batteriezelle verfügbar gespeichert ist. Hiervon unterscheidet sich ein Kapazitätszustand, dessen Wert ein Maß dafür ist, welche maximale elektrische Ladung in der Batteriezelle reversibel gespeichert werden kann.
Die Erfindung erlaubt es, ein aktives Balancing von elektrisch parallelge- schalteten Batteriezellen zu ermöglichen, und zwar mit Hilfe von schaltbaren Batteriezellen, das heißt, Batteriezellen, die einen Halbleiterschalter aufweisen, mit dem sie aktivierbar beziehungsweise deaktivierbar sind. Mittels des Halbleiterschalters kann eine schaltbare elektrische Verbindung zwischen einer Elektrode und einem zugeordneten Anschlusskontakte der Batteriezelle hergestellt werden. Ein Halbleiterschalter im Sinne dieser Offenbarung ist ein steuerbares elektronisches Schaltelement, beispielsweise ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, insbesondere mit parallelgeschalteten Freilaufdioden, beispielsweise ein Metall-Oxid-Semiconductor- Feldeffekttransistor (MOSFET), ein Isolated Gate Bipolar Transistor (IGBT), vorzugsweise mit einer integrierten Freilaufdiode, oder dergleichen.
Die Halbleiterschalter, die vorzugsweise in die jeweilige Batteriezelle integriert angeordnet sind, können durch die jeweilige Batteriezellensteuereinheit gesteuert werden. Zu diesem Zweck werden sie vorzugsweise in einem Schaltbetrieb betrieben.
Schaltbetrieb des Halbleiterschalters bedeutet, dass in einem eingeschalteten Zustand zwischen den eine Schaltstrecke bildenden Anschlüssen des Halbleiterschalters ein sehr geringer elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist. Im ausgeschalteten Zustand ist die Schaltstrecke des Halbleiterschalters hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, sodass auch bei hoher, an der Schaltstrecke anliegender Spannung im We- sentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer elektrischer Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb, der aber bei Halbleiterschaltern in der Regel nicht zum Einsatz kommt.
Die Erfindung sieht zunächst vor, dass die Ladungszustände der Batteriezel- len, die elektrisch parallelgeschaltet sind, ermittelt werden. Zu diesem Zweck kann eine separate Ladungszustandserfassungsschaltung vorgesehen sein, die entweder gleichzeitig oder auch selektiv die Ladungszustände der Batteriezellen ermittelt. Darüber hinaus kann natürlich auch eine Batteriezellen- Steuerungseinheit batteriezellenintern vorgesehen sein, die den jeweiligen Ladungszustand ihrer Batteriezelle ermittelt. Vorzugsweise stehen die Batte- riezellensteuerungseinheiten miteinander in Kommunikationsverbindung, insbesondere über eine drahtlose Verbindung wie Funk, Ultraschall, Infrarot oder dergleichen. Natürlich kann auch eine drahtgebundene Verbindung vorgesehen sein, beispielsweise unter Nutzung eines Kommunikationsnetzwer- kes basierend auf einem Schnittstellenprotokoll. Darüber hinaus kann ein Batteriemanagementsystem vorgesehen sein, welches mit den Batteriezel- lensteuerungseinheiten in Kommunikationsverbindung steht und welchem die Ladungszustände der jeweiligen Batteriezellen übermittelt werden. Sodann erfolgt eine Auswahl derjenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände eingestellt werden sollen. Das Auswählen erfolgt anhand einer vorgebbaren Auswahlvorschrift. Die Auswahlvorschrift kann beispielsweise eine Datei sein, in der Tabellen mit Ladungskombinationen der Batteriezellen hinterlegt sind und in der entsprechende Auswahlen zu den Ladungskombinati- onen zugeordnet sind. Sind die Batteriezellen ausgewählt, deren Ladungszustände eingestellt werden sollen, werden als nächstes diejenigen Batteriezellen aktiviert, die eingestellt werden, und zwar unter Einschalten der jeweiligen Halbleiterschalter der Batteriezellen. Die übrigen Batteriezellen werden mittels ihrer Halbleiterschalter entsprechend deaktiviert. Die Halbleiterschal- ter sind vorzugsweise in die jeweiligen Batteriezellen integriert angeordnet.
Mit dem Aktivieren der jeweiligen Batteriezellen wird das Einstellen der Ladungszustände durchgeführt. Dabei werden vorzugsweise die Ladungszu- stände überwacht. Dies kann wiederum mittels der Batteriezellensteuereinheiten realisiert werden.
