WO2023083751A1 - Verfahren und vorrichtung zum symmetrieren von akkumulatorzellen eines akkumulatormoduls - Google Patents

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    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing

Definitions

  • the switching unit 7 provides switchable electrically conductive connections CS between the accumulator module 3 and the DC/DC converter 5, so that at least some of the accumulator cells EZ can be connected to the output TA of the DC/DC converter 5 via a switchable electrically conductive connection CS are.
  • the switchable connections CS each have a switch that can be controlled directly or indirectly by the control unit 9 .
  • step S4 for example, loop processing is started so that the accumulator cells EZ are selected in ascending order. This enables a very simple selection of the accumulator cells EZ.
  • FIG. 4b shows over time which switchable electrical connection is connected to the output of the DC/DC converter.
  • the switchable electrical connections CS7 to CS1 are closed one after the other.
  • FIG. 4c shows the associated course over time of an output current direction of the output current IA of the DC/DC converter.
  • the EZ8 battery cell is discharged.
  • the accumulator cells EZ1 to EZ7 are loaded.
  • a positive output current IA flows, ie a current flows out of the output of the DC/DC converter via the electrically conductive connection CS7.
  • the accumulator cells EZ8 and EZ7 are charged.
  • the accumulator cells EZ1 to EZ6 are discharged.
  • the accumulator cells EZ1 to EZ6 thus deliver energy to the entire accumulator module.
  • the output current of the DC/DC converter is therefore negative, ie a current flows into the DC/DC converter.
  • Figure 5b shows over time which switchable electrical connection is connected to the output of the DC/DC converter.
  • FIG. 5c shows the associated course over time of an output current direction of the output current IA of the DC/DC converter.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls (3). Zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen (EZ) weisen jeweils eine schaltbare elektrisch leitenden Verbindung (CS) zu einem Ausgang (TA) eines DC/DC-Wandlers (5) auf. Für ein Symmetrierschritt wird die schaltbare elektrisch leitende Verbindung (CS) einer ausgewählten Akkumulatorzelle (EZ) leitend geschalten, so dass ein Pol der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZ), einen Zwischenknoten (K) bildet, der mit dem Ausgang (TA) des DC/DC-Wandlers (5) verbunden ist und der so die Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ)in eine erste Untergruppe (G1) an Akkumulatorzellen (EZ), die zwischen dem Zwischenknoten (K) und einem ersten Anschluss (PLUS) des Akkumulatormoduls (3) in Serie geschaltet sind, und eine zweite Untergruppe (G2) an Akkumulatorzellen (EZ), die zwischen dem Zwischenknoten (K) und einem zweiten Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3) in Serie geschaltet sind, unterteilt. Eine Stromrichtung eines Ausgangsstroms (IA) des DC/DC-Wandlers (5) wird abhängig von einem Ladezustand (SOC) der ausgewählten Akkumulatorzelle konfiguriert. Wenn der Ladezustand (SOC) der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi) eine vorgegebene Bedingung erfüllt, wird der Schalter der elektrisch leitenden Verbindung (CSi) der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi) geöffnet und die Prozedur für zumindest ein Teil der weiteren Akkumulatorzellen wiederholt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls. Ferner betrifft die Erfindung ein Akkumulatorsystem, ein Computerprogramm zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen und ein computerlesbares Speichermedium.
Um eine maximal nutzbare Gesamtenergie eines Akkumulatormoduls, das mehrere Akkumulatorzellen aufweist, zu erhöhen, kann das Akkumulatormodul symmetriert werden. Dabei wird ein Akkumulatormodul üblicherweise als symmetrisch betrachtet, sobald ein Ladezustand aller Akkumulatorzellen zu einem Zeitpunkt einer vollständigen Zyklisierung einen identischen Wert aufweist. Bei der Symmetrierung werden mittels einer entsprechenden Symmetriereinrichtung die Ladezustände der einzelnen Akkumulatorzellen beispielsweise durch passives Entladen, bei dem einzelne Akkumulatorzellen mittels eines jeweiligen Widerstands, der parallel zu einer jeweiligen Energiespeicherzelle geschaltet ist, entladen, oder durch aktiven Ladungstransfer, bei dem jeweils ausgewählten einzelnen Akkumulatorzellen Ladung zugeführt oder Ladung entzogen wird, angeglichen.
