DE102019217303A1 - Method for operating a battery module, battery module for a motor vehicle and motor vehicle - Google Patents

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Vincent Scharff
Christel Sarfert
Jens Becker
Joerg Poehler
Shashank Holavanahalli
Shweta Vijay Pawar
Triantafyllos Zafiridis
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriemoduls (5), welches eine Gesamtanzahl von Batteriezellen (2), eine Anzahl von Schalteinheiten (60), wobei jeder der Batteriezellen (2) eine Schalteinheit (60) zugeordnet ist, mittels welcher die zugehörige Batteriezelle (2) zuschaltbar sowie überbrückbar ist, und ein Managementsystem (40) aufweist, umfassend folgende Schritte:- Messen von Zellenspannungen der Batteriezellen (2);- Ermitteln von maximalen Strömen der Batteriezellen (2);- Berechnen von möglichen Ausgangsleistungen des Batteriemoduls (5) für definierte Topologien des Batteriemoduls (5);- Auswahl derjenigen Topologie, bei welcher die Ausgangsleistung maximal ist. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriemodul (5) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Gesamtanzahl von Batteriezellen (2), eine Anzahl von Schalteinheiten (60), wobei jeder der Batteriezellen (2) eine Schalteinheit (60) zugeordnet ist, mittels welcher die zugehörige Batteriezelle (2) zuschaltbar sowie überbrückbar ist, und ein Managementsystem (40). Das Managementsystem (40) weist eine Messeinheit (41) zum Messen von Zellenspannungen der Batteriezellen (2), eine Ermittlungseinheit (42) zum Ermitteln von maximalen Strömen der Batteriezellen (2) und eine Recheneinheit (43) zum Berechnen von möglichen Ausgangsleistungen des Batteriemoduls (5) für definierte Topologien des Batteriemoduls (5) auf. Das Batteriemodul (5) ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das ein erfindungsgemäßes Batteriemodul (5) umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.The invention relates to a method for operating a battery module (5) which has a total number of battery cells (2) and a number of switching units (60), each of the battery cells (2) being assigned a switching unit (60) by means of which the associated battery cell (2) can be switched on and bypassed, and has a management system (40) comprising the following steps: - measuring cell voltages of the battery cells (2); - determining maximum currents of the battery cells (2); - calculating possible output powers of the battery module (5) ) for defined topologies of the battery module (5); - selection of the topology in which the output power is maximum. The invention also relates to a battery module (5) for a motor vehicle, comprising a total number of battery cells (2), a number of switching units (60), each of the battery cells (2) being assigned a switching unit (60) by means of which the associated battery cell (2) can be switched on and bridged, and a management system (40). The management system (40) has a measuring unit (41) for measuring cell voltages of the battery cells (2), a determination unit (42) for determining maximum currents of the battery cells (2) and a computing unit (43) for calculating possible output powers of the battery module ( 5) for defined topologies of the battery module (5). The battery module (5) can be operated with the method according to the invention. The invention also relates to a motor vehicle which comprises a battery module (5) according to the invention, which is operated with the method according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriemoduls, welches eine Gesamtanzahl von Batteriezellen, eine Anzahl von Schalteinheiten, wobei jeder der Batteriezellen eine Schalteinheit zugeordnet ist, mittels welcher die zugehörige Batteriezelle zuschaltbar sowie überbrückbar ist, und ein Managementsystem aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug, welches eine Gesamtanzahl von Batteriezellen, eine Anzahl von Schalteinheiten, wobei jeder der Batteriezellen eine Schalteinheit zugeordnet ist, mittels welcher die zugehörige Batteriezelle zuschaltbar sowie überbrückbar ist, und ein Managementsystem umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a method for operating a battery module which has a total number of battery cells, a number of switching units, each of the battery cells being assigned a switching unit by means of which the associated battery cell can be switched on and bridged, and a management system. The invention further relates to a battery module for a motor vehicle, which comprises a total number of battery cells, a number of switching units, each of the battery cells being assigned a switching unit by means of which the associated battery cell can be switched on and bridged, and a management system. The invention also relates to a motor vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Konventionelle Kraftfahrzeuge weisen Batteriemodule zur Versorgung eines Anlassers und weiterer Verbraucher mit elektrischer Energie auf. Elektrofahrzeuge weisen Batteriemodule zur Versorgung eines Traktionsmotors und weiterer Verbraucher mit elektrischer Energie auf. Ein gattungsgemäßes Batteriemodul umfasst dabei eine Mehrzahl von Batteriezellen, welche beispielsweise seriell verschaltet sind.Conventional motor vehicles have battery modules for supplying a starter and other consumers with electrical energy. Electric vehicles have battery modules to supply a traction motor and other consumers with electrical energy. A generic battery module comprises a plurality of battery cells, which are connected in series, for example.

