DE102013209383A1 - Battery with at least one battery string with several battery modules and method for controlling a battery voltage - Google Patents

Battery with at least one battery string with several battery modules and method for controlling a battery voltage Download PDF

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Abstract

Es wird eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang (10) beschrieben, der mehrere durch Ansteuerung zu dem Batteriestrang (10) zuschaltbare und überbrückbare Batteriemodule (11) umfasst, wobei jedes Batteriemodul (11) eine Mehrzahl von Batteriezellen (12) aufweist. Die Batterie umfasst Ansteuerungsmittel, die dazu eingerichtet sind, die Batteriemodule (11) mittels eines pulsweitenmodulierten Signals (24) derart anzusteuern, dass durch das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals eine durchschnittliche Einschaltzeit eines jeweiligen Batteriemoduls (11) bestimmt ist. Ferner wird ein dazugehöriges Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung (UHV) beschrieben.A battery with at least one battery string (10) is described, which comprises a plurality of battery modules (11) which can be connected and bridged by activation to the battery string (10), each battery module (11) having a plurality of battery cells (12). The battery comprises control means which are set up to control the battery modules (11) by means of a pulse width modulated signal (24) such that an average switch-on time of each battery module (11) is determined by the pulse duty factor of the pulse width modulated signal. Furthermore, an associated method for regulating a battery voltage (UHV) is described.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang, der mehrere durch Ansteuerung zu dem Batteriestrang zuschaltbare und überbrückbare Batteriemodule umfasst, wobei jedes Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung einer Batterie, die mindestens einen Batteriestrang mit mehreren zu dem Batteriestrang jeweils zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriemodulen umfasst.The present invention relates to a battery having at least one battery string, which comprises a plurality of battery modules connectable and bridgeable by actuation to the battery string, wherein each battery module has a plurality of battery cells. Furthermore, the invention relates to an associated method for controlling a battery voltage of a battery, which comprises at least one battery string with a plurality of battery modules each switchable to the battery string and bridgeable battery modules.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, weisen die Batteriesysteme eine hohe Zahl von Batteriezellen auf, die in Reihe und oft zusätzlich parallel geschaltet sind. Die Batteriezellen sind typischerweise in Batteriemodulen angeordnet, wobei ein Batteriemodul definitionsgemäß zwei oder mehr Batteriezellen umfasst. So kann ein Batteriemodul typischerweise eine Reihenschaltung aus 6 Batteriezellen aufweisen. Die einzelnen Batteriemodule können ferner jeweils elektronische Komponenten wie beispielsweise eine integrierte Überwachungs- und/oder Messelektronik/Steuerungselektronik aufweisen. Schließlich werden die Batteriemodule miteinander in Reihe zu einem Batteriestrang und/oder parallel geschaltet und bilden zusammen eine Batterie.It is becoming apparent that in the future, battery systems will increasingly be used in stationary applications as well as in vehicles such as hybrid and electric vehicles. In order to meet the requirements for voltage and power available for a particular application, the battery systems have a high number of battery cells, which are connected in series and often additionally in parallel. The battery cells are typically arranged in battery modules, wherein a battery module by definition comprises two or more battery cells. Thus, a battery module can typically have a series connection of 6 battery cells. The individual battery modules can furthermore each have electronic components such as integrated monitoring and / or measuring electronics / control electronics. Finally, the battery modules are connected together in series to a battery string and / or in parallel and together form a battery.

Ferner wurde in früheren Anmeldungen der Anmelderin vorgeschlagen, die Batteriemodule jeweils mit einer Halbbrücke auszustatten, so dass jedes Batteriemodul durch Ansteuerung der jeweiligen Halbbrücke dem Batteriestrang zugeschaltet oder überbrückt werden kann. Dadurch kann eine einstellbare Batteriespannung des Batteriestrangs erreicht werden. 1 zeigt einen Batteriestrang 10 aus mehreren solchen schaltbaren Batteriemodulen 11, wobei der Einfachheit halber lediglich zwei von den Batteriemodulen in der Zeichnung explizit dargestellt sind. Zum wahlweisen Zuschalten beziehungsweise Überbrücken eines Batteriemoduls 11 werden zwei in einer Halbbrücken-Konfiguration angeordnete Halbleiterschalter 13, 14 verwendet, die mit den Batteriezellen 12 des Batteriemoduls 11 gekoppelt sind. Für jedes Batteriemodul 11 wird der Zustand der Batteriezellen 12 jeweils über einen dem Batteriemodul 11 zugeordneten oder in dem Batteriemodul 11 angeordneten Zellspannungserfassungs-ASIC 15 (Application Specific Circuit – Anwendungsspezifische integrierte Schaltung) und einen Mikrocontroller 16 ausgewertet. Furthermore, in earlier applications the applicant proposed to equip the battery modules each with a half-bridge, so that each battery module can be connected or bypassed by driving the respective half-bridge to the battery string. As a result, an adjustable battery voltage of the battery string can be achieved. 1 shows a battery string 10 from several such switchable battery modules 11 , wherein for the sake of simplicity, only two of the battery modules are shown explicitly in the drawing. For selectively connecting or bridging a battery module 11 become two semiconductor switches arranged in a half-bridge configuration 13 . 14 used with the battery cells 12 of the battery module 11 are coupled. For every battery module 11 becomes the condition of the battery cells 12 each via a the battery module 11 assigned or in the battery module 11 arranged cell voltage detection ASIC 15 (Application Specific Circuit) and a microcontroller 16 evaluated.