Der Ausgleich des Ladezustands eines Akkumulatormoduls erfordert insbesondere bei der aktiven Symmetrierung (im Englischen auch als „active balancing“ bezeichnet) einen hohen Schaltungs- und Steuerungsaufwand. Die Erzielung einer erschwinglichen Lösung ist eine besondere Herausforderung im Falle sehr langer Hochspannungsreihen von Akkumulatorzellen, die zum Beispiel für ein Hybridfahrzeug erforderlich sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls bereitzustellen, die es ermöglichen, eine Symmetrierung der Akkumulatorzellen mit geringem Schaltungsaufwand zu realisieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Gemäß einem ersten und zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls. Das Akkumulatormodul weist eine Vielzahl an Akkumulatorzellen auf, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des Akkumulatormoduls. Der erste Anschluss des Akkumulatormoduls ist mit einem ersten Eingangsanschluss eines DC/DC-Wandlers und der zweite Anschluss des Akkumulatormoduls ist mit einem zweiten Eingangsanschluss des DC/DC-Wandlers elektrisch leitend verbunden. Zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen sind mit zumindest einem ihrer Pole jeweils über eine elektrisch leitende Verbindung, die einen Schalter zur Unterbrechung der Verbindung aufweist, mit einem Ausgang des DC/DC-Wandlers verbindbar.
Hierbei umfasst das Verfahren die im Folgenden angeführten Schritte, wobei die Reihenfolge der einzelnen Schritte zumindest teilweise vertauscht oder die Schritte zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden können.
In einem Schritt a) wird eine Akkumulatorzelle des zumindest einen Teils an Akkumulatorzellen mit einer schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung ausgewählt.
In einem Schritt b) wird die schaltbare elektrisch leitende Verbindung der ausgewählten Akkumulatorzelle leitend geschalten und die anderen schaltbaren elektrischen Verbindungen werden unterbrochen, so dass ein Pol der ausgewählten Akkumulatorzelle, der mit der schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung verbunden ist, einen Zwischenknoten bildet, der mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers verbunden ist und der so die Vielzahl an Akkumulatorzellen in eine erste Untergruppe an Akkumulatorzellen, die zwischen dem Zwischenknoten und dem ersten Anschluss in Serie geschaltet sind, und eine zweite Untergruppe an Akkumulatorzellen, die zwischen dem Zwischenknoten und dem zweiten Anschluss in Serie geschaltet sind, unterteilt. Eine Zuverlässigkeit kann erhöht werden, wenn zunächst alle schaltbaren elektrischen Verbindungen unterbrochen werden und dann die schaltbare elektrisch leitende Verbindung der ausgewählten Akkumulatorzelle leitend geschaltet wird.
In einem Schritt c) wird eine Stromrichtung eines Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers in den Zwischenknoten abhängig von einem Ladezustand oder einer Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle konfiguriert. Hierfür wird insbesondere ein Ladezustand oder eine Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle verglichen mit einem Ladezustand beziehungsweise einer Zellspannung einer Akkumulatorzelle, die benachbart zu der ausgewählten Akkumulatorzelle und in der anderen Untergruppe als die ausgewählte Akkumulatorzelle angeordnet ist. Vorzugsweise wird ein Ladezustand oder eine Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle verglichen mit einem Ladezustand beziehungsweise einer Zellspannung einer Akkumulatorzelle, die unmittelbar benachbart zu der ausgewählten Akkumulatorzelle angeordnet ist. Wenn die ausgewählte Akkumulatorzelle einen höheren Ladezustand beziehungsweise eine höhere Zellspannung aufweist als die benachbarte Akkumulatorzelle, wird der DC/DC-Wandler so konfiguriert, dass ein vorgegebener Strom in den Ausgang des DC/DC-Wandlers fließt, und wenn die ausgewählte Akkumulatorzelle einen niedrigeren Ladezustand beziehungsweise eine niedrigere Zellspannung aufweist, wird der DC/DC-Wandler so konfiguriert, dass ein vorgegebener Strom aus dem Ausgang des DC/DC-Wandlers herausfließt.
In einen Schritt d) wird, sobald der Ladezustand oder die Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle eine vorgegebene Bedingung erfüllt, der Schalter der elektrisch leitenden Verbindung der ausgewählten Akkumulatorzelle geöffnet. Hierbei wird insbesondere, wenn ein Differenzbetrag zwischen dem Ladezustand oder der Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle und dem Ladezustand beziehungsweise der Zellspannung der benachbarten Zelle einen vorgegeben Schwellwert unterschreitet, der Schalter der elektrisch leitenden Verbindung der ausgewählten Akkumulatorzelle geöffnet.
Die Schritte a) bis d) werden für zumindest eine weitere Akkumulatorzelle des verbleibenden Teils an Akkumulatorzellen, die eine schaltbaren elektrisch leitende Verbindung aufweisen, ebenfalls ausgeführt.
Die Akkumulatorzellen des Akkumulatormoduls werden somit jeweils in zwei Untergruppen beziehungsweise Blöcke unterteilt. Insofern der zweite Anschluss des Akkumulatormoduls dem Minuspol entspricht, wird Energie von der zweiten Untergruppe in das gesamte Akkumulatormodul transferiert. Der Transfer der Energie kann hierbei bidirektional erfolgen, d. h. es wird von der zweiten Untergruppe Energie an das gesamte Akkumulatormodul abgegeben oder es wird von dem gesamten Akkumulatormodul Energie an die zweite Untergruppe abgeben. Die erste Untergruppe und die zweite Untergruppe können hierdurch zumindest teilweise symmetriert werden.