Das Einstellen der Ladungszustände wird bei Erreichen eines vorgegebenen Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen beendet. Das Einstellen umfasst vorzugsweise ein Ausgleichen der Ladungszustände der aktivierten Batteriezellen. Das Beenden kann beispielsweise durch das Batteriemanagementsystem, aber auch durch die batteriezellenseitige Batteriezellensteue- rungseinheit erfolgen. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Ein- stellen des Ladungszustands batteriezellenseitig selbst erfolgt. Der vorgegebene Ladungszustand ist vorzugsweise ein Ladungszustand, bei dem die aktivierten Batteriezellen im Wesentlichen den gleichen Ladungszustand aufweisen. Es kann aber auch ein anderer Ladungszustand sein, insbesondere wenn die aktivierten Batteriezellen unterschiedliche Bauarten beziehungs- weise Kapazitäten aufweisen.
Das Verfahren ist nicht auf den selektiven Betrieb von zwei einzelnen Batteriezellen beschränkt, sondern kann auch bei mehreren Batteriezellen, insbesondere gleichzeitig, angewendet werden. Es kann beispielsweise vorgese- hen sein, dass eine Batteriezelle permanent eingeschaltet ist, beispielsweise die Batteriezelle, die die Energie für den Ladungsausgleich bereitstellt, und eine andere Batteriezelle, die entsprechend Ladung aufnimmt, im Taktbetrieb betrieben wird. Dadurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad in Bezug auf den Ladungsausgleich erreicht werden. Natürlich kann dieses Szenario auch umgekehrt vorgesehen sein.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass wenigstens einer der Halbleiterschalter einer aktivierten Batteriezelle im Taktbetrieb betrieben wird. Der Taktbetrieb ist ein besonderer Betriebszustand des Schaltbetriebs, bei dem der Transistor gemäß einem Taktsignal periodisch oder nichtperiodisch ein- und ausgeschaltet wird. Der Taktbetrieb kann vorsehen, dass der Halbleiterschalter mit einer vorgegebenen Frequenz ein- und ausgeschaltet wird. Dabei kann ein Tastverhältnis zwischen einem eingeschalteten Zustand sowie einem ausgeschalteten Zustand variabel sein und in Abhän- gigkeit des Ladungszustands und/oder eines Alterungszustands der jeweiligen Batteriezelle angepasst sein. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, wenn die Batteriezellen, die parallelgeschaltet sind, eine unterschiedliche Kapazität aufweisen, dass das Tastverhältnis entsprechend der jeweiligen Kapazitätsunterschiede eingestellt wird. Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass bei mehr als zwei aktivierten Batteriezellen die Halbleiterschalter von wenigstens zwei Batteriezellen im Zeitmultiplex betrieben werden. Diese Betriebsart sieht vor, dass we- nigstens zwei Batteriezellen nicht gleichzeitig mit den weiteren Batteriezellen elektrisch leitend verbunden sind. Dadurch kann die Energieverteilung und der Ladungsausgleich insgesamt weiter optimiert werden. Vorteilhaft ist dies beispielsweise dann, wenn eine Batteriezelle genutzt wird, um zwei weitere Batteriezellen möglichst zeitgleich aufzuladen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mit dem Einstellen der Ladungszustände die Ladungszustände der Batteriezellen auf einen Ladungswert eingestellt werden, bei dem sich die Ladungszustände dieser Batteriezellen um weniger als einen vorgebbaren Wert voneinander un- terscheiden, insbesondere weniger als 5 Prozent voneinander abweichen. Vorzugsweise wird zunächst ein mittlerer Ladungswert ermittelt. Dazu werden die Ladungswerte sämtlicher Batteriezellen ermittelt. Dieser mittlere Ladungswert kann dann zugrundegelegt werden, um durch Vergleich der jeweiligen Einzelladungswerte der jeweiligen einzelnen Batteriezellen mit dem mittleren Ladungswert zu ermitteln, welche der jeweiligen Batteriezellen ent- beziehungsweise aufgeladen werden soll und wieviel Ladung zu- beziehungsweise abgeführt werden soll. Sodann können die Batteriezellen, die einen höheren Ladungswert als den mittleren Ladungswert aufweisen, entladen werden, indem Ladung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auf Batteriezellen übertragen wird, die einen niedrigeren Ladungswert als den zuvor ermittelten mittleren Ladungswert aufweisen. Besonders vorteilhaft erweist sich dies, wenn die Abweichung der Ladungswerte der einzelnen Batteriezellen geringer ist als 5 Prozent. Dann kann eine gute Betriebsbereitschaft der die Batteriezellen