Ein gattungsgemäßes Batteriemodul umfasst auch mehrere Schalteinheiten mit Schaltern um einen Stromfluss durch die Batteriezellen zu steuern. Mittels der Schalteinheiten kann beispielsweise eine Batteriezelle zugeschaltet, also in eine Reihenschaltung aus mehreren Batteriezellen geschaltet, sowie überbrückt, also aus einer solchen Reihenschaltung entfernt werden. Ein gattungsgemäßes Batteriemodul umfasst ferner ein Managementsystem, welches den Betrieb der Batteriezellen überwacht und die Schalteinheiten derart ansteuert, dass die Batteriezellen sicher und nachhaltig bezüglich ihrer Lebensdauer betrieben werden.A generic battery module also comprises several switching units with switches to control a current flow through the battery cells. By means of the switching units, for example, a battery cell can be switched on, that is to say switched in a series circuit of several battery cells, and bypassed, that is to say removed from such a series circuit. A generic battery module also includes a management system which monitors the operation of the battery cells and controls the switching units in such a way that the battery cells are operated safely and sustainably with regard to their service life.

Mit zunehmendem Alterungszustand wird die Performance einer Batteriezelle schlechter. Es ist bekannt, dass die Alterungszustände von Batteriezellen in dem gleichen Batteriemodul sich nicht gleichmäßig entwickeln. Somit können in einem Batteriemodul Batteriezellen mit signifikant unterschiedlichen Alterungszuständen vorhanden sein. Mit zunehmendem Alterungszustand einer Batteriezelle sinkt insbesondere ein maximaler Strom, welchen die betreffende Batteriezelle liefern kann.The performance of a battery cell deteriorates with increasing aging. It is known that the aging conditions of battery cells in the same battery module do not develop uniformly. Thus, battery cells with significantly different aging states can be present in a battery module. With increasing aging of a battery cell, in particular a maximum current which the battery cell in question can deliver decreases.

Die maximalen Ströme der einzelnen Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls können also unterschiedlich sein. Bei einer seriellen Verschaltung aller Batteriezellen entspricht der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, dem geringsten der maximalen Ströme der einzelnen Batteriezellen. Somit wird eine mögliche Ausgangsleistung des Batteriemoduls von derjenigen Batteriezelle begrenzt, welche den geringsten der maximalen Ströme von allen Batteriezellen aufweist.The maximum currents of the individual battery cells within a battery module can therefore be different. When all battery cells are connected in series, the highest possible current that the battery module can deliver corresponds to the lowest of the maximum currents of the individual battery cells. A possible output power of the battery module is thus limited by that battery cell which has the lowest of the maximum currents of all battery cells.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriemoduls, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, welches eine Ausgangsspannung liefert. Das Batteriemodul weist dabei eine Gesamtanzahl von Batteriezellen auf, welche jeweils eine Zellenspannung liefern. Das Batteriemodul weist auch eine Anzahl von Schalteinheiten auf, wobei jeder der Batteriezellen eine Schalteinheit zugeordnet ist. Mittels der Schalteinheit ist die zugehörige Batteriezelle zuschaltbar sowie überbrückbar. Das Batteriemodul weist auch ein Managementsystem zum Überwachen der Batteriezellen und zum Ansteuern der Schalteinheiten auf.A method is proposed for operating a battery module, in particular for a motor vehicle, which supplies an output voltage. The battery module has a total number of battery cells, each of which supplies a cell voltage. The battery module also has a number of switching units, each of the battery cells being assigned a switching unit. The associated battery cell can be switched on and bridged by means of the switching unit. The battery module also has a management system for monitoring the battery cells and for controlling the switching units.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die nachfolgend genannten Sch ritte:

  • Zunächst erfolgt ein Messen der Zellenspannungen der einzelnen Batteriezellen.
  • Ebenso erfolgt ein Ermitteln von maximalen Strömen der einzelnen Batteriezellen. Batteriezellen mit hohem Alterungszustand sowie defekte Batteriezellen weisen einen verringerten maximalen Strom auf, welchen die betreffende Batteriezelle liefern kann.
The method according to the invention comprises the following steps:
  • First, the cell voltages of the individual battery cells are measured.
  • The maximum currents of the individual battery cells are also determined. Battery cells with a high degree of aging and defective battery cells have a reduced maximum current which the battery cell in question can deliver.

Anschließend erfolgt ein Berechnen von möglichen Ausgangsleistungen des Batteriemoduls für definierte Topologien des Batteriemoduls. Die mögliche Ausgangsleistung des Batteriemoduls für eine definierte Topologie entspricht dabei einem Produkt aus der Ausgangsspannung des Batteriemoduls mit dem größtmöglichen Strom, den das Batteriemodul liefern kann.Possible output powers of the battery module for defined topologies of the battery module are then calculated. The possible output power of the battery module for a defined topology corresponds to a product of the output voltage of the battery module with the greatest possible current that the battery module can deliver.

Anschließend erfolgt eine Auswahl derjenigen Topologie des Batteriemoduls, bei welcher die Ausgangsleistung des Batteriemoduls maximal ist. Vorzugsweise werden die Schalteinheiten dann derart angesteuert, dass diejenige ausgewählte Topologie erzeugt wird.This is followed by a selection of the topology of the battery module in which the output power of the battery module is maximum. The switching units are then preferably controlled in such a way that the selected topology is generated.

Die Ausgangsspannung des Batteriemoduls entspricht einer Summe der Zellenspannungen der innerhalb des Batteriemoduls seriell verschalteten Batteriezellen. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, entspricht dem geringsten der maximalen Ströme der innerhalb des Batteriemoduls seriell verschalteten Batteriezellen.The output voltage of the battery module corresponds to a sum of the cell voltages of the battery cells connected in series within the battery module. The greatest possible current that the battery module can deliver corresponds to the lowest of the maximum currents of the battery cells connected in series within the battery module.