Die Zusammenfassung der Akkumulatorzellen zu jeweiligen Untergruppen, die geladen oder entladen werden, hat den Vorteil, dass weniger Komponenten, wie zum Beispiel Schalter, Induktivitäten und/oder pulsweitenmodulierte Leitungen, benötigt werden und damit die Hardwarekosten gesenkt werden können.
Vorzugsweise ist die Vielzahl von Akkumulatorzellen gleich einer Anzahl N an Akkumulatorzellen, wobei N eine ganze Zahl und N > 4 ist. Vorzugsweise werden die Akkumulatorzellen so ausgewählt und weist das Akkumulatormodul eine ausreichende Anzahl von schaltbaren elektrisch leitenden Verbindungen auf, die so angeordnet sind, dass, wenn das Verfahren durchgeführt wird, zumindest für eine ausgewählte Akkumulatorzelle, für die die Schritte a) bis d) durchgeführt wird, die erste Untergruppe und die zweite Untergruppe jeweils zumindest zwei Akkumulatorzellen aufweisen.
In wenigstens einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt ist der DC/DC-Wandler als Zweiquadranten-DC/DC-Wandler ausgebildet. Der DC/DC-Wandler kann somit an seinem Ausgang Energie abgeben und Energie aufnehmen.
In wenigstens einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt wird in dem Schritt a) die Akkumulatorzelle nach einer vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt. Dies ermöglicht einen sehr einfachen Algorithmus.
In wenigstens einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt wird die Akkumulatorzelle abhängig von einem Ladezustand und/oder einer Zellspannung einer vorgegebenen Untermenge der Vielzahl an Akkumulatorzellen ausgewählt. Insbesondere kann die Akkumulatorzelle abhängig von einem mittleren Ladezustand und/oder einer mittleren Zellspannung einer vorgegebenen Untermenge der Vielzahl an Akkumulatorzellen ausgewählt werden. Dies hat den Vorteil, dass je nach Ladungsverteilung die Symmetrierungsdauer reduziert werden kann.
In wenigstens einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt weist das Akkumulatormodul in Summe N Akkumulatorzellen auf von denen N-1 Akkumulatorzellen über ihren positiven Pol an die schaltbare elektrisch leitende Verbindung angebunden sind und die Schritte a) bis d) werden für diese N-1 Akkumulatorzellen ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass das Akkumulatormodul vollständig symmetriert werden kann, aber gleichzeitig gegenüber einer jeweiligen Einzelakkumulatorzellladung oder -entladung der Schaltungsaufwand reduziert werden kann.
Gemäß einem dritten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Akkumulatorsystem. Das Akkumulatorsystem umfasst ein Akkumulatormodul, einen DC/DC-Wandler und eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt. Das Akkumulatormodul weist eine Vielzahl von Akkumulatorzellen auf, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des Akkumulatormoduls. Der erste Anschluss des Akkumulatormoduls ist mit einem ersten Eingangsanschluss des DC/DC-Wandlers und der zweite Anschluss des Akkumulatormoduls mit einem zweiten Eingangsanschluss des DC/DC-Wandlers elektrisch verbunden. Zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen sind mit zumindest einem ihrer Pole jeweils über eine elektrisch leitende Verbindung, die einen Schalter zur Unterbrechung der Verbindung aufweist, mit einem Ausgang des DC/DC-Wandlers verbindbar.
Gemäß einem vierten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm Anweisungen umfasst, die, wenn das Computerprogramm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer dazu veranlassen das Verfahren zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls gemäß dem ersten Aspekt durchzuführen.
Gemäß einem fünften Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gemäß dem vierten Aspekt gespeichert ist.
Optionale Ausgestaltungen des ersten Aspekts können auch entsprechend bei den weiteren Aspekten vorhanden sein und entsprechende Wirkungen aufweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren werden für Elemente mit im Wesentlichen gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet, diese Elemente müssen jedoch nicht in allen Einzelheiten identisch sein. Die Figuren zeigen:
Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Akkumulatorsystems 1 ,
Figur 2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein Programm zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen eines Akkumulatormoduls,
Figur 3a ein erstes beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul,
Figur 3b zugehörig zu dem in Figur 3a gezeigten Ladezustandsdiagramm, welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils leitend geschalten ist,
Figur 3c zugehörig zu dem in Figur 3a gezeigten Ladezustandsdiagramm einen zeitlichen Verlauf einer Ausgangs-Stromrichtung eines Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers,
Figur 4a ein zweites beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul,
Figur 4b zugehörig zu dem in Figur 4a gezeigten Ladezustandsdiagramm, welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils leitend geschalten ist,
Figur 4c zugehörig zu dem in Figur 4a gezeigten Ladezustandsdiagramm einen zeitlichen Verlauf der Ausgangs-Stromrichtung des Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers,
Figur 5a ein drittes beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul,
Figur 5b zugehörig zu dem in Figur 5a gezeigten Ladezustandsdiagramm, welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils leitend geschalten ist, und Figur 5c zugehörig zu dem in Figur 5a gezeigten Ladezustandsdiagramm einen zeitlichen Verlauf einer Ausgangs-Stromrichtung des Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers.