umfassenden Batterie gewährleistet werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Alterungszustand wenigstens einer der Batteriezellen ermittelt wird und der Ladungszustand unter Berücksichtigung des Alterungszustands eingestellt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine aktuelle verfügbare Ladungs- kapazität der Batteriezelle ermittelt wird. Diese kann für die Ermittlung eines aktuellen Ladungszustands zugrundegelegt werden, der insgesamt dann für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung dient. Dadurch kann batte- riezellenspezifisch ein Einstellen des Ladungszustands erreicht werden. Darüber hinaus kann die verfügbare Ladungskapazität mit einer Kapazität bei einer Inbetriebnahme und/oder mit einem Herstellerwert verglichen werden. Das Vergleichsergebnis kann beispielsweise ergänzend für die Einstellung des Ladungszustands eingestellt werden. Ferner ist es möglich, auch einen Innenwiderstand zu ermitteln und dessen Wert für die Verfahrensdurchfüh- rung zu nutzen. Der Wert des Innenwiderstands kann sich mit zunehmender Alterung der Batteriezelle ändern, insbesondere erhöhen. Insgesamt lassen sich dadurch die Beanspruchung der jeweiligen Batteriezellen sowie auch deren weitere Alterung reduzieren. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Funktionsbereitschaft wenigstens einer der Batteriezellen ermittelt wird und bei mangelnder Funktionsbereitschaft der wenigstens einen Batteriezelle diese deaktiviert wird. Dadurch kann erreicht werden, dass die die Batteriezellen umfassende Batterie in einem Notbetrieb weiterbetrieben werden kann. Gefährliche Zustände während des be- stimmungsgemäßen Betriebs können damit weitgehend vermieden werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Auswahl Vorschrift vorsieht, dass auf Basis von einer Mehrzahl, vorzugsweise sämtlichen, Batteriezellen ein mittlerer Ladungswert ermittelt wird, und wenigstens eine Batteriezelle mit einem größeren Ladungswert und eine Batteriezelle mit einem kleineren Ladungswert als der mittlere Ladungswert ausgewählt werden. Dies erlaubt eine weitere vorteilhafte Anpassung des Verfahrens der Erfindung.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Halbleiterschalter der Batterie- zellen unter Berücksichtigung von nicht-elektrischen physikalischen Parametern der weiteren Batteriezellen betrieben werden. Die nicht-elektrischen physikalischen Parameter können beispielsweise ein Druck der Batteriezelle, eine Temperatur der Batteriezelle, eine Wichte eines Elektrolyten der Batteriezelle und/oder dergleichen sein. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit des erfinderischen Verfahrens weiter verbessert werden und batteriezellenspezi- fische Eigenschaften zur Optimierung des bestimmungsgemäßen Betriebs genutzt werden. Beispielsweise kann eine Taktfrequenz oder ein Tastverhältnis in Abhängigkeit von dem Parameter gewählt werden, um eine möglichst wirksame Einstellung des Ladungszustands erreichen zu können. Zum Beispiel kann das Tastverhältnis bei einem Taktbetrieb mit zunehmender Temperatur einer weiteren aktivierten Batteriezelle reduziert werden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Berücksichtigung der beigefüg- ten Figuren. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
in einer schematischen Schaltbildansicht vier parallelgeschaltete Batteriezellen einer Batterie gemäß dem Stand der Technik, vier parallelgeschaltete Batteriezellen einer Batterie mit integrierten Halbleiterschaltern gemäß der Erfindung, und in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Batteriezelle der Batterie gemäß Fig. 2. Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung vier parallelgeschaltete Batteriezellen 12, 14, 16, 18 einer Batterie 10, wobei deren nicht bezeichnete Plus-Pole mittels einer Stromschiene 20 elektrisch leitend verbunden sind. Die Minus-Pole der Batteriezellen 12, 14, 16, 18 sind entsprechend mit einer Stromschiene 22 elektrisch leitend verbunden. Jede der Batteriezel- len 12, 14, 16, 18 weist, schematisch gemäß einer Modelldarstellung dargestellt, einen Innenwiderstand 24 sowie eine Spannungsquelle 26 auf. Die Werte für den Innenwiderstand 24 und die Spannungsquelle 26 ergeben sich anhand der elektrochemischen Eigenschaften der Batteriezellen 12, 14, 16, 18 unter Berücksichtigung des jeweiligen konstruktiven Aufbaus.