Ferner weisen die Batteriemodule 11 für jede Batteriezelle 12 jeweils einen parallelgeschalteten passiven Balancing-Schalter 17 auf, wobei mittels der Balancing-Schalter 17 die Zellspannungen innerhalb eines Batteriemoduls 11 aneinander angeglichen werden. Die gemessenen Zellspannungen werden ferner über einen als galvanische Trennung angeordneten Isolator 18 und eine Signalübertragungsverbindung (Kommunikationsbus) 19 an ein zentrales Steuergerät (BCU) (in 1 nicht dargestellt) übermittelt. Der Kommunikationsbus 19 kann beispielsweise ein CAN-Bus sein. Durch das zentrale Steuergerät werden zellspezifische Parameter wie Ladezustand oder Alterung berechnet und das Balancing der einzelnen Batteriezellen gesteuert. Dazu wird die Halbbrücke mit den Halbleiterschaltern 13, 14 mittels des Mikrocontrollers 16 angesteuert. Wenn eine bestimmte Gesamtspannung, das heißt Batteriespannung, eingestellt werden soll, so muss das zentrale Steuergerät (BCU) unter Berücksichtigung der Zustände der einzelnen Batteriezellen 12 und in Echtzeit an die Mikrocontroller 16 der einzelnen Batteriemodule 11 Informationen darüber kommunizieren, ob ein jeweiliges Batteriemodul 11 gerade zugeschaltet oder überbrückt werden soll. Dadurch wird die Last auf dem Kommunikationsbus 19 signifikant erhöht.Furthermore, the battery modules 11 for each battery cell 12 in each case a parallel-connected passive balancing switch 17 on, by means of the balancing switch 17 the cell voltages within a battery module 11 be aligned with each other. The measured cell voltages are also via an insulator arranged as a galvanic isolation 18 and a signal transmission connection (communication bus) 19 to a central control unit (BCU) (in 1 not shown). The communication bus 19 For example, it can be a CAN bus. The central control unit calculates cell-specific parameters such as state of charge or aging and controls the balancing of the individual battery cells. This is the half-bridge with the semiconductor switches 13 . 14 by means of the microcontroller 16 driven. If a certain total voltage, that is to say battery voltage, is to be set, then the central control unit (BCU) must take into account the states of the individual battery cells 12 and in real time to the microcontroller 16 the individual battery modules 11 Communicate information about whether a respective battery module 11 just be switched on or bridged. This will put the load on the communication bus 19 significantly increased.

In der DE 10 2011 003 759 A1 ist ferner eine Batterie mit mehreren Batteriesträngen beschrieben, die jeweils mehrere Batteriemodule aufweisen, von denen jedes eine Vollbrücke aus vier ansteuerbaren Schalterelementen zum Zuschalten oder Überbrücken der Batteriemodule aufweist. In the DE 10 2011 003 759 A1 Furthermore, a battery is described with multiple battery strings, each having a plurality of battery modules, each of which has a full bridge of four controllable switch elements for connecting or bridging the battery modules.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang zur Verfügung gestellt, der mehrere durch Ansteuerung zu dem Batteriestrang zuschaltbare und überbrückbare Batteriemodule umfasst. Dabei weist jedes Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen auf. Die Batterie umfasst ferner Ansteuerungsmittel, die dazu eingerichtet sind, die Batteriemodule mittels eines pulsweitenmodulierten Signals derart anzusteuern, dass durch das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals eine durchschnittliche Einschaltzeit einer jeweiligen Batteriemoduls bestimmt ist. According to the invention, a battery having at least one battery string is provided, which comprises a plurality of battery modules which can be connected and bridged by driving to the battery string. In this case, each battery module has a plurality of battery cells. The battery further comprises drive means which are adapted to drive the battery modules by means of a pulse-width modulated signal such that an average on-time of a respective battery module is determined by the duty cycle of the pulse width modulated signal.

Ferner wird ein Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung einer Batterie geschaffen, wobei die Batterie mindestens einen Batteriestrang mit mehreren zu dem Batteriestrang zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriemodulen umfasst. Die Batteriemodule werde mittels eines pulsweitenmodulierten Signals derart angesteuert, dass die Batteriemodule im Mittel so zu dem Batteriestrang zugeschaltet werden, dass die Batteriespannung auf eine gewünschte Sollspannung eingestellt wird.Furthermore, a method for regulating a battery voltage of a battery is provided, wherein the battery comprises at least one battery string with a plurality of battery modules that can be connected and bridged to the battery string. The battery modules are controlled by means of a pulse width modulated signal in such a way that the battery modules in the middle so connected to the battery string be that the battery voltage is set to a desired target voltage.

