WO2014023544A1 - Ersatzzelle für ein batteriesystem - Google Patents

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WO2014023544A1
WO2014023544A1 PCT/EP2013/065084 EP2013065084W WO2014023544A1 WO 2014023544 A1 WO2014023544 A1 WO 2014023544A1 EP 2013065084 W EP2013065084 W EP 2013065084W WO 2014023544 A1 WO2014023544 A1 WO 2014023544A1
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balancing
battery
cell
charge
microcontroller
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PCT/EP2013/065084
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Karsten Haug
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a spare battery system battery having a circuit configured to identify the balancing parameters of the balancing method of a battery system for charge balance between the battery cells thereof and autonomously balancing the state of charge of the replacement cell using these balancing parameters.
  • Hybrid vehicles consist of a larger number of battery cells. Over the life of the battery pack, these battery cells age differently, so that eventually the fastest aged battery cell
  • End of life of the battery pack determined. Also, the case may occur that one or more of its battery cells become defective. A
  • Battery pack are more available: It would then have battery cells much younger generations are installed with other properties, which, however, brings problems. For example, it can be expected that the battery cells of younger generations have higher performance data in terms of their energy and power density compared to the battery cells to be replaced. Because of this higher energy or
  • the newer and smaller battery cells will no longer fit into the battery pack from their terminals (ie, their battery terminals). They also have a higher capacity even with the same nominal capacity, since they are at the beginning of their life and the capacity has not yet fallen compared to the nominal capacity due to aging. Furthermore, they have a lower internal resistance and less self-discharge.
  • a replacement cell for a battery system which comprises a housing with two battery terminals mounted on the housing and electrically connected to the replacement cell. Furthermore, the spare cell has a circuit which is adapted to the
  • Balancing parameters of the balancing method of a battery system which serves the charge balance between the battery cells of the battery system, to identify and autonomous balancing the state of charge of
  • the advantage of a replacement cell designed in this way is that it can be installed and used within a battery system or battery pack that was originally designed for battery cells of an older generation, without compromising the functionality or the efficiency of the battery
  • a replacement cell according to the invention for example, realized in comparison to the already installed battery cells of smaller design, in a housing whose dimensions, mechanical interfaces and battery terminals allow the shoring and electrical connection of the spare cell in the battery system of an older battery cell generation.
  • the replacement cell according to the invention is able to adapt the balancing parameters of the balancing method of the battery system of the older battery cell generation and to carry out an autonomous balancing of itself using the characteristic balancing parameters of the aforementioned balancing method. This makes it possible to provide a spare cell which can be installed in a battery system or battery pack, without requiring less balancing time for the older battery cells of the battery pack
  • the balancing parameters include the balancing current and / or the balancing duration and / or the balancing distance. These parameters are the most important balancing parameters with which a detailed description of the balancing procedure is possible. In the context of most battery system passive balancing, charging is done at a constant current, over a fixed time, at intervals, from a more heavily charged battery cell of the battery system
  • the average amount of current flowing during a balancing process can be used as a balancing current and the average amount of time over which the
  • Balancing current flows during a balancing process, known as balancing duration.
  • the Balancing Distance describes the average time interval between two balancing operations. All three parameters are characteristic of the respective balancing method of a battery system.
  • the circuit has a control unit and / or a local balancing circuit for the autonomous balancing of the state of charge of the replacement cell.
  • the control unit is adapted to control the local balancing circuit.
  • the local balancing circuit has at least one switching means and a load resistor connected in series therewith, wherein the two battery terminals on the housing of the replacement cell have at least one
  • Switching means of the local balancing circuit electrically with each other are connectable. It is particularly preferable to design the switching means as a transistor or as another semiconductor switch. As a result, the spare cell, for example, in the case of the presence of excess charge, be discharged directly.
  • control unit comprises a
  • Microcontroller which is adapted to the balancing parameters of the balancing method of a battery system, which serves for the charge balance between the battery cells of the battery system over
  • Microcontroller particularly preferably a real time clock. Since the balancing of the state of charge of the battery cells within a battery system usually with a constant balancing current over a fixed, predetermined
  • the balancing parameters are particularly well over
  • Time counters can be used to capture balancing duration and balancing distance.
  • Microcontrollers are very well adaptable in performance and equipment to the respective application. Furthermore, they are very inexpensive compared to other computing systems.
  • the circuit preferably also has a local voltage detection element and / or a local current detection element. With such a configuration of the replacement cell, it is easily possible to flow through the replacement cell
  • Balancing current or the voltage of the spare cell for example, their open circuit voltage to measure.
  • the local voltage detection element and / or the local current detection element are connected to the analog ports of the microcontroller.
  • the microcontroller can thus detect the electrical behavior, that is, the voltage and the current of the replacement cell over time and possibly evaluate.
  • the electrical behavior of the replacement cell can be influenced or optimized take place, since it can be done depending on the historical or the currently measured current and / or voltage values.
  • the microcontroller is designed to perform an autonomous balancing of the state of charge of the replacement cell using the identified balancing parameters.
  • microcontroller with the at least one
  • Switching means connected to the local balancing circuit, wherein the
  • Balancing parameter is able to perform.