Vorteilhaft ist eine erste Topologie des Batteriemoduls definiert, welche eine serielle Verschaltung der Gesamtanzahl der Batteriezellen darstellt. In diesem Fall entspricht die Ausgangsspannung des Batteriemoduls der Summe der Zellenspannungen der Gesamtanzahl der Batteriezellen. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, entspricht in diesem Fall dem geringsten der maximalen Ströme der Gesamtanzahl der Batteriezellen.A first topology of the battery module is advantageously defined, which represents a serial connection of the total number of battery cells. In this case the output voltage corresponds to the Battery module of the sum of the cell voltages of the total number of battery cells. The highest possible current that the battery module can deliver corresponds in this case to the lowest of the maximum currents of the total number of battery cells.

Vorteilhaft ist auch mindestens eine weitere Topologie definiert, welche eine serielle Verschaltung einer Teilanzahl von Batteriezellen darstellt, welche kleiner ist als die Gesamtanzahl. In diesem Fall entspricht die Ausgangsspannung des Batteriemoduls der Summe der Zellenspannungen der Teilanzahl der Batteriezellen. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, entspricht in diesem Fall dem geringsten der maximalen Ströme der Teilanzahl der Batteriezellen.At least one further topology is also advantageously defined, which represents a serial connection of a partial number of battery cells which is smaller than the total number. In this case, the output voltage of the battery module corresponds to the sum of the cell voltages of the partial number of battery cells. The greatest possible current that the battery module can deliver corresponds in this case to the lowest of the maximum currents of the partial number of battery cells.

Vorzugsweise ist dabei die Teilanzahl von Batteriezellen um eins kleiner ist als die Gesamtanzahl von Batteriezellen. In diesem Fall sind alle Batteriezellen bis auf eine seriell innerhalb des Batteriemoduls verschaltet.The partial number of battery cells is preferably one less than the total number of battery cells. In this case, all but one of the battery cells are connected in series within the battery module.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von zwei Zahlenbeispielen erläutert. Die Gesamtzahl von Batteriezellen sei jeweils gleich dreizehn, das Batteriemodul weist also dreizehn Batteriezellen auf. Jede der Batteriezellen liefere eine Zellenspannung von etwa 3,85 V.The method according to the invention is explained below using two numerical examples. Let the total number of battery cells be thirteen, so the battery module has thirteen battery cells. Each of the battery cells deliver a cell voltage of around 3.85 V.

In einem ersten Zahlenbeispiel weise eine der Batteriezellen einen maximalen Strom von 100 A auf. Die übrigen Batteriezellen weisen jeweils einen maximalen Strom von 200 A auf.In a first numerical example, one of the battery cells has a maximum current of 100 A. The remaining battery cells each have a maximum current of 200 A.

In der ersten Topologie des Batteriemoduls, welche eine serielle Verschaltung der Gesamtanzahl der Batteriezellen darstellt, beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls etwa 50,05 V. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, beträgt 100 A. Die Ausgangsleistung des Batteriemoduls beträgt somit 5050 W.In the first topology of the battery module, which is a serial connection of the total number of battery cells, the output voltage of the battery module is around 50.05 V. The maximum possible current that the battery module can deliver is 100 A. The output power of the battery module is therefore 5050 W. .

Es ist eine zweite Topologie definiert, welche eine serielle Verschaltung einer Teilanzahl von zwölf Batteriezellen darstellt. Dabei sei diejenige Batteriezelle überbrückt, die den geringsten maximalen Strom von vorliegend 100 A aufweist. In der zweiten Topologie beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls etwa 46,20 V. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, beträgt 200 A. Die Ausgangsleistung des Batteriemoduls beträgt somit 9240 W.A second topology is defined, which represents a serial connection of a partial number of twelve battery cells. The battery cell that has the lowest maximum current of 100 A in the present case is bridged. In the second topology, the output voltage of the battery module is around 46.20 V. The maximum possible current that the battery module can deliver is 200 A. The output power of the battery module is therefore 9240 W.

In dem ersten Zahlenbeispiel ist die Ausgangsleistung des Batteriemoduls bei der zweiten Topologie maximal. Daher wird die zweite Topologie ausgewählt. Die Schalteinheiten werden also derart angesteuert, dass diejenige Batteriezelle, die den geringsten maximalen Strom von vorliegend 100 A aufweist, überbrückt wird, und die übrigen Batteriezellen seriell verschaltet sind.In the first numerical example, the output power of the battery module is maximum in the second topology. Therefore the second topology is chosen. The switching units are therefore controlled in such a way that the battery cell which has the lowest maximum current of 100 A in the present case is bridged and the remaining battery cells are connected in series.

In einem zweiten Zahlenbeispiel weise eine der Batteriezellen einen maximalen Strom von 190 A auf. Die übrigen Batteriezellen weisen jeweils einen maximalen Strom von 200 A auf.In a second numerical example, one of the battery cells has a maximum current of 190 A. The remaining battery cells each have a maximum current of 200 A.

In der ersten Topologie des Batteriemoduls, welche eine serielle Verschaltung der Gesamtanzahl der Batteriezellen darstellt, beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls etwa 50,05 V. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, beträgt 190 A. Die Ausgangsleistung des Batteriemoduls beträgt somit 9595 W.In the first topology of the battery module, which is a serial connection of the total number of battery cells, the output voltage of the battery module is around 50.05 V. The maximum possible current that the battery module can deliver is 190 A. The output power of the battery module is therefore 9595 W. .