Ein Vorteil der Erfindung ist, das eine Regelung einer Batteriespannung oder Batteriestrangspannung und insbesondere auch einer variablen oder einstellbaren Batteriespannung durchgeführt werden kann, bei der der Kommunikationsaufwand zwischen den Batteriemodulen und einer zentralen Batteriesteuerungseinheit auf drastische Weise reduziert wird, wobei gleichzeitig die Spannungswerte genaue eingestellt werden können. An advantage of the invention is that regulation of a battery voltage or battery string voltage, and in particular a variable or adjustable battery voltage, can be performed in which the communication effort between the battery modules and a central battery control unit is drastically reduced, while at the same time the voltage values can be set accurately ,

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Batterie ferner eine Regeleinheit auf, die über eine Signalübertragungsverbindung mit den Batteriemodulen verbunden ist und die eingerichtet ist, eine von dem Batteriestrang erzeugte Batteriespannung mit einer vorgegebenen Sollspannung zu vergleichen und das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs einzustellen. Der Vergleich kann beispielsweise mit Hilfe eines Operationsverstärkers durchgeführt werden.According to an advantageous embodiment of the invention, the battery further comprises a control unit which is connected via a signal transmission connection to the battery modules and which is adapted to compare a battery voltage generated by the battery string with a predetermined target voltage and the duty cycle of the pulse width modulated signal based on a result of the comparison. The comparison can be carried out, for example, with the aid of an operational amplifier.

Damit kann eine Regelung der Batteriespannung erreicht werden, die unabhängig vom Ladezustand der Batteriezellen funktioniert. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass beispielsweise im Falle eines höheren mittleren Ladezustands der Zellen über die Regeleinheit ein anderes pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal mit einem niedrigeren Tastverhältnis („Duty-Cycle“) zum Zuschalten der Batteriemodule generiert werden kann.Thus, a regulation of the battery voltage can be achieved, which works regardless of the state of charge of the battery cells. This is achieved in particular by the fact that, for example, in the case of a higher average state of charge of the cells via the control unit another pulse width modulated (PWM) signal with a lower duty cycle ("duty cycle") can be generated for connecting the battery modules.

Ferner ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Batterie für jedes Batteriemodul jeweils einen mit dem Batteriemodul verbundenen oder in dem Batteriemodul angeordneten Mikrocontroller aufweist. Dabei sind die Mikrocontroller über die Signalübertragungsverbindung mit der Regeleinheit gekoppelt und jeweils zur Steuerung einer in dem jeweiligen Batteriemodul angeordneten Treiberschaltung ausgebildet. It is further provided according to a preferred embodiment of the invention that the battery for each battery module each having a connected to the battery module or arranged in the battery module microcontroller. In this case, the microcontrollers are coupled to the control unit via the signal transmission connection and in each case designed to control a driver circuit arranged in the respective battery module.

Dadurch kann die Leistungsfähigkeit des Verfahrens erhöht werden und eine Anpassung der Batterie gemäß einer jeweils vorgesehen Verwendung, beispielsweise einer Verwendung als Traktionsbatterie, auf komfortable Weise vorgenommen werden. Dies kann durch geeignete Auslegung, Einstellung, und/oder Programmierung des Mikrocontrollers geschehen.Thereby, the performance of the method can be increased and an adjustment of the battery according to a respective intended use, for example, use as a traction battery, made in a comfortable manner. This can be done by suitable design, adjustment, and / or programming of the microcontroller.

Die Signalübertragungsverbindung kann als Leitung zur Übertragung des pulsweitenmodulierten Signals ausgebildet sein, wodurch vorteilhaft das pulsweitenmodulierte Signal auf zentrale Weise beispielsweise in der Regeleinheit generiert werden kann. Danach kann eine Übertragung oder, anschaulich gesagt, eine Verteilung des pulsweitenmodulierten Signals an die Batteriemodule erfolgen, wo es dann von einem jeweiligen Mikrocontroller weiter verarbeitet wird.The signal transmission connection can be designed as a line for transmitting the pulse width modulated signal, whereby advantageously the pulse width modulated signal can be generated in a central manner, for example in the control unit. Thereafter, a transmission or, clearly stated, a distribution of the pulse width modulated signal to the battery modules, where it is then further processed by a respective microcontroller.

Bei einer anderen Ausführungsform ist die Signalübertragungsverbindung als ein Kommunikationsbus zur Übertragung von digitalen Informationen über das pulsweitenmoduliert Signal ausgebildet. Alternativ können zur Beschreibung des pulsweitenmodulierten Signals notwendigen Informationen auch durch ein analoges Signal übertragen werden. In another embodiment, the signal transmission link is formed as a communication bus for transmitting digital information about the pulse width modulated signal. Alternatively, to describe the pulse width modulated signal necessary information can also be transmitted by an analog signal.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind in den Batteriemodulen derartige Mikrocontroller vorgesehen, die zur Desynchronisierung eines jeweiligen pulsweitenmodulierten Signals ausgebildet sind und/oder jeweils mit einem Mittel zur Desynchronisierung gekoppelt sind. According to a particularly advantageous embodiment of the invention, such microcontrollers are provided in the battery modules, which are designed for desynchronizing a respective pulse width modulated signal and / or are each coupled to a means for desynchronization.