  • the microcontroller is configured to use the integral of the balancing current over the duration of the balancing
  • the balancing charge can be another
  • Parameters are used to optimize the autonomous balancing of the replacement cell.
  • the microcontroller is configured to perform the autonomous balancing of the spare cell using the identified balancing parameters such that the actual balancing charge is a factor of X% below or above the balancing charge determined by the microcontroller.
  • X corresponds to a value of 10%.
  • the actual balancing charge is the charge that actually drains from the spare cell during a balancing process.
  • Balancing parameter chosen so that the actual balancing charge that flows from the spare cell or is absorbed by the same, by X% below the determined balancing charge of the battery cells of the
  • Battery system is located. In this way it can be ensured that the replacement cell is still partly balanced by the battery system, or the battery management system or the balancing unit thereof, but the charge to be balanced is of a similar order of magnitude as in an older battery cell.
  • Balancing for example via histogram functions, the balancing duration and the balancing current and uses this for an autonomous balancing of the replacement cell, so in the embodiment described above to the reduction of the actual balancing distance, proportional to that reduced by X% Value of the balancing charge to be recognized that the microcontroller or the autonomous balancing of the spare cell works properly.
  • a battery is provided with a spare cell according to the invention, wherein the battery is particularly preferably designed as a lithium-ion battery.
  • An advantage of lithium-ion batteries is their comparatively high energy density.
  • spare cell provided, wherein the battery is connected to a drive system of the motor vehicle.
  • the microcontroller is designed to execute a parameter recognition function for identifying the balancing parameters even after the identification of the balancing parameters until the determined values have been determined
  • Balancing parameters for the autonomous balancing of the spare cell and the balancing of the spare cell can thus be carried out autonomously.
  • Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a spare cell according to the invention for a battery system.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a replacement cell 20 according to the invention for a battery system.
  • the replacement cell 20 is installed in a housing 15 whose dimensions correspond to those of the battery cells of a battery system, not shown in Figure 1.
  • the housing 15 has two battery terminals 2 connected electrically to the replacement cell 20, which are arranged on the housing 15 in such a way that the housing 15, together with the replacement cell 20 installed in it, is inside the not shown
  • the replacement cell 20 also has a circuit 12, which is designed to identify the balancing parameters of a balancing method of a battery system and to perform an autonomous balancing of the state of charge of the replacement cell 20 using these balancing parameters.
  • the circuit 12 includes for this purpose
  • Control unit 4 which is connected to a local balancing circuit 1 1 and has a microcontroller, which comprises a real-time clock.
  • the type of execution of the control unit 4 with microcontroller with real-time clock is chosen in this embodiment of Figure 1 purely by way of example. It is also possible to use other components or computer systems or logical components within a control unit 4 for identifying the Balancing parameters or implementation of the autonomous balancing of the replacement cell 20 may be installed.
  • the balancing parameters include the average balancing current, that is, the average during one
  • the averaged balancing duration that is, the average duration of a balancing process
  • the balancing parameters may also have others and, alternatively or in addition, others
  • Embodiments of a spare cell 20 according to the invention also preferred, instead of the averaged balancing time or the averaged
  • Balancing streams for example, to select the maximum measured balancing current or the maximum measured balancing time from a variety of recorded during several balancing operations balancing currents and times and to use for the autonomous balancing of the spare cell 20.
  • the local balancing circuit 1 1 comprises a switching means 6 and a load resistor 8 connected in series therewith and is arranged between the two battery terminals 2 such that they can be connected directly to one another by closing the switching means 6 via the load resistor 8 are.
  • the switching means 6 is in this case
  • Embodiment purely by way of example as a power transistor (not shown) executed and controlled by the microcontroller of the control unit 4. But the switching means 6 may also be different, for example, designed as an electromechanical switching means.
  • the circuit in this exemplary embodiment comprises a local voltage detection element 3 and a local current detection element 5.
  • the local voltage detection element 3 is connected between the two battery terminals of the replacement cell 1 and is designed to operate between the two
  • Current detection element 5 is located within the electrical connection between a battery terminal of the replacement cell 1 with a battery terminal 2 on the housing 15 of the spare cell 20. Thus, the current flow in or out of the replacement cell 20 can be measured via the local current detection element 5. However, only one or even none of the two local detection elements can be realized or the detection of current and voltage of the replacement cell 20 can be done elsewhere in a different manner. In this embodiment, the local power and
  • Voltage detecting members 3, 5 connected to the analog ports of the microcontroller.
  • the microcontroller of the control unit 4 is adapted to a parameter detection function for identifying the control unit 4
  • Microcontroller first the balancing parameters of the battery system, with which the spare cell 20 is electrically connected or in which the spare cell 20 is installed.
  • the balancing parameters of the battery system are usually from the battery management system, the
  • Battery controller or the balancing unit of the
  • the microcontroller first determines the balancing current and the balancing duration via histogram functions.
  • the determination of the balancing parameters via histogram functions is selected purely by way of example in this exemplary embodiment.
  • the balancing parameters can also be determined in other ways. While the balancing stream over the local
  • Balancing duration determined in this embodiment via the real-time clock of the microcontroller. This is done by starting a balancing process
  • Balancing current corresponds.
  • the time counter is stopped and the balancing duration of this balancing process is recorded and evaluated by the microcontroller.