Es ist eine zweite Topologie definiert, welche eine serielle Verschaltung einer Teilanzahl von zwölf Batteriezellen darstellt. Dabei sei diejenige Batteriezelle überbrückt, die den geringsten maximalen Strom von vorliegend 190 A aufweist. In der zweiten Topologie beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls etwa 46,20 V. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, beträgt 200 A. Die Ausgangsleistung des Batteriemoduls beträgt somit 9240 W.A second topology is defined, which represents a serial connection of a partial number of twelve battery cells. The battery cell that has the lowest maximum current of 190 A in the present case is bridged. In the second topology, the output voltage of the battery module is around 46.20 V. The maximum possible current that the battery module can deliver is 200 A. The output power of the battery module is therefore 9240 W.

In dem zweiten Zahlenbeispiel ist die Ausgangsleistung des Batteriemoduls bei der ersten Topologie maximal. Daher wird die erste Topologie ausgewählt. Die Schalteinheiten werden also derart angesteuert, dass alle Batteriezellen seriell verschaltet sind.In the second numerical example, the output power of the battery module is maximum in the first topology. Therefore the first topology is chosen. The switching units are therefore controlled in such a way that all battery cells are connected in series.

Es wird auch ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Das Batteriemodul umfasst eine Gesamtanzahl von Batteriezellen, welche jeweils eine Zellenspannung liefern. Das Batteriemodul umfasst auch eine Anzahl von Schalteinheiten. Dabei ist jeder der Batteriezellen eine Schalteinheit zugeordnet. Die Anzahl von Schalteinheiten entspricht somit der Gesamtzahl von Batteriezellen des Batteriemoduls.A battery module for a motor vehicle is also proposed. The battery module comprises a total number of battery cells, each of which supplies a cell voltage. The battery module also includes a number of switching units. A switching unit is assigned to each of the battery cells. The number of switching units thus corresponds to the total number of battery cells in the battery module.

Mittels der Schalteinheit ist die zugehörige Batteriezelle zuschaltbar sowie überbrückbar. Eine Batteriezelle ist zugeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen des Batteriemoduls elektrisch seriell verschaltet ist. Eine Batteriezelle ist überbrückt, wenn sie mit anderen Batteriezellen nicht elektrisch seriell verschaltet ist.The associated battery cell can be switched on and bridged by means of the switching unit. A battery cell is connected when it is electrically connected in series with other battery cells of the battery module. A battery cell is bridged if it is not electrically connected in series with other battery cells.

Durch entsprechende Ansteuerung der besagten Schalteinheiten des Batteriemoduls können verschiedene Topologien des Batteriemoduls erzeugt werden. Beispielsweise ist eine erste definierte Topologie erzeugbar, welche eine serielle Verschaltung aller Batteriezellen des Batteriemoduls darstellt. Beispielsweise ist auch eine weitere definierte Topologie erzeugbar, welche eine serielle Verschaltung von weniger als allen Batteriezellen des Batteriemoduls darstellt.Different topologies of the battery module can be generated by appropriate control of the said switching units of the battery module. For example, a first defined topology can be generated which represents a serial connection of all battery cells of the battery module. For example, a further defined topology can also be generated, which is a serial interconnection of less than all battery cells of the battery module.

Das Batteriemodul umfasst auch ein Managementsystem zum Überwachen der Batteriezellen und zum Ansteuern der Schalteinheiten. Das Managementsystem ist beispielsweise mittels eines Kommunikationssystems mit den Batteriezellen und mit den Schalteinheiten verbunden.The battery module also includes a management system for monitoring the battery cells and for controlling the switching units. The management system is connected to the battery cells and to the switching units, for example by means of a communication system.

Erfindungsgemäß weist das Managementsystem eine Messeinheit zum Messen von Zellenspannungen der Batteriezellen auf. Weiter weist das Managementsystem eine Ermittlungseinheit zum Ermitteln von maximalen Strömen der Batteriezellen auf. Ferner weist das Managementsystem eine Recheneinheit zum Berechnen von möglichen Ausgangsleistungen des Batteriemoduls für definierte Topologien des Batteriemoduls auf.According to the invention, the management system has a measuring unit for measuring cell voltages of the battery cells. The management system also has a determination unit for determining maximum currents of the battery cells. The management system also has a computing unit for calculating possible output powers of the battery module for defined topologies of the battery module.