So kann der Mikrocontroller in einem jeweiligen Batteriemodul speziell dazu eingerichtet sein, eine Information über ein einzustellendes Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals über die Signalübermittlungsverbindung zu empfangen und diese auszuwerten. Alternativ kann zur Auswertung auch ein Logik-Baustein (FPGA, CPLD) auf den einzelnen Batteriemodulen eingesetzt werden. Thus, the microcontroller in a respective battery module can be specially configured to receive information about a pulse duty factor of the pulse width modulated signal to be set via the signal transmission connection and to evaluate it. Alternatively, a logic module (FPGA, CPLD) can be used on the individual battery modules for evaluation.

Ferner ist auch denkbar, dass durch den Mikrocontroller eine Auswertung eines direkt an den Mikrocontroller übertragenen pulsweitenmodulierten Signals erfolgt. Durch solche separaten Weiterverarbeitungen auf den Batteriezellen kann eine Desynchronisierung der pulsweitenmodulierten Signale erreicht werden. Dies ergibt sich zum Teil alleine deswegen, da die Batteriemodule beziehungsweise deren Mikrocontroller weitestgehend autonom voneinander arbeiten. Furthermore, it is also conceivable that the microcontroller performs an evaluation of a pulse-width-modulated signal transmitted directly to the microcontroller. By such separate further processing on the battery cells desynchronization of the pulse width modulated signals can be achieved. This is partly due to the fact that the battery modules or their microcontrollers largely operate autonomously from each other.

Bei einer Ausführungsform können die Batteriemodule ferner dazu ausgebildet sein, zeitlich zueinander versetzt getaktet zu werden. Ferner können bei einer Weiterbildung die erfindungsgemäßen Mittel zur Desynchronisierung auch einen Spread-Spectrum-Oszillator, also einen Oszillator, dessen Flanken statistisch verteilt werden, umfassen. Dazu kann jeweils ein zur Taktung des Batteriemoduls angeordneter Oszillator eingesetzt werden. In one embodiment, the battery modules may further be configured to be timed offset with respect to each other. Furthermore, in a further development, the desynchronization means according to the invention can also comprise a spread spectrum oscillator, that is to say an oscillator whose edges are statistically distributed. For this purpose, an oscillator arranged to clock the battery module can be used in each case.

In noch einer weiteren Ausführungsform wird die statistische Verteilung der Taktflanken nicht durch einen Spread-Spectrum-Oszillator sondern durch einen Zufalls- oder Quasi-Zufalls-Algorithmus erreicht, der auf dem Mikrocontroller implementiert wird. Dazu können die Mikrocontroller jeweils einen Speicher sowie einen zugehörigen Prozessor mit Befehlen zur Implementierung des Zufallsalgorithmus aufweisen. Zur Erzeugung ungleichmäßiger Startbedingungen für diesen Zufalls-Algorithmus kann beispielsweise eine Rauschquelle, die über einen A/D-Wandler des Mikrocontrollers eingelesen wird, verwendet werden. Als Rauschquelle ist beispielsweise eine in Sperrrichtung betriebene Basis-Emitter-Strecke denkbar. In yet another embodiment, the statistical distribution of the clock edges is achieved not by a spread spectrum oscillator but by a random or quasi-random algorithm implemented on the microcontroller. For this purpose, the microcontroller can each have a memory and an associated processor with instructions for implementing the random algorithm. To create uneven starting conditions For this random algorithm, for example, a noise source which is read in via an A / D converter of the microcontroller can be used. As a noise source, for example, operated in the reverse direction base-emitter path is conceivable.

Ferner wird weiterhin bevorzugt, dass der Batteriestrang mit einer Glättungsinduktivität, durch die eine Glättung der von dem Batteriestrang erzeugten Batteriespannung bewirkt wird, in Reihe geschaltet ist. Furthermore, it is further preferred that the battery string is connected in series with a smoothing inductance, which causes a smoothing of the battery voltage generated by the battery string.

Dadurch kann, besonders in Kombination mit den oben beschriebenen Desynchronisierungsmitteln, eine sehr gute Glättung der Batterieausgangsspannung erreicht werden, insbesondere ohne dass dabei die Glättungsinduktivität sehr groß dimensioniert sein muss. As a result, a very good smoothing of the battery output voltage can be achieved, in particular in combination with the desynchronization means described above, in particular without the smoothing inductance having to be dimensioned very large.