Bei Parallelschaltung dieser Batteriezellen 12, 14, 16, 18 reichen bereits geringfügige Spannungsunterschiede der Spannungsquellen 26 aus, um während der Montage große Ausgleichsströme fließen zu lassen. Dies kann nicht nur gefährliche Zustände zur Folge haben, sondern führt darüber hinaus zu einer ungleichen Beanspruchung der Batteriezellen 12, 14, 16, 18, sodass die Batterie 10 nicht die optimal mögliche Betriebsbereitschaft bereitstellen kann, die sie bereitstellen würde, wenn die Batteriezellen 12, 14, 16, 18 identische physikalische Eigenschaften hätten.
Insbesondere stellt sich aufgrund der Parallelschaltung und der geringfügig abweichenden physikalischen Eigenschaften ein ungleicher Ladungszustand der Batteriezellen 12, 14, 16, 18 ein. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Belastung im bestimmungsgemäßen Betrieb der Batterie 10. Eine erhöhte Alterung und eine mögliche Überlastung von leistungsschwächeren Batteriezel- len sind möglich. Insgesamt reduzieren sich die Performance und die Lebensdauer.
Fig. 2 zeigt nunmehr eine Batterie 30 mit parallelgeschalteten Batteriezellen 32, 34, 36, 38 gemäß der Erfindung. Plus-Pole der Batteriezellen 32, 34, 36, 38 sind wieder mittels einer Stromschiene 20 elektrisch leitend verbunden. Entsprechend sind Minus-Pole der Batteriezellen 32, 34, 36, 38 mittels einer Stromschiene 22 elektrisch leitend verbunden. Auch hier sind elektrische Innenwiderstände 24 sowie Spannungsquellen 26 in jeder der Batteriezellen 32, 34, 36, 38 vorgesehen, die, wie zur Fig. 1 erläutert, die Funktion der jeweiligen Batteriezelle 32, 34, 36, 38 modellieren.
Ergänzend sind in den Batteriezellen 32, 34, 36, 38 in Reihe zu den Innenwiderständen 24 und Spannungsquellen 26 Halbleiterschalter 42, 44, 46, 48 geschaltet, mittels denen die jeweilige Batteriezelle 32, 34, 36, 38 aktivierbar beziehungsweise deaktivierbar ist. Zu diesem Zweck werden die Halbleiterschalter 42, 44, 46, 48 im Schaltbetrieb betrieben. Dadurch ist es möglich, die Batteriezellen 32, 34, 36, 38 selektiv zu aktivieren. Die Halbleiterschalter 42, 44, 46, 48 sind in den jeweiligen Batteriezellen 32, 34, 36, 38 integriert angeordnet.
Eine vergrößerte Darstellung in schematischer Schaltbildansicht von einer einzelnen der Batteriezellen zeigt Fig. 3, vorliegend die Batteriezelle 32. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, weist die Batteriezelle 32 in Serie geschaltet die Spannungsquelle 26, den Innenwiderstand 24 sowie den Halbleiterschalter 42 auf. Diese Serienschaltung ist an einen negativen Anschlusskontakt 54 sowie an einen positiven Anschlusskontakt 52 angeschlossen, und zwar derart, dass zwischen den Anschlusskontakten 52, 54 eine elektrische Gleichspannung anliegt.
Aus Fig. 3 ist ferner ersichtlich, dass die Batteriezelle 32 eine Batteriezellen- Steuerungseinheit 40 aufweist, die an eine Spannungssensoreinheit 50 angeschlossen ist. Auch die anderen Batteriezellen weisen eine Batteriezellen- Steuerungseinheit 40 und eine Spannungssensoreinheit 50 auf. Mit der Spannungssensoreinheit 50 kann die Spannung an den Anschlusskontakten 52, 54 ermittelt werden. Ferner umfasst die Batteriezellensteuerungseinheit 40 eine Treiberschaltung, die nicht separat dargestellt ist und die an den Halbleiterschalter 42 angeschlossen ist. Die Treiberschaltung dient zur Steuerung des Halbleiterschalters 42 im Schaltbetrieb. Die Batteriezellensteue- rungseinheit 40 weist ferner eine Sende-/Empfangseinheit 56 auf, mit der sie eine Kommunikationsverbindung zu anderen Batteriezellensteuerungseinhei- ten der Batteriezellen 34, 36, 38 herstellen kann. Darüber hinaus kann sie mit der Sende-/Empfangseinheit 56 eine Kommunikationsverbindung zu einem nicht dargestellten Batteriemanagementsystem herstellen. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Kommunikationsverbindungen drahtlos auf Funkbasis hergestellt werden.
