WO2014095140A2 - Batterie und verfahren zur regelung einer batteriespannung durch pulsweitenmodulierte signale - Google Patents

Batterie und verfahren zur regelung einer batteriespannung durch pulsweitenmodulierte signale Download PDF

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WO2014095140A2
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Definitions

  • the present invention relates to a battery having a plurality of
  • Coupling circuits are connected to a battery string or bypassed, the battery driving means for driving the
  • Coupling circuits comprises by control signals. Furthermore, the invention relates to a method for controlling a battery voltage of a battery.
  • Battery systems will be used. In order to meet the voltage and available power requirements of a given application, a large number of battery cells are connected in series, thereby forming a battery string having a high battery capacity
  • Battery voltage provides. To achieve a high battery current, battery cells are often additionally connected in parallel.
  • Total voltage corresponds to a desired setpoint for a battery voltage, the other, unnecessary battery cells are disabled or bypassed.
  • a control of coupling circuits of the battery cells is to Microcontroller made, the microcontroller typically over a galvanic separation away with a central control unit
  • the coupling circuits can by semiconductor switches, in particular MOSFET transistors, and a respective associated
  • the semiconductor switches can be in one
  • Half-bridge configuration or a full-bridge configuration may be arranged.
  • each of the coupling circuits may be provided for switching a single battery cell or a battery module having a plurality of battery cells.
  • a respective coupling circuit must have a communication interface or a signal transmission connection
  • Communication bus Communication bus
  • a central control unit whether the battery cell or the battery module is to be switched or bridged or which transistor should be turned on and which not.
  • the disadvantage of this is the required high communication effort, which occurs to a particularly high degree of when the number of each connected by a coupling unit battery modules or cells is reduced to achieve a fine voltage gradation of the battery voltage.
  • the high communication costs are due in particular to the requirement that in order to obtain a sufficiently robust and efficient battery system, the
  • a battery having a plurality of battery cells wherein the battery cells are configured to be selectively connected or bypassed by driving coupling circuits to a battery string.
  • the battery has drive means for
  • Drive means are adapted to control the
  • Coupling circuits to make by means of pulse width modulated signals to make by means of pulse width modulated signals.
  • a specification of a pulse-width-modulated signal is processed by means of weighting circuits assigned to the battery cells in such a way that a mean value On time of a respective battery cell is determined by the duty cycle of a weighted pulse width modulated signal.
  • a method for controlling a battery voltage of a battery having a plurality of battery cells in which a control of
  • Battery voltage is set to a desired target voltage.
  • Duty cycle of a pulse width modulated signal is determined, a simple, central control of the battery voltage is initially allowed. Furthermore, by means of the two-stage control according to the invention, in which initially a default is made and then local weighting is carried out,
  • Weighting circuit to be performed directly at or on the battery cell without having to specify or control the balancing for each battery cell individually by a central control unit. It is possible that a total battery voltage is adjusted without all cell voltages must be transmitted to a central control unit and / or there in terms of a
  • a weighting circuit is provided for each battery cell of the battery. This allows a particularly high scalability of the battery At the same time a particularly fine gradation of the adjustable battery voltage can be achieved.
  • the weighting circuit is battery module-wise. According to an advantageous embodiment of the invention, the
  • Weighting circuits each for adjusting the default for a
  • Pulse width modulated signal set based on operating parameters of the battery and / or operating parameters of individual battery cells.
  • the battery preferably has a central control unit, which is set up to generate the specification for the pulse-width-modulated signal based on a comparison of a battery voltage generated by the battery with a predetermined setpoint voltage.
  • the battery has a
  • Signal transmission connection which is adapted to transmit the generated specification directly as a predetermined pulse width modulated signal to the weighting circuits.
  • the signal transmission connection is as a
  • the battery is preferably equipped with measuring and evaluation electronics for determining current values of the operating parameters which are used to adapt the pulse-modulated signal from the weighting circuits.
  • the monitoring function can be used the more selectively the more operating parameters are currently determined.
  • Evaluation for evaluation are passed to the weighting circuit. Due to this direct way of transmitting measured values, the communication effort, for example the communication effort between the battery cells or coupling units and a central one, continues
  • At least parts of the measuring and evaluation electronics are arranged directly at or on the battery cells.
  • the measuring and evaluation electronics have means for determining values for a
  • Battery cells and / or can be present as a distribution across all battery cells.
  • the instantaneous current direction of a battery current is also determined and reported to the monitoring circuit.
  • the monitoring circuit in particular a balancing
  • each battery condition Defined in each battery condition are taken sufficiently into account, without this requirement must be communicated by a central control unit. Therefore, the processes are in particular calculated from a weighting function into which a state of charge, in particular a charge state of a respective battery cell to be switched, a current direction of a battery current, and / or other operating parameters of the battery are received.
  • the method according to the invention it can be provided in this case that it is first determined for each battery cell whether the battery cell is in a low state of charge or a high state of charge.
  • a predetermined duty cycle for the pulse width modulated signal is reduced. This is preferably done so that it is less clocked battery cell.
  • the duty ratio is increased accordingly.
  • the battery cell is in a high state of charge
  • the duty cycle is increased in the case of discharging the battery cell, so that the battery cell is clocked more. Conversely, if there is a high state of charge, in the case of charging the battery cell, the duty cycle is reduced.
  • the coupling circuits according to the invention are preferably by a
  • Half-bridge configuration of semiconductor switches used is not limited to a particular type of coupling circuits.