Figur 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Akkumulatorsystems 1 gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung.
Das Akkumulatorsystem 1 weist ein Akkumulatormodul 3, einen DC/DC-Wandler 5, eine Schalteinheit 7 und eine Steuereinheit 9 auf.
Das Akkumulatormodul 3 ist beispielsweise eine Batterie eines Hybridfahrzeugs. Das Akkumulatormodul 3 weist eine Vielzahl von Akkumulatorzellen EZ auf, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss TPLUS und einem zweiten Anschluss TMINUS des Akkumulatormoduls 3. Vorzugsweise weist das Akkumulatormodul 3 zumindest vier Akkumulatorzellen EZ auf. Die einzelnen Spannungen der in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen EZ addieren sich zu einer Summenspannung, die zwischen dem ersten Anschluss TPLUS und dem zweiten Anschluss TMINUS anliegt.
Der DC/DC-Wandler 5 ist parallel geschaltet zu der Vielzahl der Akkumulatorzellen EZ des Akkumulatormoduls 3. Der erste Anschluss TPLUS des Akkumulatormoduls 3 ist mit einem ersten Eingangsanschluss TE des DC/DC-Wandlers 5 elektrisch leitend verbunden und der zweite Anschluss TMINUS des Akkumulatormoduls 3 ist mit einem zweiten Eingangsanschluss TEg des DC/DC-Wandlers 5 elektrisch verbunden.
Die Schalteinheit 7 stellt schaltbare elektrisch leitende Verbindungen CS zwischen dem Akkumulatormodul 3 und dem DC/DC-Wandler 5 bereit, so dass zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen EZ über eine schaltbare elektrisch leitende Verbindung CS mit dem Ausgang TA des DC/DC-Wandlers 5 verbindbar sind. Die schaltbaren Verbindungen CS weisen jeweils einen Schalter auf, der direkt oder indirekt von der Steuereinheit 9 angesteuert werden kann.
Das Akkumulatormodul 3 weist in Summe beispielsweise N Akkumulatorzellen EZ auf, von denen beispielsweise N-1 Akkumulatorzellen EZ über ihren positiven Pol an solch eine schaltbare elektrisch leitende Verbindung CS angebunden sind. Der DC/DC-Wandler 5 ist vorzugsweise als Zweiquadranten-DC/DC-Wandler ausgebildet und kann somit in zwei Quadranten betrieben werden. Der DC/DC-Wandler 5 ist vorzugsweise ausgebildet Energie von seiner Eingangsseite auf seine Ausgangsseite zu übertragen und umgekehrt. Der DC/DC-Wandler 5 ermöglicht somit einen bidirekionalen Energiefluss.
Durch Schließen des Schalters einer ausgewählten schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung CSi und Öffnen bzw. Offenhalten der Schalter der anderen schaltbaren elektrisch leitenden Verbindungen CS, bildet beispielsweise der positive Pol der zugehörigen Akkumulatorzelle EZi, der an die schaltbare elektrisch leitende Verbindung CSi mit geschlossenem Schalter angebunden ist, einen Zwischenknoten K, der mit dem Ausgang TA des DC/DC-Wandlers 5 verbunden ist und der die Vielzahl an Akkumulatorzellen EZ in eine erste Untergruppe G1 an Akkumulatorzellen EZ, die zwischen dem Zwischenknoten K und dem ersten Anschluss TPLUS in Serie geschaltet sind, und eine zweite Untergruppe G2 an Akkumulatorzellen EZ, die zwischen dem Zwischenknoten K und dem zweiten Anschluss TMINUS in Serie geschaltet sind, unterteilt.
Die Steuereinheit 9, die auch als Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen EZ eines Akkumulatormoduls 3 bezeichnet werden kann, ist insbesondere ausgebildet, die Schalterstellungen der Schalter der Schalteinheit 7 zu steuern.
Die Steuereinheit 9 ist beispielsweise zusätzlich mit dem DC/DC-Wandler 5 gekoppelt und ausgebildet, den DC/DC-Wandler 5 zu konfigurieren in Bezug auf einen Quadrantenbetrieb des DC/DC-Wandlers 5.