  • Histogram represents the averaged balancing duration, with which the charge states of the battery cells of the battery system are typically each balanced.
  • the choice of the mean value from the balancing durations is chosen purely by way of example in this exemplary embodiment; for example, the maximum balancing duration in the histogram for an autonomous balancing of the
  • Spare cell 20 can be used. Also, the balancing distance is determined by the real-time clock, stored for each balancing process and of the
  • the identified, determined balancing parameters are in this case those balancing parameters with which the balancing of the battery cells takes place within the battery system in which the replacement cell 20 is installed.
  • the actual balancing parameters are those balancing parameters with which the autonomous balancing of the replacement cell 20 takes place.
  • the microcontroller calculates before running the autonomous balancing parameters
  • Balancing duration to use as a benchmark for the function for the autonomous balancing of the spare cell 20.
  • the microcontroller autonomously executes the function for the autonomous balancing of the replacement cell 20 with the actual balancing parameters in the exemplary embodiment of FIG. 1 via the activation of the MOSFET of the local balancing circuit 11.
  • the actual balancing parameters for autonomous balancing are selected so that the actually occurring, ie the actual balancing charge during an autonomous balancing process by approximately 10% in this exemplary embodiment is 10% below the determined balancing charge ,

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Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Ersatzzelle (20) für ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welches ein Gehäuse (15) mit zwei auf dem Gehäuse angebrachten und elektrisch mit der Ersatzzelle (20) verbundenen Batterieterminals (2) umfasst. Ferner weist die Ersatzzelle (20) eine Schaltung (12) auf, welche dazu ausgebildet ist, die Balancing-Parameter des Balancing-Verfahrens eines Batteriesystems, welches dem Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen des Batteriesystems dient, zu identifizieren und ein autonomes Balancing des Ladezustandes der Ersatzzelle (20) unter Verwendung dieser Balancing-Parameter durchzuführen.

Description

Beschreibung
Titel
Ersatzzelle für ein Batteriesvstem Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ersatzzelle für ein Batteriesystem, welche eine Schaltung aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Balancing-Parameter des Balancing-Verfahrens eines Batteriesystems zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen desselben zu identifizieren und ein autonomes Balancing des Ladezustandes der Ersatzzelle unter Verwendung dieser Balancing-Parameter durchzuführen.
Stand der Technik
Batteriepacks beziehungsweise Batteriesysteme für Elektro- und/oder
Hybridfahrzeuge bestehen aus einer größeren Anzahl von Batteriezellen. Über die Lebensdauer des Batteriepacks altern diese Batteriezellen unterschiedlich stark, so dass schließlich die am schnellsten gealterte Batteriezelle das
Lebensende des Batteriepacks bestimmt. Ebenfalls kann der Fall auftreten, dass eine oder mehrere von dessen Batteriezellen defekt werden. Eine
Nachlieferverpflichtung von 15 Jahren für Batteriezellen stellt für heutige
Hersteller von Batteriezellen ein Problem dar, da die Batteriezellen auf Grund der kalendarischen Alterung, der sie unterliegen, nicht über sehr lange Zeiträume bevorratet werden können. Eine Nachproduktion von Batteriezellen ist schwierig, da nach 15 Jahren aufgrund des technischen Fortschritts weder die
Originalausgangsmaterialien für die Fertigung dieser Batteriezellen, noch die entsprechenden Fertigungseinrichtungen selbst verfügbar sind.
Kommt es beispielsweise zehn Jahre nach der erstmaligen Inbetriebnahme eines Batteriepacks zu einem Ausfall von einer der in diesem verbauten Batteriezellen, kann davon ausgegangen werden, dass keine Originalbatteriezellen für dieses
Batteriepack mehr zur Verfügung stehen: Es müssten dann Batteriezellen wesentlich jüngerer Generationen mit anderen Eigenschaften verbaut werden, was allerdings Probleme mit sich bringt. Beispielsweise ist zu erwarten, dass die Batteriezellen jüngerer Generationen im Vergleich mit den zu ersetzenden Batteriezellen höhere Leistungsdaten aufweisen hinsichtlich ihrer Energie- sowie ihrer Leistungsdichte. Aufgrund dieser höheren Energie- beziehungsweise
Leistungsdichte weisen diese jüngeren Batteriezellen meist auch eine kleinere Bauform auf. Wird nun versucht, solche Batteriezellen einer jüngeren Generation in ein älteres Batteriepack einzubauen, so ergeben sich typischerweise gegenüber den älteren Batteriezellen untere anderem beispielsweise die folgenden Unterschiede:
Die neueren und kleineren Batteriezellen passen von ihren Anschlüssen (das heißt ihren Batterieterminals) nicht mehr in das Batteriepack. Sie weisen auch bei gleicher nominaler Kapazität ferner eine höhere Kapazität auf, da sie am Beginn ihrer Lebensdauer stehen und die Kapazität gegenüber der nominalen Kapazität durch Alterung noch nicht abgesunken ist. Des Weiteren verfügen sie über einen geringeren Innenwiderstand sowie eine geringere Selbstentladung.