Die Erfindung ist bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Batterietypen anwendbar. So kann nach einer vorteilhaften Weiterbildung das erfinderische Verfahren bei einer Batterie angewandt werden, die eine Mehrzahl von Batteriesträngen aufweist. Dabei wird es bevorzugt, dass entsprechend eine Mehrzahl von pulsweitenmodulierten Signalen übertragen wird. Alternativ kann auch eine Übertragung von derartigen Informationen über ein pulsweitenmoduliertes Signal an die Mehrzahl von Batteriesträngen erfolgen, die beispielsweise für jeden Batteriestrang einen anderen Wert einer Phasenverschiebung beschreiben. The invention is applicable to a variety of different battery types. Thus, according to an advantageous development of the inventive method can be applied to a battery having a plurality of battery strings. It is preferred that a corresponding plurality of pulse width modulated signals is transmitted. Alternatively, it is also possible to transmit such information via a pulse-width-modulated signal to the plurality of battery strings which, for example, describe a different value of a phase shift for each battery string.

Bei dieser Weiterbildung kann somit die Ansteuerung der Batteriestränge mittels der pulsweitenmodulieren Signale derart vorgenommen werden, dass die Batteriestränge eine Mehrzahl von zueinander phasenverschobenen Wechselspannungen liefern, was beispielsweise zum Betrieb eines mehrphasigen Elektromotors sehr vorteilhaft genutzt werden kann.In this development, the control of the battery strings can thus be carried out by means of the pulse width modulated signals such that the battery strings deliver a plurality of mutually phase-shifted alternating voltages, which can be used very advantageously, for example for operating a polyphase electric motor.

Die erfindungsgemäßen Batteriemodule sind bevorzugt mit einer Halbbrückenkonfiguration zum Schalten der Batteriemodule ausgestattet. Die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt. So kann bei anderen Ausführungsformen eine Vollbrückenkonfiguration in den Batteriemodulen eingesetzt werden.The battery modules according to the invention are preferably equipped with a half-bridge configuration for switching the battery modules. The invention is not limited thereto. Thus, in other embodiments, a full bridge configuration can be used in the battery modules.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Signalaustausch zwischen der Regeleinheit und den Batteriemodulen über einen als galvanische Trennung angeordneten Isolator, wobei der Isolator eine Hochvoltseite (HV-Seite) und eine Niedervoltseite (LV-Seite) der Batterie trennt. Dadurch kann eine Gefährdung von Benutzern oder eine Zerstörung von Elektronikkomponenten vermieden werden. Als Isolatoren werden bevorzugt Optokoppler oder andere geeignete Übertrager eingesetzt. In a particular embodiment of the invention, the signal exchange between the control unit and the battery modules via a arranged as a galvanic isolation insulator, wherein the insulator a high-voltage side (HV side) and a low-voltage side (LV side) of the battery separates. As a result, a risk to users or destruction of electronic components can be avoided. Opto-couplers or other suitable transformers are preferably used as insulators.

Grundsätzlich sind jedoch auch andere isolierende oder nicht-isolierende Verfahren denkbar, mit denen das Ausgangssignal des Reglers zu den Batteriemodulen übertragen wird. Bevorzugt kann die Batterie insbesondere mit einer Kaskode-Schaltung ausgestattet sein. In principle, however, other insulating or non-insulating methods are also conceivable with which the output signal of the regulator is transmitted to the battery modules. Preferably, the battery can be equipped in particular with a cascode circuit.

Die erfindungsgemäßen Mikrocontroller können hochvoltseitig oder niedervoltseitig angeordnet sein. Falls ein Mikrocontroller niedervoltseitig angeordnet ist, können die Batteriemodule über den Isolator von dem Mikrocontroller angesteuert werden. The microcontroller according to the invention can be arranged on the high-voltage side or low-voltage side. If a microcontroller is arranged on the low-voltage side, the battery modules can be controlled by the microcontroller via the isolator.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt, das mit der erfindungsgemäßen Batterie ausgestattet ist, wobei die Batterie mit einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs verbunden ist. According to one aspect of the invention, a motor vehicle, in particular an electric or hybrid vehicle is provided, which is equipped with the battery according to the invention, wherein the battery is connected to a drive train of the motor vehicle.

Bevorzugt weisen die erfindungsgemäßen Batteriemodule Lithium-Ionen-Batteriezellen auf. The battery modules according to the invention preferably have lithium-ion battery cells.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:

1 einen Batteriestrang mit einer Reihenschaltung aus mehreren zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriemodulen gemäß dem Stand der Technik, und 1 a battery string with a series circuit of a plurality of switchable and disconnectable battery modules according to the prior art, and