Die spezielle Ankopplung der Akkumulatorzellen EZ an den DC/DC-Wandler 5 und der Zweiquadrantenbetrieb ermöglichen den Energietransfer, sowohl positiv als auch negativ, von einer Untergruppe G1 , G2 von Akkumulatorzellen EZ zu sämtlichen Akkumulatorzellen EZ des Akkumulatormoduls 3.
Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein Programm zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen EZ eines Akkumulatormoduls 3, wie es beispielsweise in Figur 1 gezeigt ist.
In einem Schritt S1 wird das Programm zunächst gestartet. In einem Schritt S3 werden beispielsweise alle Schalter der schaltbaren elektrisch leitenden Verbindungen CS geöffnet, so dass keine der Akkumulatorzellen EZ mit dem Ausgang TA des DC/DC-Wandlers 5 elektrisch leitend verbunden ist. Zusätzlich kann in Schritt S3 eine Initialisierung von Programmvariablen erfolgen.
In einem Schritt S4 wird eine der Akkumulatorzellen EZi des Akkumulatormoduls 3 ausgewählt. Die Akkumulatorzelle EZi wird beispielsweise abhängig von einer vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt. Die Reihenfolge kann beispielsweise vorsehen, dass die Akkumulatorzellen EZ in Richtung erstem Anschluss TPLUS aufsteigend mit einem Indexwert versehen werden und die Akkumulatorzellen EZ nach aufsteigender Reihenfolge oder absteigender Reihenfolge der Indexwerte ausgewählt werden.
In Schritt S4 wird beispielsweise eine Schleifenbearbeitung gestartet, so dass die Akkumulatorzellen EZ nach aufsteigender Reihenfolge ausgewählt werden. Dies ermöglicht eine sehr einfache Auswahl der Akkumulatorzellen EZ.
Alternativ oder zusätzlich kann die Akkumulatorzelle EZi abhängig von einem mittleren Ladezustand und/oder einer mittleren Zellspannung einer vorgegebenen Untermenge der N Akkumulatorzellen EZ ausgewählt werden. Die vorgegebene Menge kann jeweils die erste Untergruppe G1 oder zweite Untergruppen G2 sein, die sich für die ausgewählte Akkumulatorzelle EZi beim Schließen der zugeordneten schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung CS ergibt.
In Schritt S5 wird beispielsweise ein Ladezustand der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi mit dem Ladzustand der unmittelbar benachbarten Akkumulatorzelle EZj+i, die in der anderen Untergruppe G1 , G2 angeordnet ist, verglichen. Wenn der Differenzbetrag der Ladezustände einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird das Programm in einem Schritt S7 fortgesetzt, falls Differenzbetrag der Ladezustände den vorgegebenen Schwellwert nicht überschreitet, wird das Programm in dem Schritt S9 fortgesetzt.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, in dem Schritt S5 Zellspannungen zu vergleichen.
Messwerte für die Ladzustände und/oder die Zellspannungen können beispielsweise von hierfür vorgesehene Messeinrichtungen erfasst und für die Steuereinheit 9 bereitgestellt werden. In dem Schritt S7 wird die Stromrichtung des Ausgangsstroms IA des DC/DC-Wandlers 5 in den Zwischenknoten K abhängig von dem Ladezustand SOC oder der Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi konfiguriert, insbesondere abhängig vom dem Vergleich des Ladezustands SOC beziehungsweise der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi mit dem Ladzustand der unmittelbar benachbarten Akkumulatorzelle EZj+i , die in der anderen Untergruppe angeordnet ist.
In dem Schritt S7 wird die Schalteinheit 7 so angesteuert, dass die schaltbare elektrisch leitende Verbindung CSi der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi leitend geschalten und die anderen schaltbaren elektrischen Verbindungen CS unterbrochen sind. Dies bewirkt, dass der Pol der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi, der mit der schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung CSi verbunden ist, einen Zwischenknoten K bildet, der mit dem Ausgang TA des DC/DC-Wandlers 5 verbunden ist und der so die Vielzahl an Akkumulatorzellen EZ in eine erste Untergruppe G1 an Akkumulatorzellen EZ, die zwischen dem Zwischenknoten K und dem ersten Anschluss TPLUS in Serie geschaltet sind, und eine zweite Untergruppe G2 an Akkumulatorzellen EZ, die zwischen dem Zwischenknoten K und dem zweiten Anschluss TMINUS in Serie geschaltet sind, unterteilt.
Das Programm wird in dem Schritt S5 fortgesetzt. Dies bedeutet, dass der Schaltzustand so lange gehalten wird, bis sich der Ladezustand SOC der ausgewählten Akkumulatorzelle EZi mit dem Ladzustand der benachbarten Akkumulatorzelle EZj+i, die in der anderen Untergruppe G1 , G2 angeordnet ist, angeglichen hat.