  • a coupling circuit can also be configured as a full-bridge configuration
  • Semiconductor switches be configured.
  • the weighting circuits are each implemented by the battery cell's own microcontroller connected to the measurement and evaluation electronics and the central control unit.
  • the battery cell can perform a processing of the specification of the pulse width modulated signal in a particularly efficient and autonomous manner, and the accuracy and scalability of the battery continue to be improved. So can one
  • the microcontroller according to the invention may preferably also include a memory with instructions for implementing the weighting function.
  • a motor vehicle is provided with an electric motor that has the battery according to the invention, wherein the battery is connected to a drive train of the electric motor.
  • the battery according to the invention is preferably a lithium-ion battery.
  • FIG. 1 shows a battery system with a battery string of connectable and bridgeable battery cells, which are each equipped with a controllable coupling circuit and can be controlled by a pulse width modulated, according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a block diagram of the principle of the inventive weighting of a pulse width modulated signal which is used for driving a coupling circuit, according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a block diagram of a weighting of a pulse width modulated signal according to a third embodiment of the invention, wherein, in contrast to FIG.
  • Figure 4 is a block diagram of a weighting of a pulse width modulated signal according to a fourth embodiment of the invention, wherein in contrast to Figure 3 also distributions of the state of charge and the life state and a quality factor is taken into account.
  • FIG. 1 shows a battery system 10 according to a first embodiment of the invention, which comprises a battery string 13 with a series connection a plurality of battery cells 1 1 includes, which can be selectively switched on and bridged by a coupling circuit 12, respectively. It is the
  • the coupling circuit 12 has a semiconductor circuit with in half-bridge
  • Configuration 19 arranged semiconductor switches.
  • the semiconductor switches are, for example, MOSFETs which are operated by a driver circuit 20 belonging to the coupling circuit 12.
  • a driver circuit 20 belonging to the coupling circuit 12.
  • Battery cells 1 1 can be used to a desired
  • the driver circuit 20 for operating the half-bridge configuration 19 is used by the driver circuit 20 for operating the half-bridge configuration 19
  • Control means 15 with pulse width modulated signals
  • the drive means 15 implement a
  • Weighting function here essentially in the form of commands in the microcontroller 16, which is connected to the driver circuit 20, is present.
  • the microcontroller is connected via an isolator 17 to a signal transmission connection 18, which is embodied here as a communication bus.
  • Signal transmission connection 18 transmits a pulse-width-modulated signal 14 originating from a central control unit (not shown), which serves as a default and starting point for a weighting which is individually and situation-adapted to the individual battery cell 11.
  • the central control unit (not shown) generates the default for the pulse width modulated signal 14 based on a comparison of a battery voltage generated by the battery with a predetermined target voltage, whereby a first control loop is executed, one first for all
  • a weighting function W (x) is preferably implemented in the microcontroller 16 in the form of programming or firmware, for example.
  • the principle of the weighting function W (x) according to the invention will be explained with reference to FIGS. 2 to 4 on the basis of block diagrams.
  • FIG. 2 shows important elements of the monitoring function W (x) or of a microcontroller 16 shown in FIG.
  • Weighting function W (x) implementing program according to a particular embodiment of the invention shown.
  • the microcontroller 16 in addition to the pulse-width-modulated signal 14, the microcontroller 16 also receives measured variables and / or calculated quantities of current values
  • PWM 1 denotes the original, predetermined pulse-width-modulated signal 14 according to FIG. 1 or, as an alternative, information about a corresponding predetermined pulse-width-modulated signal
  • PWM 2 denotes a weighted pulse-width-modulated signal output by the microcontroller 16.
  • driver circuit 20 is enabled to provide the semiconductor switches in the half-bridge configuration 19 according to the weighted one
  • pulse width modulated signal PWM2 to switch. It is depending on
  • an improved voltage regulation of batteries with autonomous battery cells is made available, wherein the battery cells are clocked, for example, with integrated electronics with the aid of a regulation can be set to the desired battery voltage for the entire battery.
  • the battery cells are clocked, for example, with integrated electronics with the aid of a regulation can be set to the desired battery voltage for the entire battery.
  • Embodiment generally designated by the reference numerals 23, 24, with flow.
  • the operating parameters include, for example, a state of charge SOC or a state of health (SOH) of a battery cell.
  • SOC state of health
  • the state of charge SOC and the life state SOH of the respective battery cell 1 1 can in particular also be compared to the other battery cells 11 processed by the monitoring circuit 21.
  • autonomous extension or shortening of a duty ratio may be performed, for example, such that a battery cell 11 having a low state of charge SOC in the case of discharging the battery cell (current flow from the battery) reduces the value of the duty ratio and thus is less clocked.
  • the duty cycle would be extended.
  • the control would instead be replaced by a modified specification of the pulse width modulated signal PWM1 from the central point for compensation
  • Control unit done because all battery cells in the same way
  • FIG. 3 shows an expansion of the monitoring function W (x) according to a third embodiment of the invention, in which the mean state of charge SOC, that of the overall behavior and the total voltage of the battery is known, and / or the mean life state SOH each battery cell 1 1 is also communicated via the communication protocol.
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of the invention, in which also distributions o S oc, ÜSOH of the state of charge and of the life state are considered.
  • o S oc, ÜSOH distributions o S oc, ÜSOH of the state of charge and of the life state are considered.
  • Cell voltages for determining a scattering are evaluated centrally, but the distributions o S oc, ÜSOH can also be determined for example via the minimum and maximum state of charge SOC or life state SOH or, for example, a minimum and a maximum present voltage in the battery string 13.
  • Such quality factors can, for example, from the cell voltage, the
  • Battery cell the cell temperature, the internal cell pressure, the battery current or other physical quantities are determined.