2 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriemodulen nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Schaltungsanordnung einen Regelkreis zum Regeln der Batteriespannung umfasst. 2 a schematic diagram of a circuit arrangement for operating switchable and decoupled battery modules according to a first embodiment of the invention, wherein the circuit arrangement comprises a control circuit for regulating the battery voltage.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 2 ist ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriemodulen 11 gezeigt, die mit einem Regelkreis zum Regeln der Batteriespannung ausgestattet ist. Der Regelkreis umfasst in dieser Ausführungsform eine Regeleinheit 21, die beispielsweise als Operationsverstärker ausgebildet sein kann. Ein Eingang der Regeleinheit 21 wird über eine Leitung mit der Batteriespannung UHV des Batteriestrangs 11 versorgt. Ein anderer Eingang der Regeleinheit 21 wird mit einer Sollspannung U1 versorgt, die einer gewünschten einzustellenden Batteriespannung UHV entspricht. Mittels der Regeleinheit 21 wird die Batteriespannung UHV mit der Sollspannung U1 verglichen. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Regeleinheit 21 nicht direkt an die Batteriespannung (UHV) angeschlossen, sondern stattdessen über einen Spannungsteiler, wobei dies dann bei einer Auswertung durch die Regeleinheit 21 durch Einrechnen eines Faktors entsprechend berücksichtigt wird. In the 2 is a block diagram of a circuit arrangement for operating switchable and decoupled battery modules 11 shown, which is equipped with a control circuit for regulating the battery voltage. The control loop in this embodiment comprises a control unit 21 , which may be formed for example as an operational amplifier. An input of the control unit 21 is via a line with the battery voltage U HV of the battery string 11 provided. Another input of the control unit 21 is supplied with a target voltage U 1 , which corresponds to a desired battery voltage U HV to be set. By means of the control unit 21 the battery voltage U HV is compared with the setpoint voltage U 1 . In another embodiment, the control unit 21 not directly connected to the battery voltage (U HV ), but instead via a voltage divider, this then in an evaluation by the control unit 21 is accounted for by factoring in a factor.

Der Ausgang der Regeleinheit 21 liefert daher ein zum Regeln der Batteriespannung UHV geeignetes Signal, das über die Signalübertragungsverbindung 19 an die Batteriemodule 11 des Batteriestrangs 10 übertragen wird. Dabei kann das übertragene Signal direkt als pulsweitenmoduliertes Signal 24 übertragen werden, wie in der 2 gezeigt. Alternativ kann zunächst eine Information über ein zu erzeugendes pulsweitenmoduliertes Signal 24 bevorzugt in digitaler Form übertragen werden, und das pulsweitenmodulierte Signal kann dann bei oder in den Batteriemodulen 11 erzeugt werden. Im Allgemeinen kann der Regelkreis daher derart arbeiteten, dass die Batteriespannung UHV direkt oder beispielsweise über eine zentrales Steuergerät (BCU) erfasst wird und ein pulsweitenmoduliertes Signal 24 als Steuergröße generiert wird.The output of the control unit 21 Therefore, provides a suitable for regulating the battery voltage U HV signal via the signal transmission connection 19 to the battery modules 11 of the battery string 10 is transmitted. In this case, the transmitted signal directly as a pulse width modulated signal 24 be transferred as in the 2 shown. Alternatively, first of all, information about a pulse-width-modulated signal to be generated 24 preferably be transmitted in digital form, and the pulse width modulated signal can then be at or in the battery modules 11 be generated. In general, the control loop can therefore worked such that the battery voltage U HV is detected directly or, for example, via a central control unit (BCU) and a pulse width modulated signal 24 is generated as a control variable.

Die Signalübertragungsverbindung 19, beispielsweise ein CAN-Bus, ist mit einer Mehrzahl von Isolatoren 18 verbunden, die als galvanische Trenneinrichtungen fungieren. Dabei ist bevorzugt für jedes Batteriemodul 11 jeweils ein Isolator 18 vorhanden. Der Isolator 18 ist beispielsweise als Optokoppler ausgestaltet. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in der Figur nur ein Isolator 18 und ein Batteriemodul 11 dargestellt. Der Isolator 18 überträgt das pulsweitenmodulierte Signal 24 oder die Information über das pulsweitenmodulierte Signal an einen Logikbaustein beziehungsweise an einen in oder an dem Batteriemodul 11 angeordneten Mikrocontroller 16. The signal transmission connection 19 , for example, a CAN bus, is provided with a plurality of insulators 18 connected, which act as galvanic isolators. It is preferred for each battery module 11 one insulator each 18 available. The insulator 18 is designed for example as an optocoupler. To simplify the illustration, only one insulator was used in the figure 18 and a battery module 11 shown. The insulator 18 transmits the pulse width modulated signal 24 or the information about the pulse width modulated signal to a logic module or to a in or on the battery module 11 arranged microcontroller 16 ,

Nach der in der 2 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung ist der der Mikrocontroller 16 dazu ausgebildet, ein aus der Regeleinheit 11 stammendes und über den Isolator 18 übertragenes pulsweitenmoduliertes Signal 24 auszuwerten. Jedoch kann gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform der Mikrocontroller 16 dazu ausgebildet sein, das pulsweitenmodulierte Signal 24 beispielsweise mit Hilfe eines Oszillators zu erzeugen. Das pulsweitenmodulierte Signal 24 wird zur Steuerung der Treiberschaltung 23 eingesetzt, so dass die Transistoren 13 und 14 alternierend das Batteriemodul 11 dem Batteriestrang 10 zuschalten oder es überbrücken. Auf diese Weise wird erreicht, dass die jeweiligen Halbbrücken mit einem vorgegebenen Tastverhältnis ein- und ausschalten, so dass sich im Mittel die Batteriespannung ergibt.After in the 2 shown first embodiment of the invention is the microcontroller 16 designed to be one of the control unit 11 originating and over the isolator 18 transmitted pulse width modulated signal 24 evaluate. However, according to another alternative embodiment, the microcontroller 16 be configured to the pulse width modulated signal 24 For example, to generate using an oscillator. The pulse width modulated signal 24 is used to control the driver circuit 23 used, so the transistors 13 and 14 alternating the battery module 11 the battery string 10 switch on or bridge it. In this way it is achieved that the respective half-bridges with a predetermined duty cycle on and off, so that the average battery voltage results.

