DE102013201450A1 - Vorrichtung zur Ansteuerung und elektrischen Versorgung einer Zellausgleichs-Schaltungsanordnung und entsprechendes Ausgleichsverfahren - Google Patents

Vorrichtung zur Ansteuerung und elektrischen Versorgung einer Zellausgleichs-Schaltungsanordnung und entsprechendes Ausgleichsverfahren Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (22) zur Ansteuerung und elektrischen Versorgung mindestens einer Zellausgleichs-Schaltungsanordnung (20) für die Speicherzellen (12) von mindestens einem elektrischen Energiespeicher (14) für ein Fahrzeug. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung(24) zur Ansteuerung der Zellausgleichs-Schaltungsanordnung (20) über ein Bus-System (28), die Systemkomponenten (30) dieses Bussystems (28) und eine fahrzeugunabhängige Spannungsquelle (26) auf. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Ansteuerung und elektrischen Versorgung mindestens einer Zellausgleichs-Schaltungsanordnung für die Speicherzellen von mindestens einem elektrischen Energiespeicher für ein Fahrzeug.
  • Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft in Fahrzeugen, zum Beispiel in Elektro- und Hybridfahrzeugen, vermehrt neue elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare Batterien (im Weiteren kurz als Batterien bezeichnet) als Spannungsquellen zum Einsatz kommen werden. Bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden diese elektrischen Energiespeicher zur Stromversorgung der elektrischen Antriebsmaschinen genutzt. Entsprechende Batterien werden als Traktionsbatterien bezeichnet. In der Regel werden in einem Fahrzeug mehrere Batterien (Batteriemodule) zu einem Batteriepack verschaltet. Ein elektrischer Energiespeicher besteht aus einer Vielzahl von Speicherzellen (Batteriezellen). Um die entsprechenden Energie- und Leistungsanforderungen an die Batterie zu erfüllen, werden deren Batteriezellen in Reihe und/oder parallel geschaltet. Obwohl die Herstellung der Batteriezellen standardisiert ist und ausgezeichnete Herstellungsverfahren durch die Hersteller der Energiespeicher realisiert werden, werden dennoch Unterschiede der elektrischen Eigenschaften (z. B. Spannung, Kapazität, Innenimpedanz) bei den einzelnen Zellen beobachtet. In einer Batterie sind die einzelnen Batteriezellen daher nie identisch hinsichtlich elektrischer Leistung. Gleiches gilt auch für andere elektrische Energiespeicher.
  • Bei Batteriezellen, die in der Batterie in Reihe geschaltet sind, stoppt der Entladevorgang, sobald eine der Batteriezellen ihre Entlade-Spannungsgrenze erreicht hat. Entsprechendes gilt für den Ladevorgang der Batterie. Der Ladevorgang stoppt, sobald die Ladespannungsgrenze einer der Batteriezellen erreicht ist. Die schwächste Zelle ist daher die erste, die vollständig geladen oder entladen wird. Somit ist die Batterie bzw. das Batteriemodul immer nur so gut wie deren/dessen schwächste Zelle.
  • Daher weisen Batterie-Management-Systeme von Batterien oft eine Zellausgleichs-Schaltungsanordnung (Cell-Balancer Schaltungsanordnung) zum Ausgleichen der Zellenspannungen der einzelnen Batteriezellen der Batterie (des Batteriemoduls) auf. Die US 2011/0109269 A1 zeigt eine entsprechende Zellausgleichs-Schaltungsanordnung. Ist die Batterie im Fahrzeug montiert, so wird das Batterie-Managementsystem direkt von der Batterie oder über das Bordnetz des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt und die Zellausgleichs-Schaltungsanordnung vom Batterie-Management-System angesteuert.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass der entsprechende Ausgleich der Zellspannungen der Speicherzellen mit einer derartigen Vorrichtung vor Montage des mindestens einen elektrischen Energiespeichers im Fahrzeug erfolgen kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Ansteuerung der Zellausgleichs-Schaltungsanordnung über ein Bus-System, die Systemkomponenten dieses Bussystems und eine fahrzeugunabhängige Spannungsquelle auf. Vorzugsweise ist die Vorrichtung als ein Stand-Alone-Gerät (also ein eigenständiges Gerät, das seine Funktion ohne weitere Zusatzgeräte erfüllen kann) mit Bus-Leitungen und entsprechenden Schnittstellen als Systemkomponenten ausgebildet.