Erfindungsgemäß ist das Batteriemodul mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar. Dazu weist das Managementsystem beispielsweise einen Prozessor und einen Speicherbereich auf, in welchem entsprechender Programmcode abgelegt ist.According to the invention, the battery module can be operated with the method according to the invention. For this purpose, the management system has, for example, a processor and a memory area in which the corresponding program code is stored.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Managementsystem auch eine Steuereinheit zum Ansteuern der Schalteinheiten des Batteriemoduls auf.According to a preferred embodiment of the invention, the management system also has a control unit for controlling the switching units of the battery module.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist jede der Schalteinheiten einen Wechselschalter auf. Der Wechselschalter weist dabei eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung auf. Der Wechselschalter ist derart mit der zugehörigen Batteriezelle verbunden, dass in der ersten Schaltstellung die Batteriezelle durch den Wechselschalter überbrückt ist, und dass in der zweiten Schaltstellung die Batteriezelle durch den Wechselschalter zugeschaltet ist.According to an advantageous embodiment of the invention, each of the switching units has a changeover switch. The changeover switch has a first switch position and a second switch position. The changeover switch is connected to the associated battery cell in such a way that in the first switch position the battery cell is bridged by the changeover switch and that in the second switch position the battery cell is switched on by the changeover switch.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist jede der Schalteinheiten einen ersten Einschalter und einen zweiten Einschalter auf. Ein Einschalter ist in einem geschlossenen Zustand für einen Strom durchlässig. In einem geöffneten Zustand ist ein Einschalter für einen Strom sperrend. Der erste Einschalter ist elektrisch seriell zu der zugehörigen Batteriezelle geschaltet. Der zweite Einschalter ist elektrisch parallel zu der Serienschaltung aus der zugehörigen Batteriezelle und dem ersten Einschalter geschaltet.According to a further advantageous embodiment of the invention, each of the switching units has a first on switch and a second on switch. A power switch is permeable to a current in a closed state. In an open state, a switch for a current is blocking. The first switch is electrically connected in series with the associated battery cell. The second on-switch is electrically connected in parallel to the series circuit comprising the associated battery cell and the first on-switch.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Einschalter der Schalteinheiten als Feldeffekttransistoren, insbesondere als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren, also MOSFET, ausgeführt.According to a preferred embodiment of the invention, the switches of the switching units are designed as field effect transistors, in particular as metal oxide semiconductor field effect transistors, that is to say MOSFETs.

Es wird auch ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das ein erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.A motor vehicle is also proposed which comprises a battery module according to the invention, which is operated with the method according to the invention.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein erfindungsgemäßes Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen derart betrieben werden, dass die Ausgangsleitung des Batteriemoduls maximal ist. Eine defekte Batteriezelle oder eine Batteriezelle mit einem hohen Alterungszustand und einem geringen maximalen Strom senkt die Ausgangsleistung nur unwesentlich ab. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, entspricht dabei nicht zwingend dem geringsten der maximalen Ströme der einzelnen Batteriezellen. Durch Überbrücken von genau einer Batteriezelle sinkt eine Ausgangsspannung des Batteriemoduls nur unwesentlich ab. An das Batteriemodul angeschlossene Verbraucher, insbesondere Verbraucher eines Kraftfahrzeugs, können somit weiter mit elektrischer Energie von dem Batteriemodul versorgt werden.By means of the method according to the invention, a battery module according to the invention can be operated with a plurality of battery cells in such a way that the output line of the battery module is at a maximum. A defective battery cell or a battery cell with a high degree of aging and a low maximum current only insignificantly reduces the output power. The highest possible current that the battery module can deliver does not necessarily correspond to the lowest of the maximum currents of the individual battery cells. By bridging exactly one battery cell, the output voltage of the battery module drops only insignificantly. Consumers connected to the battery module, in particular consumers of a motor vehicle, can thus continue to be supplied with electrical energy from the battery module.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer überbrückten Batteriezelle,
  • 3 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit gemäß der ersten Ausführungsform mit einer zugeschalteten Batteriezelle,
  • 4 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer überbrückten Batteriezelle und
  • 5 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit gemäß der zweiten Ausführungsform mit einer zugeschalteten Batteriezelle.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a battery module,
  • 2 a schematic representation of a cell unit according to a first embodiment with a bridged battery cell,
  • 3rd a schematic representation of a cell unit according to the first embodiment with a connected battery cell,
  • 4th a schematic representation of a cell unit according to a second embodiment with a bridged battery cell and
  • 5 a schematic representation of a cell unit according to the second embodiment with a connected battery cell.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, with a repeated description of these elements in individual cases being dispensed with. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 5. Eine Nennspannung des Batteriemoduls 5 beträgt beispielsweise 48V. Das Batteriemodul 5 weist einen negativen Pol 21 und einen positiven Pol 22 auf. Zwischen den Polen 21, 22 liegt eine Ausgangsspannung an, die zumindest annähernd der Nennspannung entspricht. 1 shows a schematic representation of a battery module 5 . A nominal voltage of the battery module 5 is for example 48V. The battery module 5 has a negative pole 21st and a positive pole 22nd on. Between the poles 21st , 22nd an output voltage is applied which at least approximately corresponds to the nominal voltage.

Das Batteriemodul 5 umfasst eine Gesamtzahl von Batteriezellen 2. Die Batteriezellen 2 sind elektrisch seriell verschaltbar. Jede der Batteriezellen 2 liefert eine Zellenspannung. Die von dem Batteriemodul 5 gelieferte Ausgangsspannung entspricht einer Summe der Zellenspannungen der jeweils seriell verschalteten Batteriezellen 2.The battery module 5 includes a total number of battery cells 2 . The battery cells 2 can be connected electrically in series. Each of the battery cells 2 provides a cell voltage. The one from the battery module 5 The output voltage supplied corresponds to a sum of the cell voltages of the battery cells connected in series 2 .