Wenn sich die Ladezustände angeglichen haben, wird das Programm im Schritt S9 fortgesetzt. In dem Schritt S9 wird die Schalteinheit 7 so angesteuert, dass sämtliche Schalter der schaltbaren elektrisch leitenden Verbindungen CS geöffnet sind, und die Prozedur wird im Schritt S5 für eine weitere Akkumulatorzelle EZ fortgesetzt. Das Programm wird in einem Schritt S11 beendet, vorzugsweise wenn alle Akkumulatorzellen EZ symmetriert sind. Hierzu kann die Prozedur für eine oder mehrere Akkumulatorzellen EZ auch mehrmals durchlaufen werden. Solch eine Abfrage kann beispielsweise in Schritt S10 erfolgen.
Figur 3a zeigt ein beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul
3 mit acht Akkumulatorzellen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren symmetriert werden. Die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ8 sind hierbei aufeinanderfolgend in einer Reihe angeordnet und werden der Reihe nach von EZ1 bis EZ7 symmetriert. Den jeweiligen Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ7 sind jeweils die elektrisch leitenden Verbindungen CS1 bis CS7 eins zu eins zu geordnet, d. h. die Akkumulatorzelle EZ1 wird über die elektrisch leitenden Verbindungen CS1 an den Ausgang des DC/DC-Wandlers angeschlossen.
In einem ersten Schritt wird die Akkumulatorzelle EZ1 ausgewählt. Da der Ladezustand SOC der Akkumulatorzelle EZ1 geringer ist als der Ladezustand SOC der Akkumulatorzelle EZ2, wird die Akkumulatorzelle EZ1 geladen und die Akkumulatorzellen EZ2 bis EZ8 entladen. Die Akkumulatorzelle EZ1 wird solange geladen, bis sie den gleichen Ladezustand SOC wie die Akkumulatorzelle EZ2 aufweist.
In einem weiteren Schritt wird eine weitere Akkumulatorzelle hinzugenommen durch Schließen der elektrisch schaltbaren Verbindung CS2 und Öffnen der elektrisch schaltbaren Verbindungen CS1 und Offenhalten von CS3 bis CS7, so dass dann die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 entladen und die Akkumulatorzellen EZ3 bis EZ8 geladen werden. Da die Akkumulatorzelle EZ3 einen geringeren Ladzustand als die Akkumulatorzelle EZ2 aufweist, werden die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 entladen. Da die Akkumulatorzelle EZ1 zu dem Zeitpunkt den gleichen Ladezustand SOC aufweist wie die Akkumulatorzelle EZ2 und in der gleichen Untergruppe G1 , G2 angeordnet ist, wird die Akkumulatorzelle EZ1 ebenfalls entladen.
Hierbei fließt durch die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 ein „Entladestrom“ von der Akkumulatorzelle EZ1 in Richtung zur Akkumulatorzelle EZ2. Durch die Akkumulatorzellen EZ3 bis EZ8 fließt ein „Ladestrom“ durch die Akkumulatorzelle EZ8 in Richtung zur Akkumulatorzelle EZ3. Die beiden Ströme addieren sich im Zwischenknoten K und fließen dann in Richtung des Ausgangs TA des DC/DC-Wandlers.
Die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 werden gemeinsam solange entladen bis sie den gleichen Ladezustand SOC wie die Akkumulatorzelle EZ3 aufweisen.
Im nächsten Schritt wird die Akkumulatorzelle EZ3 hinzugenommen und die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ3 werden gemeinsam aufgeladen (SOC(EZ3) < SOC(EZ4)), bis sie den Ladezustand SOC der Akkumulatorzelle EZ4 aufweisen. Die Akkumulatorzellen EZ4 bis EZ8 werden in der gleichen Zeit gemeinsam entladen.
Anschließend wird die Akkumulatorzelle EZ4 hinzugenommen und die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ4 werden so lange gemeinsam aufgeladen, bis sie den Ladezustand SOC der Akkumulatorzelle EZ5 erreicht haben (SOC(EZ4) < SOC (EZ5)). Die Akkumulatorzellen EZ5 bis EZ8 werden in der gleichen Zeit gemeinsam entladen.
Die Prozedur wurde bis zur Akkumulatorzelle EZ7 beziehungsweise bis zur schaltbaren elektrischen Verbindung CS7 fortgesetzt, so dass sich der Ladezustand SOC von allen acht Akkumulatorzellen EZ angleicht.
Figur 3b zeigt über die Zeit welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils verbunden ist mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers. In y-Richtung ist der Index der schaltbaren elektrischen Verbindungen aufgetragen. Es werden nacheinander die schaltbaren elektrische Verbindung CS1 bis CS7 geschlossen.