Somit kann eine gemeinsame Ansteuerung aller Batteriemodule 11 mit nur wenig Kommunikationsaufwand durchgeführt werden. Das Verfahren ist auch für unterschiedliche Ladezustände der Batteriezellen 12 beziehungsweise der Batteriemodule 11 ausgelegt und funktioniert insbesondere auch, wenn der Ladezustand sich im Laufe der Zeit ändert, da das analoge Signal jeweils mittels des Regelkreises beziehungsweise der Regeleinheit 11 angepasst und nachgeführt wird.Thus, a common control of all battery modules 11 be carried out with little communication effort. The method is also for different states of charge of the battery cells 12 or the battery modules 11 designed and works in particular even if the state of charge changes over time, since the analog signal respectively by means of the control circuit or the control unit 11 adapted and tracked.

Zur Glättung der Batteriespannung UHV ist der Batteriestrang 10 ferner mit einer Glättungsinduktivität 22 in Reihe geschaltet. Ferner kann die Taktung der erfindungsgemäßen Batteriemodule 11 zeitlich versetzt stattfinden, so dass die Welligkeit der Batteriespannung UHV weiterhin reduziert wird. To smooth the battery voltage U HV is the battery string 10 further with a smoothing inductance 22 connected in series. Furthermore, the timing of the battery modules according to the invention 11 take place staggered so that the ripple of the battery voltage U HV is further reduced.

Dazu können die Mikrocontroller 16 beispielsweise mittels von Spread-Spectrum-Oszillatoren getaktet werden. Alternativ oder zusätzlich wird eine Vorgabe für das pulsweitenmodulierte Signal 24 mit einer für jedes Batteriemodul 11 zufällig gewählten Verzögerung beziehungsweise Verschiebung (Delay) umgesetzt. Die Verzögerung kann dabei periodisch mittels eines Zufallsalgorithmus verändert werden oder beispielsweise während der Produktion einmalig einprogrammiert werden.This can be done by the microcontroller 16 For example, be clocked by means of spread spectrum oscillators. Alternatively or additionally, a specification for the pulse width modulated signal 24 with one for each battery module 11 randomly selected delay or delay (delay) implemented. The delay can be changed periodically by means of a random algorithm or, for example, programmed once during production.

Neben der vorstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit zur Ergänzung der Offenbarung auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den Figuren Bezug genommen.In addition to the above written disclosure of the invention, reference is hereby explicitly made to the disclosure of the drawings of the invention in the figures.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011003759 A1 [0005] DE 102011003759 A1 [0005]

Claims (10)