  • Mit Vorteil ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass der entsprechende Ausgleich der Zellspannungen der Speicherzellen von der Vorrichtung mittels der Zellausgleichs-Schaltungsanordnung fahrzeugunabhängig durchführbar ist. Der Ausgleich der Zellspannungen der Speicherzellen mit einer derartigen Vorrichtung kann vor Montage der Batterie in das Fahrzeug völlig unabhängig von diesem Fahrzeug durchgeführt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zum Ausgleich der Zellspannungen der Batteriezellen eines als wiederaufladbare Batterie ausgebildeten elektrischen Energiespeichers ausgebildet. Diese Batterie ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Zellausgleichs-Schaltungsanordnung mittels eines Energiespeicher-Management-Systems gebildet, wobei das Managementsystem über das Bussystem mit der Steuerund/oder Regeleinrichtung signaltechnisch verbunden ist. Ist der elektrische Energiespeicher eine Batterie, so ist das Energiespeicher-Management-System ein Batterie-Management-System (BMS).
  • Insbesondere weist die Vorrichtung die Zellausgleichs-Schaltungsanordnung auf. Mittels einer solchen Vorrichtung kann der Zellausgleich auch bei elektrischen Energiespeichern ohne Energiespeicher-Management-System durchgeführt werden.
  • Gemäß noch einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung weiterhin eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige eines Ausgleichszustands der Speicherzellen oder eine Schnittstelle zum signaltechnischen Anschluss einer solchen Anzeigeeinrichtung auf.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Spannungsquelle ein Netzteil zum Anschluss an ein öffentliches Spannungsnetz und/oder einen eigenen elektrischen Energiespeicher auf.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Bus-System als CAN-Bus-System mit entsprechenden Systemkomponenten ausgebildet. Der CAN-Bus (Controller Area Network) ist ein asynchrones, serielles Bussystem und gehört zu den Feldbussen.
  • Die Erfindung geht weiterhin von einem Verfahren zum Ausgleichen der Zellspannungen von Speicherzellen eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug mittels einer Zellausgleichs-Schaltungsanordnung aus. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass es unter Verwendung der vorstehend genannten Vorrichtung unabhängig von dem Fahrzeug durchführbar ist/durchgeführt wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ausgleich der Zellspannungen mittels eines elektrischen Energietransfers zwischen einzelnen Speicherzellen untereinander oder zwischen einzelnen Speicherzellen und den restlichen Speicherzellen des elektrischen Energiespeichers insgesamt erfolgt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ausgleich der Zellspannungen mittels eines elektrischen Energietransfers über mindestens ein kapazitives Element der Zellausgleichs-Schaltungsanordnung erfolgt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Abbildung näher erläutert. Es zeigt
  • 1 eine schematische Darstellung eines Systems zum Ausgleichen der Zellspannungen von Speicherzellen eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs.
  • Die 1 zeigt ein Gesamtsystem 10 zum Ausgleichen der Zellspannungen von Speicherzellen 12 eines elektrischen Energiespeichers 14 eines Fahrzeugs und den entsprechenden Energiespeicher 14 selbst. Der Energiespeicher 14 ist im dargestellten Beispiel eine wiederaufladbare Batterie 16 mit mehreren in Serie geschalteten Batteriezellen 18 als Speicherzellen 12. Das Gesamtsystem 10 besteht aus einer Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 20 (Cell-Balancer Schaltungsanordnung) und einer Vorrichtung 22 zur Ansteuerung und elektrischen Versorgung mindestens einer solchen Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 20. Die Vorrichtung 22 weist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 24 zur Ansteuerung der mindestens einen Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 20, eine fahrzeugunabhängige Spannungsquelle 26 und ein Bus-System 28 mit entsprechenden Systemkomponenten 30 (wie Leitungen, Schnittstellen, etc.) auf. Die Vorrichtung 22 ist dabei so ausgestaltet beziehungsweise konfiguriert, dass der entsprechende Ausgleich der Zellspannungen der Speicherzellen 12 von der Vorrichtung 22 mittels der Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 20 fahrzeugunabhängig durchführbar ist.
  • Die Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 20 ist mittels eines Energiespeicher-Management-Systems 32 gebildet. Dabei ist die gezeigte Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 20 lediglich eine von vielen möglichen Ausgestaltungen einer solchen Schaltungsanordnung 20. Die eingangs erwähnte Druckschrift US 2011/0109269 A1 zeigt weitere mögliche Varianten einer solchen Schaltungsanordnung 20. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 20 sind die einzelnen Zellen 12, 18 über je zwei Strompfade mit einem zugeordneten Schalt-Transistor 34 verbunden. Jeder dieser Schalt-Transistoren 34 kann einzeln angesteuert werden. In jedem der Strompfade ist ein Widerstand 36 angeordnet. Über diese Widerstände 36 können die einzelnen Zellen 12, 18 individuell entladen werden.