Unter anderem aus diesen Unterschieden resultiert ein elektrisches Verhalten der neuartigen Batteriezellen, welches bei dem Versuch, selbige in Batteriepacks älterer Generationen zu verwenden, zu Problemen führt. Beispielsweise werden jüngere Batteriezellen auf Grund derer geringeren Selbstentladung sowie höheren Kapazität im Betrieb schwächer entladen. Beim Laden erreichen sie dann als erste der Batteriezellen des Batteriepacks die maximale Spannung und beenden damit den Ladevorgang, so dass die älteren, schwächeren
Batteriezellen nicht mehr vollständig geladen werden. Um dies zu verhindern, wird das Batteriemanagementsystem beziehungsweise die Balancing-Einheit des Batteriesystems, in welchem die neuartige Batteriezelle verbaut ist, selbige mit dessen Balancing-Strategie bewusst entladen. Aufgrund der höheren Kapazität werden die jüngeren Batteriezellen dann allerdings einen hohen Anteil an der verfügbaren Balancing-Zeit in Anspruch nehmen. Dies wiederum führt dazu, dass für die älteren Batteriezellen des Batteriepacks weniger Balancing-Zeit zur Verfügung steht und die Balancing-Performance des
Batteriemanagementsystems beziehungsweise der Balancing-Einheit des Batteriesystems insgesamt nicht mehr ausreichend ist, so dass die
Gesamtkapazität des Batteriepacks in kurzer Zeit schon so weit abgesunken ist, dass das Batteriepack trotz der Ersatzzelle(n) die Lebensdauergrenze von 15 Jahren nicht mehr erfüllt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Ersatzzelle für ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welches ein Gehäuse mit zwei auf dem Gehäuse angebrachten und elektrisch mit der Ersatzzelle verbundenen Batterieterminals umfasst. Ferner weist die Ersatzzelle eine Schaltung auf, welche dazu ausgebildet ist, die
Balancing-Parameter des Balancing-Verfahrens eines Batteriesystems, welches dem Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen des Batteriesystems dient, zu identifizieren und ein autonomes Balancing des Ladezustandes der
Ersatzzelle unter Verwendung dieser Balancing-Parameter durchzuführen.
Der Vorteil einer derart ausgestalteten Ersatzzelle ist, dass diese innerhalb eines Batteriesystems oder Batteriepacks verbaut und genutzt werden kann, welches ursprünglich für Batteriezellen einer älteren Generation ausgelegt war, ohne dabei die Funktionstüchtigkeit beziehungsweise die Effizienz des
Balancing-Verfahrens des jeweiligen Batteriesystems oder Batteriepacks zu beeinträchtigen beziehungsweise die Lebensdauer des Batteriepacks herabzusetzen. Dabei ist eine erfindungsgemäße Ersatzzelle, beispielsweise mit im Vergleich zu den bereits verbauten Batteriezellen kleinerer Bauform, in einem Gehäuse realisiert, dessen Abmessungen, mechanische Schnittstellen sowie Batterieterminals den Verbau und den elektrischen Anschluss der Ersatzzelle in dem Batteriesystem einer älteren Batteriezellgeneration ermöglichen. Ferner ist die erfindungsgemäße Ersatzzelle in der Lage, die Balancing-Parameter des Balancing-Verfahrens des Batteriesystems der älteren Batteriezellengeneration zu adaptieren und ein autonomes Balancing ihrer selbst unter Verwendung der charakteristischen Balancing-Parameter des erwähnten Balancing-Verfahrens durchzuführen. Dadurch wird es möglich, eine Ersatzzelle bereitzustellen, welche in einem Batteriesystem oder Batteriepack verbaut werden kann, ohne dass für die älteren Batteriezellen des Batteriepacks weniger Balancing-Zeit zur
Verfügung steht und die Balancing-Performance des
Batteriemanagementsystems beziehungsweise des Batteriesystems insgesamt für ein effizientes Batteriezellbalancing ausreichend ist. Bei dem Verbau einer erfindungsgemäßen Ersatzzelle kommt es daher ebenfalls nicht zu einer
Herabsetzung der Gesamtkapazität des Batteriepacks, wodurch die
Lebensdauergrenze von 15 Jahren für das gesamte Batteriepack erreicht werden kann.
Vorzugsweise umfassen die Balancing-Parameter den Balancing-Strom und/oder die Balancing-Dauer und/oder den Balancing-Abstand. Bei diesen Parametern handelt es sich um die wichtigsten Balancing-Parameter, mit welchen eine genaue Beschreibung des Balancing-Verfahrens möglich ist. Im Rahmen der meisten passiven Balancing-Verfahren eines Batteriesystems wird mit einem konstanten Strom, über eine feste Zeit, in bestimmten Abständen, Ladung von einer stärker geladenen Batteriezelle des Batteriesystems an einem
Lastwiderstand in Wärme umgesetzt. Beispielsweise die durchschnittliche Höhe des fließenden Stroms während eines Balancing-Vorgangs kann dabei als Balancing-Strom und die durchschnittliche Zeitdauer, über welche der
Balancing-Strom während eines Balancing-Vorgangs fließt, als Balancing-Dauer bezeichnet werden. Der Balancing-Abstand beschreibt den durchschnittlichen zeitlichen Abstand zwischen zwei Balancing-Vorgängen. Alle drei genannten Parameter sind für das jeweilige Balancing-Verfahren eines Batteriesystems charakteristisch.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Schaltung eine Steuereinheit und/oder einen lokalen Balancing-Schaltkreis zum autonomen Balancing des Ladezustandes der Ersatzzelle auf. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, den lokalen Balancing-Schaltkreis zu steuern. Durch einen derartigen lokalen Balancing-Schaltkreis innerhalb der Ersatzzelle besteht neben der Möglichkeit des Balancings durch das Batteriemanagementsystem oder der Balancing-Einheit des Batteriesystems, in welchem die erfindungsgemäße Ersatzzelle verbaut ist, die weitere Möglichkeit, die Batteriezelle unabhängig von dem Batteriesystem beziehungsweise dem Batteriemanagementsystem desselben zu balancen, beziehungsweise zu entladen.