Batterie mit mindestens einem Batteriestrang (10), der mehrere durch Ansteuerung zu dem Batteriestrang (10) zuschaltbare und überbrückbare Batteriemodule (11) umfasst, wobei jedes Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen (12) aufweist, gekennzeichnet durch Ansteuerungsmittel, die dazu eingerichtet sind, die Batteriemodule (11) mittels eines pulsweitenmodulierten Signals (24) derart anzusteuern, dass durch das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals eine durchschnittliche Einschaltzeit eines jeweiligen Batteriemoduls (11) bestimmt ist. Battery with at least one battery string ( 10 ), which several by driving to the battery string ( 10 ) switchable and bridgeable battery modules ( 11 ), each battery module having a plurality of battery cells ( 12 ), characterized by driving means, which are adapted to the battery modules ( 11 ) by means of a pulse width modulated signal ( 24 ) such that by the duty cycle of the pulse width modulated signal an average on-time of a respective battery module ( 11 ) is determined. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Ansteuerungsmittel eine Regeleinheit (21) aufweisen, die über eine Signalübertragungsverbindung (19) mit den Batteriemodulen (11) verbunden ist und die dazu eingerichtet ist, eine von dem Batteriestrang (10) erzeugte Batteriespannung (UHV) mit einer vorgegebenen Sollspannung (U1) zu vergleichen und das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals (24) basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs einzustellen. A battery according to claim 1, wherein the drive means comprises a control unit ( 21 ), which via a signal transmission connection ( 19 ) with the battery modules ( 11 ) and which is adapted to receive one of the battery string ( 10 ) battery voltage (U HV ) to be compared with a predetermined setpoint voltage (U 1 ) and the duty cycle of the pulse width modulated signal ( 24 ) based on a result of the comparison. Batterie nach Anspruch 2, wobei die Batterie für jedes Batteriemodul (11) einen mit dem Batteriemodul (11) verbundenen oder in dem Batteriemodul (11) angeordneten Mikrocontroller (16) aufweist, wobei die Mikrocontroller (16) über die Signalübertragungsverbindung (19) mit der Regeleinheit (21) gekoppelt sind und jeweils zur Steuerung einer in dem jeweiligen Batteriemodul (11) angeordneten Treiberschaltung (23) ausgebildet sind, und wobei die Signalübertragungsverbindung (19) als Leitung oder als ein Kommunikationsbus zur Übertragung des pulsweitenmodulierten Signals (24) beziehungsweise zur Übertragung von digitalen oder analogen Informationen über das pulsweitenmoduliert Signal (24) ausgebildet ist.A battery according to claim 2, wherein the battery for each battery module ( 11 ) one with the battery module ( 11 ) or in the battery module ( 11 ) arranged microcontroller ( 16 ), wherein the microcontroller ( 16 ) via the signal transmission connection ( 19 ) with the control unit ( 21 ) and in each case for controlling one in the respective battery module ( 11 ) arranged driver circuit ( 23 ), and wherein the signal transmission connection ( 19 ) as a line or as a communication bus for transmitting the pulse width modulated signal ( 24 ) or for transmission of digital or analog information via the pulse width modulated signal ( 24 ) is trained. Batterie nach Anspruch 3, wobei jeder der Mikrocontroller (16) zur Desynchronisierung eines jeweiligen pulsweitenmodulierten Signals (24) ausgebildet ist und/oder mit einem Mittel zur Desynchronisierung verbunden ist. A battery according to claim 3, wherein each of the microcontrollers ( 16 ) for desynchronizing a respective pulse width modulated signal ( 24 ) is formed and / or connected to a means for desynchronization. Batterie nach Anspruch 4, wobei die Batteriemodule (11) dazu ausgebildet sind, zeitlich zueinander versetzt getaktet zu werden, und/oder wobei die Mikrocontroller (16) jeweils einen Speicher mit Befehlen zur Implementierung eines Zufallsalgorithmus zur Erzeugung einer Verzögerung eines jeweiligen pulsweitenmoduliertes Signals (24) aufweisen.A battery according to claim 4, wherein the battery modules ( 11 ) are adapted to be timed offset with respect to each other, and / or wherein the microcontroller ( 16 ) each have a memory with instructions for implementing a random algorithm for generating a delay of a respective pulse width modulated signal ( 24 ) exhibit. Batterie nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Batteriestrang (10) mit einer Glättungsinduktivität (22) zur Glättung der von dem Batteriestrang (11) erzeugten Batteriespannung (UHV) verschaltet ist. Battery according to one of the preceding claims, wherein the battery string ( 10 ) with a smoothing inductance ( 22 ) for smoothing the battery string ( 11 ) battery voltage (U HV ) is connected. Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung (UHV) einer Batterie, die mindestens einen Batteriestrang (10) mit mehreren zu dem Batteriestrang (10) zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriemodulen (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (11) mittels eines pulsweitenmodulierten Signals (24) derart angesteuert werden, dass die Batteriemodule (11) im Mittel so zu dem Batteriestrang (10) zugeschaltet werden, dass die Batteriespannung (UHV) auf eine gewünschte Sollspannung (U1) eingestellt wird.Method for regulating a battery voltage (U HV ) of a battery that has at least one battery string ( 10 ) with several to the battery string ( 10 ) switchable and bridgeable battery modules ( 11 ), characterized in that the battery modules ( 11 ) by means of a pulse width modulated signal ( 24 ) are controlled such that the battery modules ( 11 ) on average so to the battery string ( 10 ) are switched, that the battery voltage (U HV ) is set to a desired target voltage (U 1 ). Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals (24) basierend auf einem Vergleich eines aktuellen Wertes der Batteriespannung (UHV) mit der gewünschten Sollspannung (U1) eingestellt wird. The method of claim 7, wherein the duty cycle of the pulse width modulated signal ( 24 ) is set based on a comparison of a current value of the battery voltage (U HV ) with the desired target voltage (U 1 ). Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei mehrere pulsweitenmodulierte Signale (24) erzeugt werden und das Verfahren bei einer Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriesträngen (10) angewandt wird, wobei die Ansteuerung der Batteriestränge mittels der pulsweitenmodulieren Signale (24) derart vorgenommen wird, dass die Batteriestränge (10) eine Mehrzahl von zueinander phasenverschobenen Wechselspannungen liefern. Method according to claim 7 or 8, wherein a plurality of pulse width modulated signals ( 24 ) and the method in a battery having a plurality of battery strings ( 10 ), wherein the control of the battery strings by means of the pulse width modulated signals ( 24 ) is made such that the battery strings ( 10 ) provide a plurality of mutually phase-shifted AC voltages. Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor und einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Batterie mit einem Antriebsstrang des Elektromotors verbunden ist. Motor vehicle with an electric motor and a battery according to one of claims 1 to 6, wherein the battery is connected to a drive train of the electric motor.
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