  • Bei alternativen (hier nicht gezeigten) Ausgestaltungen der Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 20 kann der Ausgleich der Zellspannungen mittels eines elektrischen Energietransfers zwischen einzelnen Speicherzellen untereinander oder zwischen einzelnen Speicherzellen 12 und den restlichen Speicherzellen 12 des elektrischen Energiespeichers 14 erfolgen. Einige dieser Zellausgleichs-Schaltungsanordnungen 20 weisen kapazitive Bauelemente auf (nicht gezeigt), über die der elektrische Energietransfer zum Ausgleich der Zellspannungen erfolgt.
  • Das Energiespeicher-Managementsystem 32 für eine wiederaufladbare Batterie 16 ist ein Batterie-Management-System (BMS) 38. Bei einigen Batterien bzw. Batteriemodulen ist ein solches BMS 38 (neben der eigentlichen Batterie 16) direkt integriert. Das Energiespeicher-Managementsystem 32 ist über das Bus-System 28 mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 24 der Vorrichtung 22 signaltechnisch verbunden. Selbstverständlich können auch weitere Energiespeicher-Managementsysteme 32 beziehungsweise Zellausgleichs-Schaltungsanordnungen 20 über das Bus-System 28 mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 24 verbunden sein.
  • Die Vorrichtung weist weiterhin eine Anzeigeeinrichtung 40 zur Anzeige eines Ausgleichszustands der Speicherzellen 12 auf. Die Anzeige erfolgt beispielsweise mittels LEDs (LED-Anzeige). Die Spannungsversorgung des Energiespeicher-Management-Systems 32 beziehungsweise der Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 20 erfolgt über die Spannungsquelle 26 der Vorrichtung 22.
  • Das in der 1 gezeigte Bus-System 28 ist ein CAN-Bus-System mit entsprechenden Systemkomponenten 30. Der CAN-Bus (Controller Area Network) ist ein gängiges Bus-System für Fahrzeuge.
  • Die Vorrichtung 22 ist als ein Stand-Alone-Gerät (also ein eigenständiges Gerät, das seine Funktion ohne weitere Zusatzgeräte erfüllen kann) mit Bus-Leitungen und entsprechenden Schnittstellen als Systemkomponenten 30 ausgebildet.
  • Es ergeben sich folgende Vorteile:
    Der Ausgleich der Zellspannungen der Speicherzellen 12 kann mit einer derartigen Vorrichtung 22 (beziehungsweise einem solchen Gerät) vor Montage des Energiespeichers im Fahrzeug durchgeführt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2011/0109269 A1 [0004, 0019]

Claims (10)

  1. Vorrichtung (22) zur Ansteuerung und elektrischen Versorgung mindestens einer Zellausgleichs-Schaltungsanordnung (20) für die Speicherzellen (12) von mindestens einem elektrischen Energiespeicher (14) für ein Fahrzeug, mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (24) zur Ansteuerung der Zellausgleichs-Schaltungsanordnung (20) über ein Bus-System (28), den Systemkomponenten (30) dieses Bussystems (28) und einer fahrzeugunabhängigen Spannungsquelle (26).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (22) derart ausgestaltet ist, dass der entsprechende Ausgleich der Zellspannungen der Speicherzellen (12) von der Vorrichtung mittels der Zellausgleichs-Schaltungsanordnung (20) fahrzeugunabhängig durchführbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese zum Ausgleich der Zellspannungen von Batteriezellen (18) eines als wiederaufladbare Batterie (16) ausgebildeten elektrischen Energiespeichers (14) ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellausgleichs-Schaltungsanordnung (20) mittels eines Energiespeicher-Management-Systems (32) gebildet wird, wobei das Management-System (32) über das Bussystem (28) mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (24) signaltechnisch verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige eines Ausgleichszustands der Speicherzellen (12) oder eine Schnittstelle zum signaltechnischen Anschluss einer Anzeigeeinrichtung.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (26) ein Netzteil zum Anschluss an ein öffentliches Spannungsnetz und/oder einen eigenen elektrischen Energiespeicher aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bus-System (28) als CAN-Bus-System mit entsprechenden Systemkomponenten (30) ausgebildet ist.
  8. Verfahren zum Ausgleichen der Zellspannungen von Speicherzellen (12) eines elektrischen Energiespeichers (14) für ein Fahrzeug mittels einer Zellausgleichs-Schaltungsanordnung (20) und unter Verwendung der Vorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 unabhängig von dem Fahrzeug.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleich der Zellspannungen mittels eines elektrischen Energietransfers zwischen einzelnen Speicherzellen (12) untereinander oder zwischen einzelnen Speicherzellen (12) und den restlichen Speicherzellen (12) des elektrischen Energiespeichers erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleich der Zellspannungen mittels eines elektrischen Energietransfers über mindestens ein kapazitives Element der Zellausgleichs-Schaltungsanordnung (20) erfolgt.
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