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Abstract

Es wird eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (11) beschrieben, die dazu eingerichtet sind, durch Ansteuerung von Koppelschaltungen (12) einem Batteriestrang (13) zugeschaltet oder überbrückt zu werden. Ferner weist die Batterie Ansteuerungsmittel (15) zum Ansteuern der Koppelschaltungen (12) durch Ansteuerungssignale auf. Die Ansteuerungsmittel (15) sind dazu eingerichtet, eine Ansteuerung der Koppelschaltungen (12) mittels pulsweitenmodulierter Signale (14, PWM1, PWM2) vorzunehmen. Es wird eine Vorgabe für ein pulsweitenmoduliertes Signal (14, PWM1) zur Erzeugung von gewichteten pulsweitenmodulierten Signalen (PWM2) mittels den Batteriezellen (11) zugeordneten Wichtungsschaltungen (21) derart verarbeitet, dass eine mittlere Einschaltzeit einer jeweiligen Batteriezelle (11) durch das Tastverhältnis eines jeweiligen gewichteten pulsweitenmodulierten Signals (PWM2) bestimmt ist. Ferner wird ein zugehöriges Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung einer Batterie mit mehreren Batteriezellen (11) beschrieben.

Description

Beschreibung Titel
Batterie und Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung durch
pulsweitenmodulierte Signale
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl von
Batteriezellen, die dazu eingerichtet sind, durch Ansteuerung von
Koppelschaltungen einem Batteriestrang zugeschaltet oder überbrückt zu werden, wobei die Batterie Ansteuerungsmittel zum Ansteuern der
Koppelschaltungen durch Ansteuerungssignale aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung einer Batterie.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt
Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet, wodurch ein Batteriestrang gebildet wird, der eine
Batteriespannung bereitstellt. Zur Erzielung eines hohen Batteriestroms werden oft noch zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet.
In vorherigen Anmeldungen der Anmelderin wurden Batterien beschrieben, die einen Batteriestrang mit einer variablen oder einstellbaren Batteriespannung aufweisen. Dies wurde dadurch erreicht, indem eine bestimmte Anzahl von Batteriezellen oder Batteriemodulen aktiviert werden, so dass deren
Gesamtspannung einem gewünschten Sollwert für eine Batteriespannung entspricht, wobei die anderen, nicht benötigten Batteriezellen deaktiviert beziehungsweise überbrückt werden. Gemäß dem Stand der Technik wird dazu eine Ansteuerung von Koppelschaltungen der Batteriezellen durch Mikrocontroller vorgenommen, wobei die Mikrocontroller typischerweise über eine galvanische Trennung hinweg mit einem zentralen Steuergerät
kommunizieren. Die Koppelschaltungen können durch Halbleiterschalter, insbesondere MOSFET-Transistoren, und einem jeweils dazugehörigen
Treiberschaltkreis realisiert sein. Die Halbleiterschalter können in einer
Halbbrückenkonfiguration oder einer Vollbrückenkonfiguration angeordnet sein. Ferner kann jede von den Koppelschaltungen zum Schalten einer einzelnen Batteriezelle oder einem Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen vorgesehen sein. Dabei muss einer jeweiligen Koppelschaltung über eine Kommunikations- schnittsteile beziehungsweise über eine Signalübertragungsverbindung