Vorzugsweise weist der lokale Balancing-Schaltkreis mindestens ein Schaltmittel und einen zu diesem in Reihe geschalteten Lastwiderstand auf, wobei die beiden Batterieterminals auf dem Gehäuse der Ersatzzelle über das mindestens eine
Schaltmittel des lokalen Balancing-Schaltkreises elektrisch miteinander verbindbar sind. Besonders bevorzugt ist es, das Schaltmittel als Transistor oder als einen anderen Halbleiterschalter auszuführen. Dadurch kann die Ersatzzelle, beispielsweise im Falle des Vorhandenseins von überschüssiger Ladung, auf direktem Wege entladen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuereinheit einen
Mikrocontroller, welcher dazu ausgebildet ist, die Balancing-Parameter des Balancing-Verfahrens eines Batteriesystems, welches dem Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen des Batteriesystems dient, über
Histogramm-Funktionen zu identifizieren. Des Weiteren umfasst der
Mikrocontroller besonders bevorzugt eine Echtzeituhr. Da das Balancing des Ladezustandes der Batteriezellen innerhalb eines Batteriesystems meist mit einem konstanten Balancing-Strom über einer festen, vorbestimmten
Balancing-Dauer, und einem statistisch erfassten Balancing-Abstand erfolgt, lassen sich die Balancing-Parameter besonders gut über
Histogramm-Funktionen bestimmen. Im Gegensatz zum im Normalbetrieb des Batteriesystems fließenden Laststrom, welcher im Histogramm stochastisch verteilt auftritt, stellt der Balancing-Strom im Histogramm einen schmalen Peak dar. Wird ein Mikrocontroller mit Echtzeituhr realisiert, kann selbiger als
Zeitzähler zur Erfassung von Balancing-Dauer und Balancing-Abstand verwendet werden. Mikrocontroller sind sehr gut in Leistung und Ausstattung auf die jeweilige Anwendung anpassbar. Des Weiteren sind sie gegenüber anderen Rechensystemen sehr kostengünstig. Vorzugsweise weist die Schaltung ferner ein lokales Spannungserfassungsglied und/oder ein lokales Stromerfassungsglied auf. Mit einer solchen Ausgestaltung der Ersatzzelle ist es gut möglich, den durch die Ersatzzelle fließenden
Balancing-Strom beziehungsweise die Spannung der Ersatzzelle, beispielsweise ihre Leerlaufspannung, zu messen.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform sind das lokale Spannungserfassungsglied und/oder das lokale Stromerfassungsglied mit den analogen Ports des Mikrocontrollers verbunden. Der Mikrocontroller kann so das elektrische Verhalten, das heißt die Spannung und den Strom der Ersatzzelle über die Zeit erfassen und gegebenenfalls auswerten. Dadurch kann das elektrische Verhalten der Ersatzzelle beeinflusst beziehungsweise optimiert erfolgen, da es in Abhängigkeit von den historischen beziehungsweise den aktuell gemessenen Strom- und/oder Spannungswerten erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Mikrocontroller dazu ausgebildet, ein autonomes Balancing des Ladezustandes der Ersatzzelle unter Verwendung der identifizierten Balancing-Parameter durchzuführen.
Besonders bevorzugt ist der Mikrocontroller mit dem mindestens einen
Schaltmittel des lokalen Balancing-Schaltkreises verbunden, wobei das
Balancing über das Öffnen beziehungsweise Schließen des Schaltmittels erfolgt. Auf diesem Wege kann das Balancing der Ersatzzelle zuverlässig und optimiert erfolgen, da der Mikrocontroller selbiges zum einen in Abhängigkeit von dem bereits geflossenen Strom beziehungsweise der historischen Entwicklung der Zellspannung und zum anderen unter Verwendung der identifizierten
Balancing-Parameter auszuführen in der Lage ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Mikrocontroller dazu ausgebildet, aus dem Integral des Balancing-Stroms über die Balancing-Dauer die
Balancing-Ladung zu ermitteln. Die Balancing-Ladung kann als weiterer
Parameter zur Optimierung des autonomen Balancings der Ersatzzelle herangezogen werden.
Vorzugsweise ist der Mikrocontroller dazu ausgelegt, das autonome Balancing der Ersatzzelle unter Verwendung der identifizierten Balancing-Parameter so durchzuführen, dass die tatsächliche Balancing-Ladung um einen Faktor von X % unter oder über der von dem Mikrocontroller ermittelten Balancing-Ladung liegt.