Der Halbleiterschalter 42 ist vorliegend durch zwei antiseriell geschaltete MOSFETs gebildet, die bedarfsgerecht durch die Treiberschaltung der Batte- riezellensteuerungseinheit 40 gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, die Batteriezelle 32 zu aktivieren beziehungsweise zu deaktivieren.
Aus Fig. 2 ist ferner ersichtlich, dass in der aktuell dargestellten Situation die Halbleiterschalter 42 und 46 geschlossen sind, wohingegen die Halbleiterschalter 44 und 48 geöffnet sind. Die Batteriezellen 34 und 38 sind somit deaktiviert. Dagegen sind die Batteriezellen 32 und 36 als gemäß einer Auswahl Vorschrift ausgewählte Batteriezellen aktiviert. Vorliegend ist eine Spannung Ui der Spannungsquelle 26 der Batteriezelle 32 größer als eine Spannung U3 der Spannungsquelle 26 der Batteriezelle 36. Die Auswahlvorschrift sieht hier vor, dass eine Leerlaufspannung der Batteriezellen berücksichtigt wird. Die Leerlaufspannung kann ein Maß für den Ladungszustand darstellen. Auf diese Weise kann durch Aktivierung der Bat- teriezellen 32 und 36 ein Energieausgleich realisiert werden. Zu diesem Zweck kann in den jeweiligen Batteriezellensteuereinheiten 40 ein Schaltalgorithmus hinterlegt sein, mittels dem die Halbleiterschalter 42, 46 in einem Taktbetrieb betrieben werden, um einen möglichst belastungsarmen Energieausgleich zu ermöglichen.
Im Stand der Technik würde bei Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Batteriezellen 32, 36 ein sehr großer Impulsstrom unmittelbar bei Herstellung der Verbindung fließen. Mit einem entsprechenden Taktbetrieb der Halbleiterschalter 42 und/oder 46 kann diese Belastung re- duziert werden. Dazu kann wenigstens einer der Halbleiterschalter im Taktbetrieb betrieben werden, wohingegen der andere Halbleiterschalter permanent eingeschaltet ist. Durch geeignetes Takten kann eine sanfte Ladungsüberführung von der Batteriezelle 32 zur Batteriezelle 36 erfolgen. Sobald der Ladungsausgleich abgeklungen ist, können die weiteren Batteriezellen 34, 38 durch Einschalten ihrer Halbleiterschalter 44, 48 ergänzend aktiviert werden, sodass die Batterie 30 für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb zur Verfügung steht. Der Taktbetrieb kann beendet werden und die Halbleiterschalter der Batteriezellen können permanent eingeschaltet werden.
Dadurch, dass jede der Batteriezellen 32, 34, 36, 38 eine Batteriezellensteuereinheit 40 aufweist, können weitere Parameter berücksichtigt werden, um den jeweiligen Ladungszustand einzustellen. Beispielsweise kann eine Historie bezüglich des Ladungszustands, einer maximalen Strombelastung, einer maximalen thermischen Belastung und/oder dergleichen berücksichtigt werden. Dadurch kann für jede Batteriezelle vorzugsweise eine individuelle Einstellung des Ladungszustands erreicht werden, sodass ein möglichst optimaler zuverlässiger und wartungsarmer Betrieb erreicht werden kann. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch gezieltes Aktiveren beziehungsweise Deaktivieren einzelner Batteriezellen die Gesamtperformance beziehungsweise die Lebensdauer der Batterie 30 sinnvoll zu steigern. Insbesondere kann erreicht werden, dass bei Ausfall einer Batteriezelle diese mittels ihres jeweiligen Halbleiterschalters abgeschaltet wird, sodass ein Notbetrieb realisiert werden kann. Darüber hinaus können hierdurch gefährliche Zustände vermieden werden.