Das Batteriemodul 5 umfasst eine Anzahl von Schalteinheiten 60. Dabei ist jeder der Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5 eine Schalteinheit 60 zugeordnet. Mittels der Schalteinheit 60 ist die betreffende Batteriezelle 2 zuschaltbar sowie überbrückbar. Eine Batteriezelle 2 ist zugeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5 elektrisch seriell verschaltet ist. Eine Batteriezelle 2 ist überbrückt, wenn sie mit anderen Batteriezellen 2 nicht elektrisch seriell verschaltet ist.The battery module 5 comprises a number of switching units 60 . Each of the battery cells is here 2 of the battery module 5 a switching unit 60 assigned. By means of the switching unit 60 is the battery cell in question 2 switchable and bridgeable. A battery cell 2 is switched on when using other battery cells 2 of the battery module 5 is electrically connected in series. A battery cell 2 is bypassed when using other battery cells 2 is not connected electrically in series.

Die Anzahl von Schalteinheiten 60 entspricht der Gesamtzahl von Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5. Eine Batteriezelle 2 und die zugeordnete Schalteinheit 60 bilden eine Zelleinheit 30. Das Batteriemodul 5 weist also eine Gesamtzahl von Zelleinheiten 30 auf.The number of switching units 60 corresponds to the total number of battery cells 2 of the battery module 5 . A battery cell 2 and the associated switching unit 60 form a unit of cells 30th . The battery module 5 thus has a total number of cell units 30th on.

Beispielsweise ist die Gesamtzahl gleich dreizehn, das Batteriemodul 5 weist also dreizehn Batteriezellen 2 auf. Wenn jede der Batteriezellen 2 eine Zellenspannung von etwa 3,85 V liefert, und wenn die Gesamtzahl von Batteriezellen 2 elektrisch seriell verschaltet ist, so beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5 etwa 50,05 V. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung geringfügig höher als die Nennspannung.For example, the total number is thirteen, the battery module 5 thus has thirteen battery cells 2 on. When each of the battery cells 2 provides a cell voltage of about 3.85 V, and if the total number of battery cells 2 is electrically connected in series, the output voltage of the battery module is 5 about 50.05 V. In this case the output voltage is slightly higher than the nominal voltage.

Wenn nur eine Teilanzahl von Batteriezellen 2 elektrisch seriell verschaltet ist, so ist die Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5 entsprechend geringer. Wenn beispielsweise die Teilanzahl gleich zwölf ist, und wenn jede der Batteriezellen 2 eine Zellenspannung von etwa 3,85 V liefert, so beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5 etwa 46,20 V. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung geringfügig kleiner als die Nennspannung.If only a partial number of battery cells 2 is electrically connected in series, so is the output voltage of the battery module 5 correspondingly lower. For example, if the number of parts is twelve, and if each of the battery cells 2 supplies a cell voltage of around 3.85 V, the output voltage of the battery module is 5 about 46.20 V. In this case the output voltage is slightly lower than the nominal voltage.

Das Batteriemodul 5 umfasst auch ein Managementsystem 40. Das Managementsystem 40 weist eine Messeinheit 41, eine Ermittlungseinheit 42, eine Recheneinheit 43 und eine Steuereinheit 44 auf. Das Managementsystem 40 ist mittels eines Kommunikationssystems 50, welches beispielsweise als CAN-Bus ausgestaltet ist, mit den besagten Zelleinheiten 30 des Batteriemoduls 5 verbunden.The battery module 5 also includes a management system 40 . The management system 40 has a measuring unit 41 , an investigation unit 42 , an arithmetic unit 43 and a control unit 44 on. The management system 40 is by means of a communication system 50 , which is designed as a CAN bus, for example, with said cell units 30th of the battery module 5 connected.

Die Messeinheit 41 des Managementsystems 40 dient zum Messen der Zellenspannungen der Batteriezellen 2. Die Ermittlungseinheit 42 dient zum Ermitteln von maximalen Strömen der Batteriezellen 2. Die Recheneinheit 43 dient zum Berechnen von möglichen Ausgangsleistungen des Batteriemoduls 5 für definierte Topologien des Batteriemoduls 5. Die Steuereinheit 44 dient zum Ansteuern der Schalteinheiten 60.The unit of measurement 41 of the management system 40 is used to measure the cell voltages of the battery cells 2 . The investigative unit 42 is used to determine the maximum currents of the battery cells 2 . The arithmetic unit 43 is used to calculate the possible output power of the battery module 5 for defined topologies of the battery module 5 . The control unit 44 is used to control the switching units 60 .

Über das Kommunikationssystem 50 werden Messwerte der Zelleinheiten 30, insbesondere Messwerte der Batteriezellen 2, zu dem Managementsystem 40 übertragen. Ebenso werden über das Kommunikationssystem 50 Steuersignale des Managementsystems 40 zu den Zelleinheiten 30, insbesondere zu den Schalteinheiten 60, übertragen.Via the communication system 50 are measured values of the cell units 30th , especially measured values of the battery cells 2 , to the management system 40 transfer. Likewise, via the communication system 50 Control signals of the management system 40 to the cell units 30th , especially to the switching units 60 , transfer.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 des Batteriemoduls 5 gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer überbrückten Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 weist ein negatives Terminal 15 und ein positives Terminal 16 auf. Zwischen den beiden Terminals 15, 16 der Batteriezelle 2 liegt die Zellenspannung der Batteriezelle 2 an. 2 shows a schematic representation of a cell unit 30th of the battery module 5 according to a first embodiment with a bridged battery cell 2 . The battery cell 2 has a negative terminal 15th and a positive terminal 16 on. Between the two terminals 15th , 16 the battery cell 2 is the cell voltage of the battery cell 2 at.