Besonders bevorzugt entspricht X einem Wert von 10 %. Die Balancing-Ladung ergibt sich also rechnerisch, wie oben beschrieben, aus dem Integral des Balancing-Stroms über die Balancing-Dauer während eines Balancing
Vorganges innerhalb des Batteriesystems. Die tatsächliche Balancing-Ladung ist diejenige Ladung, welche tatsächlich während eines Balancing-Vorgangs von der Ersatzzelle abfließt. Mit anderen Worten ausgedrückt werden die drei
Balancing-Parameter so gewählt, dass die tatsächliche Balancing-Ladung, die von der Ersatzzelle abfließt beziehungsweise von selbiger aufgenommen wird, um X % unter der ermittelten Balancing-Ladung der Batteriezellen des
Batteriesystems liegt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Ersatzzelle noch teilweise von dem Batteriesystem, beziehungsweise dem Batteriemanagementsystem oder der Balancing-Einheit desselben ausbalanciert wird, jedoch die zu balancende Ladung in einer ähnlichen Größenordnung wie bei einer älteren Batteriezelle liegt.
Des Weiteren kann auf diese Weise überprüft werden, ob die von der Schaltung identifizierten beziehungsweise dem Mikrocontroller ermittelten
Balancing-Parameter des Batteriesystems mit den tatsächlichen
Balancing-Parametern zum autonomen Balancing der Ersatzzelle
übereinstimmen. Erfasst der Mikrocontroller während des autonomen
Balancings, beispielsweise über Histogramm-Funktionen, die Balancing-Dauer sowie den Balancing-Strom und verwendet diese für ein autonomes Balancing der Ersatzzelle, so kann bei der oben beschriebenen Ausführungsform an der Reduktion des tatsächlichen Balancing-Abstandes, proportional zu dem um X % reduzierten Wert der Balancing-Ladung erkannt werden, dass der Mikrocontroller beziehungsweise das autonome Balancing der Ersatzzelle korrekt funktioniert.
Ferner wird eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Ersatzzelle bereitgestellt, wobei die Batterie besonders bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist. Vorteilig an Lithium-Ionen-Batterien ist deren vergleichsweise hohe Energiedichte.
Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit einer
erfindungsgemäßen Ersatzzelle bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung der oben beschriebenen
Ausführungsform ist der Mikrocontroller dazu ausgelegt, auch nach Identifikation der Balancing-Parameter so lange eine Parameter-Erkennungsfunktion zur Identifikation der Balancing-Parameter auszuführen, bis die ermittelten
Balancing-Parameter des Batteriesystems sicher innerhalb der von dem
Mikrocontroller der Ersatzzelle durchgeführten tatsächlichen
Balancing-Parameter zum autonomen Balancing der Ersatzzelle liegen und das Balancing der Ersatzzelle somit autonom durchgeführt werden kann. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ersatzzelle für ein Batteriesystem.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ersatzzelle 20 für ein Batteriesystem dargestellt. Die Ersatzzelle 20 ist in einem Gehäuse 15 verbaut, dessen Abmessungen denen der Batteriezellen eines in Figur 1 nicht dargestellten Batteriesystems entsprechen. Ferner weist das Gehäuse 15 zwei elektrisch mit der Ersatzzelle 20 verbundene Batterieterminals 2 auf, welche so auf dem Gehäuse 15 angeordnet sind, dass sich das Gehäuse 15 samt der in diesem verbauten Ersatzzelle 20 innerhalb des nicht dargestellten
Batteriesystems verbauen und anschließen lässt, so dass die Ersatzzelle 20 mit dem Batteriesystem funktionstüchtig verbindbar ist.
Die Ersatzzelle 20 weist ferner eine Schaltung 12 auf, welche dazu ausgelegt ist, die Balancing-Parameter eines Balancing-Verfahrens eines Batteriesystems zu identifizieren und unter Verwendung dieser Balancing-Parameter ein autonomes Balancing des Ladezustandes der Ersatzzelle 20 durchzuführen. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Schaltung 12 zu diesem Zweck eine
Steuereinheit 4, welche mit einem lokalen Balancing-Schaltkreis 1 1 verbunden ist und einen Mikrocontroller aufweist, welcher eine Echtzeituhr umfasst. Die Art der Ausführung der Steuereinheit 4 mit Mikrocontroller mit Echtzeituhr ist dabei in diesem Ausführungsbeispiel der Figur 1 rein beispielhaft gewählt. Es können auch andere Komponenten beziehungsweise Rechensysteme oder logische Komponenten innerhalb einer Steuereinheit 4 zur Identifikation der Balancing-Parameter beziehungsweise Durchführung des autonomen Balancings der Ersatzzelle 20 verbaut sein.