Figur 3c zeigt einen zugehörigen zeitlichen Verlauf einer Ausgangs-Stromrichtung des Ausgangsstroms IA des DC/DC-Wandlers. Im ersten Schritt wird die Akkumulatorzelle EZ1 entladen. Es fließt ein positiver Ausgangsstrom IA, d.h. es fließt ein Strom aus dem Ausgang des DC/DC-Wandlers heraus. Im zweiten Schritt werden die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 entladen. Die Akkumulatorzellen EZ1 und EZ2 geben somit Energie an das gesamte Akkumulatormodul ab. Der Ausgangstrom des DC/DC-Wandlers ist somit negativ, d. h. es fließt ein Strom in den DC/DC-Wandler.
Figur 4a zeigt ein beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul 3 mit acht Akkumulatorzellen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren symmetriert wurden. Die Akkumulatorzellen 1 bis 8 werden im Vergleich zu Figur 3a in umgekehrter Reihenfolg von 8 bis 1 symmetriert.
Figur 4b zeigt über die Zeit welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils verbunden ist mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers. Es werden nacheinander die schaltbaren elektrische Verbindung CS7 bis CS1 geschlossen.
Figur 4c zeigt den zugehörigen zeitlichen Verlauf einer Ausgangs-Stromrichtung des Ausgangsstroms IA des DC/DC-Wandlers. Im ersten Schritt wird die Akkumulatorzelle EZ8 entladen. Die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ7 werden geladen. Es fließt ein positiver Ausgangsstrom IA, d.h. es fließt ein Strom aus dem Ausgang des DC/DC-Wandlers über die elektrisch leitende Verbindung CS7 heraus. Im zweiten Schritt werden die Akkumulatorzellen EZ8 und EZ7 geladen. Die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ6 werden entladen. Die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ6 geben somit Energie an das gesamte Akkumulatormodul ab. Der Ausgangstrom des DC/DC-Wandlers ist somit negativ, d. h. es fließt ein Strom in DC/DC-Wandler.
Figur 5a zeigt ein weiteres beispielhaftes Ladezustandsdiagramm für ein Akkumulatormodul 3 mit acht Akkumulatorzellen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren symmetriert werden. Die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ8 werden in einer kombinierten Weise, wie sie in den Figuren 4 und 5 gezeigt wird, symmetriert.
In einem ersten Schritt erfolgt die Auswahl der Akkumulatorzelle, mit der gestartet wird, abhängig von jeweiligen Ladezuständen verschiedener Zellen. Es wird beispielsweise, wenn die Differenz |SOC(EZ8)-SOC(EZ7)| > |SOC(EZ1 )-SOC(EZ2)| ist die Richtung 8 -> 1 ausgewählt, ansonsten die Richtung 1 -> 8. D.h. in Figur 5a ist zunächst die elektrisch leitende Verbindung CS7 geschlossen (siehe Figur 5c) und damit wird die Akkumulatorzelle EZ8 entladen und die Akkumulatorzellen EZ1 bis EZ7 geladen. In einem nächsten Schritt ist die die elektrisch leitende Verbindung CS1 geschlossen und damit wird die Akkumulatorzelle EZ1 geladen und die Akkumulatorzellen EZ2 bis EZ8 entladen
Im dritten Schritt ist erneut die elektrisch leitende Verbindung CS7 geschlossen (siehe Figur 5c) und damit wird die Akkumulatorzelle EZ8 erneut entladen. Im Anschluss daran erfolgt die Ladezustandsanpassung wie in Figur 3a beschrieben. Für die Richtungsumschaltung wird eine Hysterese-Funktion genutzt, um häufiges hin- und herschalten zu vermeiden. Mit der in Figur 5a genutzten Auswahlmethoden der Akkumulatorzellen EZ kann wesentlich schneller zumindest eine verbesserte Symmetrierung der Akkumulatorzellen EZ erreicht werden.
Figur 5b zeigt über die Zeit welche schaltbare elektrische Verbindung jeweils verbunden ist mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers..