Die Schalteinheit 60 weist einen ersten Einschalter 61 und einen zweiten Einschalter 62 auf. Der erste Einschalter 61 ist elektrisch seriell zu der Batteriezelle 2 geschaltet. Der zweite Einschalter 62 ist elektrisch parallel zu der Serienschaltung aus der Batteriezelle 2 und dem ersten Einschalter 61 geschaltet.The switching unit 60 has a first power switch 61 and a second power switch 62 on. The first switch 61 is electrically in series with the battery cell 2 switched. The second power switch 62 is electrically parallel to the series circuit from the battery cell 2 and the first power switch 61 switched.

In der hier gezeigten Darstellung ist der erste Einschalter 61 geöffnet und der zweite Einschalter 62 ist geschlossen. Die Batteriezelle 2 ist somit durch den zweiten Einschalter 62 der Schalteinheit 60 überbrückt. Die Zelleinheit 30 stellt daher einen elektrischen Kurzschluss dar. Die Zellenspannung der überbrückten Batteriezelle 2 liefert somit keinen Beitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5.In the illustration shown here, the first switch is on 61 opened and the second on-switch 62 is closed. The battery cell 2 is thus through the second on-switch 62 the switching unit 60 bridged. The cell unit 30th therefore represents an electrical short circuit. The cell voltage of the bridged battery cell 2 thus does not make any contribution to the output voltage of the battery module 5 .

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 des Batteriemoduls 5 gemäß der ersten Ausführungsform mit einer zugeschalteten Batteriezelle 2. Es handelt sich dabei um die in 2 gezeigte Zelleinheit 30, welche die Schalteinheit 60 aufweist. In der in 3 gezeigten Darstellung befindet sich die Schalteinheit 60 in einem anderen Schaltzustand als in der in 2 gezeigten Darstellung. 3rd shows a schematic representation of a cell unit 30th of the battery module 5 according to the first embodiment with a connected battery cell 2 . These are the in 2 cell unit shown 30th , which is the switching unit 60 having. In the in 3rd The illustration shown is the switching unit 60 in a different switching state than in the in 2 illustration shown.

In der hier gezeigten Darstellung ist der erste Einschalter 61 geschlossen und der zweite Einschalter 62 ist geöffnet. Die Batteriezelle 2 ist somit nicht durch den zweiten Einschalter 62 der Schalteinheit 60 überbrückt. Die Batteriezelle 2 ist somit zugeschaltet. Die Zellenspannung der zugeschalteten Batteriezelle 2 liefert daher einen Beitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5.In the illustration shown here, the first switch is on 61 closed and the second on switch 62 is opened. The battery cell 2 is therefore not through the second on-switch 62 the switching unit 60 bridged. The battery cell 2 is thus switched on. The cell voltage of the connected battery cell 2 therefore makes a contribution to the output voltage of the battery module 5 .

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 des Batteriemoduls 5 gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer überbrückten Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 weist ein negatives Terminal 15 und ein positives Terminal 16 auf. Zwischen den beiden Terminals 15, 16 der Batteriezelle 2 liegt die Zellenspannung der Batteriezelle 2 an. Die Schalteinheit 60 weist einen Wechselschalter 65 auf. 4th shows a schematic representation of a cell unit 30th of the battery module 5 according to a second embodiment with a bridged battery cell 2 . The battery cell 2 has a negative terminal 15th and a positive terminal 16 on. Between the two terminals 15th , 16 the battery cell 2 is the cell voltage of the battery cell 2 at. The switching unit 60 has a changeover switch 65 on.

In der hier gezeigten Darstellung befindet sich der Wechselschalter 65 in einer ersten Schaltstellung. In dieser ersten Schaltstellung ist die Batteriezelle 2 durch den Wechselschalter 65 der Schalteinheit 60 überbrückt. Die Zelleinheit 30 stellt daher einen elektrischen Kurzschluss dar. Die Zellenspannung der überbrückten Batteriezelle 2 liefert somit keinen Beitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5.The toggle switch is located in the illustration shown here 65 in a first switch position. The battery cell is in this first switch position 2 through the toggle switch 65 the switching unit 60 bridged. The cell unit 30th therefore represents an electrical short circuit. The cell voltage of the bridged battery cell 2 thus does not make any contribution to the output voltage of the battery module 5 .

5 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 des Batteriemoduls 5 gemäß der zweiten Ausführungsform mit einer zugeschalteten Batteriezelle 2. Es handelt sich dabei um die in 4 gezeigte Zelleinheit 30, welche die Schalteinheit 60 aufweist. In der in 5 gezeigten Darstellung befindet sich die Schalteinheit 60 in einem anderen Schaltzustand als in der in 4 gezeigten Darstellung. 5 shows a schematic representation of a cell unit 30th of the battery module 5 according to the second embodiment with a connected battery cell 2 . These are the in 4th cell unit shown 30th , which is the switching unit 60 having. In the in 5 The illustration shown is the switching unit 60 in a different switching state than in the in 4th illustration shown.