Auch wenn die Erfindung anhand von Batterien von Kraftfahrzeugen erläutert worden ist, ist es für den Fachmann klar, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt ist. Die Erfindung kann natürlich auch bei stationären elektrischen Anlagen, insbesondere auch im Bereich von elektrischen Schaltanlagen, zum Einsatz kommen. Gerade hier kommt der erfindungsgemäße Vorteil besonders deutlich hervor, insbesondere dann, wenn die Erfindung bei unterbrechungsfreien Energieversorgungen, insbesondere für sicherheitsrelevante Funktionen, eingesetzt wird. Dies ist besonders bei elektrischen Anlagen in der Signaltechnik beziehungsweise der Kommunikationstechnik von großem Vorteil.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkt.
Die für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für entsprechende Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensnnerknnale und umgekehrt vorgesehen sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
Verfahren zum Einstellen von Ladungszuständen von Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet betrieben werden,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Ermitteln der Ladungszustände der Batteriezellen,
- Auswählen derjenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände eingestellt werden sollen, nach einer vorgebbaren Auswahlvorschrift,
- Aktivieren derjenigen Batteriezellen, die eingestellt werden, mittels jeweils eines Halbleiterschalters der Batteriezellen und Deaktivieren der übrigen Batteriezellen mittels der Halbleiterschalter der jeweiligen übrigen Batteriezellen,
- Durchführen des Einstellens der Ladungszustände und Überwachen der Ladungszustände, und
- Beenden des Einstellens der Ladungszustände bei Erreichen eines vorgegeben Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Halbleiterschalter einer aktivierten Batteriezelle im Taktbetrieb betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehr als zwei aktivierten Batteriezellen die Halbleiterschalter von wenigstens zwei Batteriezellen im Zeitmultiplex betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Einstellen der Ladungszustände die Ladungszustände der Batteriezellen auf einen Ladungswert eingestellt werden, bei dem sich die Ladungszustände dieser Batteriezellen um weniger als einen vorgebbaren Wert voneinander unterscheiden, insbesondere weniger als 5% voneinander abweichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Alterungszustand wenigstens einer der Batteriezellen ermittelt wird und der Ladungszustand unter Berücksichtung des Alterungszustands eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktionsbereitschaft wenigstens einer der Batteriezellen er- mittelt wird und bei mangelnder Funktionsbereitschaft der wenigstens einen Batteriezelle diese deaktiviert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlvorschrift vorsieht, dass auf Basis von einer Mehrzahl vorzugsweise sämtlichen Batteriezellen ein mittlerer Ladungswert ermittelt wird, und wenigstens eine Batteriezelle mit einem größeren Ladungswert und eine Batteriezelle mit einem kleineren Ladungswert als der mittlere Ladungswert ausgewählt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter der Batteriezellen unter Berücksichtigung von nicht-elektrischen physikalischen Parametern der weiteren Batteriezellen betrieben werden.
9. Einrichtung zum Einstellen von Ladungszuständen von Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtung ausgebildet ist, die Ladungszustände der Batterie- zellen zu ermitteln, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, nach einer vorgebbaren Auswahlvorschrift auszuwählen, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, mittels jeweils eines Halbleiterschalters der Batteriezellen zu aktivieren und die übrigen Batteriezellen mittels der Halbleiterschalter der jeweili- gen übrigen Batteriezellen zu deaktivieren, das Einstellen der Ladungszustände durchzuführen und die Ladungszustände zu überwachen, und das Einstellen der Ladungszustände bei Erreichen eines vorgegeben Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen zu beenden. 10. Batterie, insbesondere für den Einsatz bei einem Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, die elektrisch parallelgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die Batterie eine Einrichtung zum Einstellen von Ladungszuständen der Batteriezellen aufweist, die ausgebildet ist, die Ladungszustände der Batteriezellen zu ermitteln, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, nach einer vorgebbaren Auswahlvorschrift auszuwählen, diejenigen Batteriezellen, deren Ladungszustände einzustellen sind, mittels jeweils eines Halbleiterschalters der Batteriezellen zu aktivieren und die übrigen Batteriezellen mittels der Halbleiterschalter der jeweiligen übrigen Batteriezellen zu deaktivieren, das Einstellen der La- dungszustände durchzuführen und die Ladungszustände zu überwachen, und das Einstellen der Ladungszustände bei Erreichen eines vorgegeben Ladungszustands durch die aktivierten Batteriezellen zu been- den.
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