In diesem Ausführungsbeispiel umfassen die Balancing-Parameter den gemittelten Balancing-Strom, das heißt den durchschnittlich während eines
Balancing-Vorgangs des Batteriesystems, in welchem die Ersatzzelle 20 verbaut ist, zwecks Entladung fließenden Strom, die gemittelte Balancing-Dauer, das heißt die durchschnittliche Dauer eines Balancing-Vorgangs sowie den
Balancing-Abstand, das heißt die durchschnittlich zwischen zwei
Balancing-Vorgängen liegende Zeit. Allerdings können die Balancing-Parameter auch noch weitere und alternativ oder ergänzend auch andere
Balancing-Parameter umfassen. Des Weiteren ist es in anderen
Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Ersatzzelle 20 auch bevorzugt, anstelle der gemittelten Balancing-Zeit beziehungsweise des gemittelten
Balancing-Stroms zum Beispiel den maximalen gemessenen Balancing-Strom beziehungsweise die maximale gemessene Balancing-Zeit aus einer Vielzahl von während mehrerer Balancing-Vorgänge aufgenommener Balancing-Ströme und -Zeiten zu wählen und für das autonome Balancing der Ersatzzelle 20 zu verwenden.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 umfasst der lokale Balancing-Schaltkreis 1 1 ein Schaltmittel 6 und einen zu diesem in Reihe geschalteten Lastwiderstand 8 und ist so zwischen den beiden Batterieterminals 2 angeordnet, dass diese durch Schließen des Schaltmittels 6 über den Lastwiderstand 8 direkt miteinander verbindbar sind. Das Schaltmittel 6 ist in diesem
Ausführungsbeispiel rein beispielhaft als Leistungstransistor (nicht dargestellt) ausgeführt und über den Mikrocontroller der Steuereinheit 4 ansteuerbar. Das Schalmittel 6 kann aber auch anders, beispielsweise als elektromechanisches Schaltmittel ausgeführt sein.
Des Weiteren umfasst die Schaltung in diesem Ausführungsbeispiel ein lokales Spannungserfassungsglied 3 sowie ein lokales Stromerfassungsglied 5. Das lokale Spannungserfassungsglied 3 ist zwischen den beiden Batterieterminals der Ersatzzelle 1 angeschlossen und dazu ausgelegt, die zwischen den
Batterieterminals der Ersatzzelle 1 abfallende Spannung zu messen. Das lokale
Stromerfassungsglied 5 liegt innerhalb der elektrischen Verbindung zwischen einem Batterieterminal der Ersatzzelle 1 mit einem Batterieterminal 2 auf dem Gehäuse 15 der Ersatzzelle 20. Über das lokale Stromerfassungsglied 5 kann somit der Stromfluss in die beziehungsweise aus der Ersatzzelle 20 gemessen werden. Es kann allerdings auch nur eines oder gar keines der beiden lokalen Erfassungsglieder realisiert sein oder die Erfassung von Strom und Spannung der Ersatzzelle 20 an anderer Stelle auf andere Art und Weise geschehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die lokalen Strom- und
Spannungserfassungsglieder 3, 5 mit den analogen Ports des Mikrocontrollers verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Mikrocontroller der Steuereinheit 4 dazu ausgelegt, eine Parameter-Erkennungsfunktion zur Identifikation der
Balancing-Parameter unter Verwendung von Histogramm-Funktionen sowie eine Funktion für das autonome Balancing der Ersatzzelle 20 unter Verwendung der identifizierten Balancing-Parameter auszuführen. Dafür identifiziert der
Mikrocontroller zunächst die Balancing-Parameter des Batteriesystems, mit welchem die Ersatzzelle 20 elektrisch verbunden beziehungsweise in welchem die Ersatzzelle 20 verbaut ist. Die Balancing-Parameter des Batteriesystems werden dabei meist von dem Batteriemanagementsystem, dem
Batterie-Controller (BCU) beziehungsweise der Balancing-Einheit des
Batteriesystems vorgegeben. In diesem Ausführungsbeispiel bestimmt der Mikrocontroller zunächst den Balancing-Strom sowie die Balancing-Dauer über Histogramm-Funktionen. Die Bestimmung der Balancing-Parameter über Histogramm-Funktionen ist dabei in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt. Die Balancing-Parameter können auch auf andere Art und Weise bestimmt werden. Während der Balancing-Strom über die lokale
Stromerfassungseinheit 5 gemessen und der gemessene Wert des
Balancing-Stroms an den Mikrocontroller übermittelt wird, wird die
Balancing-Dauer in diesem Ausführungsbeispiel über die Echtzeituhr des Mikrocontrollers bestimmt. Hierzu wird bei Start eines Balancing-Vorgangs ein
Zeitzähler gestartet, sobald der gemessene Strom dem ermittelten
Balancing-Strom entspricht. Sobald sich der Stromfluss dann wieder deutlich verändert hat, wird der Zeitzähler gestoppt und die Balancing-Dauer dieses Balancing-Vorgangs festgehalten und von dem Mikrocontroller ausgewertet. Über den Zeitverlauf mit mehreren Balancing-Vorgängen stellt der Mittelwert aus allen während der Balancing-Vorgänge aufgenommenen Balancing-Dauern im Histogramm die gemittelte Balancing-Dauer dar, mit welcher die Ladezustände der Batteriezellen des Batteriesystems jeweils typischerweise ausbalanciert werden. Die Wahl des Mittelwertes aus den Balancing-Dauern ist dabei in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt, es kann zum Beispiel auch die maximale Balancing-Dauer im Histogramm für ein autonomes Balancing der
Ersatzzelle 20 verwendet werden. Auch der Balancing-Abstand wird über die Echtzeituhr ermittelt, je Balancing-Vorgang abgespeichert und von dem
Mikrocontroller ausgewertet. Die oben beschriebene Funktion wird von dem Mikrocontroller so lange ausgeführt, bis die identifizierten, das heißt die von dem Mikrocontroller ermittelten Balancing-Parameter sicher mit den tatsächlichen
Balancing-Parametern zum autonomen Balancing der Ersatzzelle 20
korrespondieren. Die identifizierten, ermittelten Balancing-Parameter sind dabei diejenigen Balancing-Parameter, mit welchen das Balancing der Batteriezellen innerhalb des Batteriesystems erfolgt, in welchem die Ersatzzelle 20 verbaut ist. Die tatsächlichen Balancing-Parameter sind diejenigen Balancing-Parameter, mit denen das autonome Balancing der Ersatzzelle 20 erfolgt. Allerdings errechnet der Mikrocontroller vor der Ausführung des autonomen
Balancings der Ersatzzelle 20 in diesem Ausführungsbeispiel zuvor noch die Balancing-Ladung aus dem Integral des Balancing-Stroms über die
Balancing-Dauer, um diese als Richtgröße für die Funktion für das autonome Balancing der Ersatzzelle 20 zu verwenden.