In der hier gezeigten Darstellung befindet sich der Wechselschalter 65 in einer zweiten Schaltstellung. In dieser zweiten Schaltstellung ist die Batteriezelle 2 nicht durch den Wechselschalter 65 der Schalteinheit 60 überbrückt. Die Batteriezelle 2 ist somit zugeschaltet. Die Zellenspannung der zugeschalteten Batteriezelle 2 liefert daher einen Beitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5.The toggle switch is located in the illustration shown here 65 in a second switch position. The battery cell is in this second switch position 2 not through the changeover switch 65 the switching unit 60 bridged. The battery cell 2 is thus switched on. The cell voltage of the connected battery cell 2 therefore makes a contribution to the output voltage of the battery module 5 .

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Batteriemoduls (5), welches eine Gesamtanzahl von Batteriezellen (2), eine Anzahl von Schalteinheiten (60), wobei jeder der Batteriezellen (2) eine Schalteinheit (60) zugeordnet ist, mittels welcher die zugehörige Batteriezelle (2) zuschaltbar sowie überbrückbar ist, und ein Managementsystem (40) aufweist, umfassend folgende Schritte: - Messen von Zellenspannungen der Batteriezellen (2); - Ermitteln von maximalen Strömen der Batteriezellen (2); - Berechnen von möglichen Ausgangsleistungen des Batteriemoduls (5) für definierte Topologien des Batteriemoduls (5); - Auswahl derjenigen Topologie, bei welcher die Ausgangsleistung maximal ist.Method for operating a battery module (5), which a total number of battery cells (2), a number of switching units (60), wherein a switching unit (60) is assigned to each of the battery cells (2), by means of which the associated battery cell (2) can be switched on and bridged, and has a management system (40), including the following steps: - Measuring cell voltages of the battery cells (2); - Determining the maximum currents of the battery cells (2); - Calculating possible output powers of the battery module (5) for defined topologies of the battery module (5); - Selection of the topology in which the output power is maximum. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste Topologie definiert ist, welche eine serielle Verschaltung der Gesamtanzahl von Batteriezellen (2) darstellt.Procedure according to Claim 1 , wherein a first topology is defined, which represents a serial connection of the total number of battery cells (2). Verfahren nach Anspruch 2, wobei mindestens eine weitere Topologie definiert ist, welche eine serielle Verschaltung einer Teilanzahl von Batteriezellen (2) darstellt, welche kleiner ist als die Gesamtanzahl.Procedure according to Claim 2 , wherein at least one further topology is defined which represents a serial connection of a partial number of battery cells (2) which is smaller than the total number. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Teilanzahl um eins kleiner ist als die Gesamtanzahl.Procedure according to Claim 3 , where the number of parts is one less than the total number. Batteriemodul (5) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Gesamtanzahl von Batteriezellen (2), eine Anzahl von Schalteinheiten (60), wobei jeder der Batteriezellen (2) eine Schalteinheit (60) zugeordnet ist, mittels welcher die zugehörige Batteriezelle (2) zuschaltbar sowie überbrückbar ist, und ein Managementsystem (40), dadurch gekennzeichnet, dass das Managementsystem (40) eine Messeinheit (41) zum Messen von Zellenspannungen der Batteriezellen (2), eine Ermittlungseinheit (42) zum Ermitteln von maximalen Strömen der Batteriezellen (2) und eine Recheneinheit (43) zum Berechnen von möglichen Ausgangsleistungen des Batteriemoduls (5) für definierte Topologien des Batteriemoduls (5) aufweist, und dass das Batteriemodul (5) mit dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche betreibbar ist.Battery module (5) for a motor vehicle, comprising a total number of battery cells (2), a number of switching units (60), each of the battery cells (2) being assigned a switching unit (60) by means of which the associated battery cell (2) can be switched on and can be bridged, and a management system (40), characterized in that the management system (40) has a measuring unit (41) for measuring cell voltages of the battery cells (2), a determination unit (42) for determining maximum currents of the battery cells (2) and a computing unit (43) for calculating possible output powers of the battery module (5) for defined topologies of the battery module (5), and that the battery module (5) can be operated with the method according to one of the preceding claims. Batteriemodul (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Managementsystem (40) eine Steuereinheit (44) zum Ansteuern der Schalteinheiten (60) aufweist.Battery module (5) Claim 5 , characterized in that the management system (40) has a control unit (44) for controlling the switching units (60). Batteriemodul (5) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schalteinheiten (60) einen Wechselschalter (65) aufweist.Battery module (5) according to one of the Claims 5 to 6th , characterized in that each of the switching units (60) has a changeover switch (65). Batteriemodul (5) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schalteinheiten (60) einen ersten Einschalter (61) und einen zweiten Einschalter (62) aufweist.Battery module (5) according to one of the Claims 5 to 6th , characterized in that each of the switching units (60) has a first on switch (61) and a second on switch (62). Batteriemodul (5) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschalter (61, 62) als Feldeffekttransistoren ausgeführt sind.Battery module (5) Claim 8 , characterized in that the switch (61, 62) are designed as field effect transistors. Kraftfahrzeug, umfassend ein Batteriemodul (5) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, welches mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 betrieben wird.Motor vehicle, comprising a battery module (5) according to one of the Claims 5 to 9 , which with the method according to one of the Claims 1 to 4th is operated.
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