Figur 5c zeigt den zugehörigen zeitlichen Verlauf einer Ausgangs-Stromrichtung des Ausgangsstroms IA des DC/DC-Wandlers.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen (EZ) eines Akkumulatormoduls (3), wobei
- das Akkumulatormodul (3) eine Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ) aufweist, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss (TPLUS) und einem zweiten Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3),
- der erste Anschluss (TPLUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem ersten Eingangsanschluss (TE) eines DC/DC-Wandlers (5) und der zweite Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem zweiten Eingangsanschluss (TEg) des DC/DC-Wandlers (5) elektrisch leitend verbunden sind,
- zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen (EZ) mit zumindest einem ihrer Pole jeweils über eine elektrisch leitende Verbindung (CS), die einen Schalter zur Unterbrechung der Verbindung aufweist, mit einem Ausgang (TA) des DC/DC-Wandlers (5) verbindbar sind, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) eine Akkumulatorzelle (EZ,) des zumindest einen Teils an Akkumulatorzellen (EZ) mit einer schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung (CS) wird ausgewählt, b) die schaltbare elektrisch leitende Verbindung (CSi) der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi) wird leitend geschalten und die anderen schaltbaren elektrischen Verbindungen (CS) werden unterbrochen, so dass ein Pol der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi), der mit der schaltbaren elektrisch leitenden Verbindung (CSi) verbunden ist, einen Zwischenknoten (K) bildet, der mit dem Ausgang (TA) des DC/DC-Wandlers (5) verbunden ist und der so die Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ) in eine erste Untergruppe (G1 ) an Akkumulatorzellen (EZ), die zwischen dem Zwischenknoten (K) und dem ersten Anschluss (TPLUS) in Serie geschaltet sind, und eine zweite Untergruppe (G2) an Akkumulatorzellen (EZ), die zwischen dem Zwischenknoten (K) und dem zweiten Anschluss (TMINUS) in Serie geschaltet sind, unterteilt, c) eine Stromrichtung eines Ausgangsstroms (IA) des DC/DC-Wandlers (5) in den Zwischenknoten (K) wird abhängig von einem Ladezustand (SOC) oder einer Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi) konfiguriert, d) wenn der Ladezustand (SOC) oder die Zellspannung der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZ,) eine vorgegebene Bedingung erfüllt, wird der Schalter der elektrisch leitenden Verbindung (CSi) der ausgewählten Akkumulatorzelle (EZi) geöffnet, wobei für zumindest eine weitere Akkumulatorzelle (EZ) des verbleibenden Teils an Akkumulatorzellen (EZ), die eine schaltbaren elektrisch leitende Verbindung (CS) aufweisen, die Schritte a) bis d) durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der DC/DC-Wandler (5) als Zweiquadranten-DC/DC-Wandler ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem Schritt a) die Akkumulatorzelle (EZi) nach einer vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in dem Schritt a) die Akkumulatorzelle (EZi) abhängig von einem Ladezustand und/oder einer Zellspannung einer vorgegebenen Untermenge der Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ) ausgewählt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei das Akkumulatormodul (3) in Summe N Akkumulatorzellen (EZ) aufweist, von denen N-1 Akkumulatorzellen (EZ) über ihren positiven Pol an die schaltbare elektrisch leitende Verbindung (CS) angebunden sind und die Schritte a) bis d) für diese N-1 Akkumulatorzellen (EZ) ausgeführt werden.
6. Vorrichtung zum Symmetrieren von Akkumulatorzellen (EZ) eines Akkumulatormoduls (3), wobei
- das Akkumulatormodul (3) eine Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ) aufweist, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss (TPLUS) und einem zweiten Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3),
- der erste Anschluss (TPLUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem ersten Eingangsanschluss (TE) eines DC/DC-Wandlers (5) und der zweite Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem zweiten Eingangsanschluss (TEg) des DC/DC-Wandlers (5) elektrisch leitend verbunden ist,
- zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen (EZ) mit zumindest einem ihrer Pole jeweils über eine elektrisch leitende Verbindung (CS), die einen Schalter zur Unterbrechung der Verbindung aufweist, mit einem Ausgang (TA) des 16
DC/DC-Wandlers (5) verbindbar ist, und die Vorrichtung dazu ausgebildet ist das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
7. Akkumulatorsystem (1 ) mit einem Akkumulatormodul (3), einem DC/DC-Wandler (5) und einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 6, wobei
-das Akkumulatormodul (3) eine Vielzahl an Akkumulatorzellen (EZ) aufweist, die in Reihe geschaltet sind zwischen einem ersten Anschluss (TPLUS) und einem zweiten Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3),
- der erste Anschluss (TPLUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem ersten Eingangsanschluss (TE) eines DC/DC-Wandlers (5) und der zweite Anschluss (TMINUS) des Akkumulatormoduls (3) mit einem zweiten Eingangsanschluss (TEg) des DC/DC-Wandlers (5) elektrisch leitend verbunden ist,
- zumindest ein Teil der Akkumulatorzellen (EZ) mit zumindest einem ihrer Pole jeweils über eine elektrisch leitende Verbindung (CS), die einen Schalter zur Unterbrechung der Verbindung aufweist, mit dem Ausgang (TA) des DC/DC-Wandlers (5) verbindbar sind.
8. Computerprogramm, wobei das Computerprogramm Anweisungen umfasst, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
9. Computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102009016759A1 (de) * 2009-04-07 2010-10-21 Austriamicrosystems Ag Ladungsausgleichsschaltung für einen Energiespeicherblock und Verfahren zum Ladungsausgleich
CH715078A2 (de) * 2018-06-09 2019-12-13 Manuel Raeber Elektronische Schaltung zum Durchführen eines Ladezustandsausgleichs zwischen Batteriezellen eines Batteriesystems.

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