Nachdem die Balancing-Parameter ermittelt sind, führt der Mikrocontroller in dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 über die Ansteuerung des MOSFET der lokalen Balancing-Schaltung 1 1 die Funktion für das autonome Balancing der Ersatzzelle 20 mit den tatsächlichen Balancing-Parametern autonom aus. Dabei werden die tatsächlichen Balancing-Parameter für das autonome Balancing so gewählt, dass die sich tatsächlich einstellende, also die tatsächliche Balancing-Ladung während eines autonomen Balancing-Vorgangs um etwa, in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählte 10 % unter der ermittelten Balancing-Ladung liegt.

Claims

Ansprüche
Ersatzzelle (20) für ein Batteriesystem, umfassend
ein Gehäuse (15) mit zwei auf dem Gehäuse (15) angebrachten und elektrisch mit der Ersatzzelle (20) verbundenen Batterieterminals (2), dadurch gekennzeichnet, dass
die Ersatzzelle (20) eine Schaltung (12) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Balancing-Parameter des Balancing-Verfahrens eines
Batteriesystems, welches dem Ladungsausgleich zwischen den
Batteriezellen des Batteriesystems dient, zu identifizieren und ein autonomes Balancing des Ladezustandes der Ersatzzelle (20) unter Verwendung dieser Balancing-Parameter durchzuführen.
Ersatzzelle (20) nach Anspruch 1 , wobei die Balancing-Parameter den Balancing-Strom und/oder die Balancing-Dauer und/oder den
Balancing-Abstand umfassen.
Ersatzzelle (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltung (12) eine Steuereinheit (4) und/oder einen lokalen
Balancing-Schaltkreis (1 1 ) zum autonomen Balancing des Ladezustandes der Ersatzzelle (20) aufweist.
Ersatzzelle (20) nach Anspruch 3, wobei der lokale Balancing-Schaltkreis (1 1 ) mindestens ein Schaltmittel (6) und einen zu diesem in Reihe geschalteten Lastwiderstand (8) aufweist, wobei die beiden Batterieterminals (2) auf dem Gehäuse (15) der Ersatzzelle (20) über das mindestens eine Schaltmittel (6) des lokalen Balancing-Schaltkreises (1 1 ) elektrisch miteinander verbindbar sind. 5. Ersatzzelle (20) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuereinheit (4) einen Mikrocontroller umfasst, welcher dazu ausgebildet ist, die Balancing-Parameter des Balancing-Verfahrens eines Batteriesystems, welches dem Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen des
Batteriesystems dient, über Histogramm-Funktionen zu identifizieren.
6. Ersatzzelle (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Schaltung (12) ferner ein lokales Spannungserfassungsglied (3) und/oder ein lokales Stromerfassungsglied (5) aufweist.
7. Ersatzzelle (20) nach Anspruch 5 und 6, wobei das lokale
Spannungserfassungsglied (3) und/oder das lokale Stromerfassungsglied (5) mit den analogen Ports des Mikrocontrollers verbunden sind.
8. Ersatzzelle (20) nach Anspruch 5 oder 7, wobei der MikroController dazu ausgebildet ist, ein autonomes Balancing des Ladezustandes der Ersatzzelle (20) unter Verwendung der identifizierten Balancing-Parameter
durchzuführen.
9. Ersatzzelle (20) nach Anspruch 2 und 8, wobei der MikroController dazu ausgebildet ist, aus dem Integral des Balancing-Stroms über die
Balancing-Dauer die Balancing-Ladung zu ermitteln.
10. Ersatzzelle (20) nach Anspruch 9, wobei der Mikrocontroller dazu ausgelegt ist, das autonome Balancing der Ersatzzelle (20) unter Verwendung der identifizierten Balancing-Parameter so durchzuführen, dass die tatsächliche Balancing-Ladung um einen Faktor von X % unter oder über der von dem Mikrocontroller ermittelten Balancing-Ladung liegt.
1 1 . Batterie mit einer Ersatzzelle (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 1 1 , wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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