(Kommunikationsbus) von einem zentralen Steuergerät mitgeteilt werden, ob die Batteriezelle beziehungsweise das Batteriemodul zugeschaltet oder überbrückt werden soll oder welcher Transistor eingeschaltet sein soll und welcher nicht. Nachteilig daran ist jedoch der erforderliche hohe Kommunikationsaufwand, was im besonders hohen Maße der eintritt, wenn die Zahl der jeweils durch eine Koppeleinheit geschalteten Batteriemodule oder Batteriezellen verringert wird, um eine feine Spannungsabstufung der Batteriespannung zu erreichen. Der hohe Kommunikationsaufwand liegt insbesondere in der Erfordernis begründet, dass um ein hinreichend robustes und effizientes Batteriesystem zu erhalten, die
Batteriezellen oder Batteriemodule im Allgemeinen in Echtzeit adressiert und geschaltet werden müssen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen zur Verfügung gestellt, wobei die Batteriezellen dazu eingerichtet sind, durch Ansteuerung von Koppelschaltungen selektiv einem Batteriestrang zugeschaltet oder überbrückt zu werden. Die Batterie weist Ansteuerungsmittel zum
Ansteuern der Koppelschaltungen durch Ansteuerungssignale auf, wobei die
Ansteuerungsmittel dazu eingerichtet sind, eine Ansteuerung der
Koppelschaltungen mittels pulsweitenmodulierter Signalen vorzunehmen. Dabei wird zur Erzeugung von gewichteten pulsweitenmodulierten Signalen eine Vorgabe eines pulsweitenmodulierten Signals mittels den Batteriezellen zugeordneter Wichtungsschaltungen derart verarbeitet, dass eine mittlere Einschaltzeit einer jeweiligen Batteriezelle durch das Tastverhältnis eines gewichteten pulsweitenmodulierten Signals bestimmt ist.
Ferner wird ein Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung einer Batterie mit mehreren Batteriezellen zur Verfügung gestellt, bei dem eine Ansteuerung von
Koppelschaltungen mittels pulsweitenmodulierter Signalen jeweils unter
Verwendung von individuell angepassten Wichtungen für das Tastverhältnis eines pulsweitenmodulierten Signals erfolgt. Dabei wird eine mittlere
Einschaltzeit einer jeden Batteriezelle durch das Tastverhältnis eines
gewichteten pulsweitenmodulierten Signals bestimmt, und die Batteriezellen werden im Mittel so zu dem Batteriestrang zugeschaltet, das die
Batteriespannung auf eine gewünschte Sollspannung eingestellt wird.
Als ein Vorteil der Erfindung kann eine drastische Reduzierung des
Kommunikationsaufwandes erreicht werden, da sämtliche Koppeleinheiten unter
Verwendung ein und derselben Vorgabe für ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert werden können. Gleichzeitig erlaubt die Erfindung eine hohe
Skalierbarkeit der Batterie, da durch die Wichtungsschaltungen für jede
Batteriezelle eine weitgehend autarke Regelungsfunktion implementiert werden kann. Indem die mittlere Einschaltzeit jeder Batteriezellen durch das
Tastverhältnis eines pulsweitenmodulierten Signals bestimmt ist, wird zunächst eine einfache, zentrale Regelung der Batteriespannung erlaubt. Ferner kann durch die erfindungsgemäße zweistufige Regelung, bei der zunächst zentral eine Vorgabe erfolgt und daraufhin lokal eine Wichtung durchgeführt wird,
beispielsweise auch eine Steuerung eines Balancing, je nach Anordnung der
Wichtungsschaltung, direkt bei oder auf den Batteriezelle durchgeführt werden, ohne das Balancing für jede Batteriezelle einzeln durch ein zentrales Steuergerät vorgeben oder steuern zu müssen. Es wird ermöglicht, dass eine Gesamtbatteriespannung eingestellt wird, ohne dass alle Zellspannungen an ein zentrales Steuergerät übertragen werden müssen und/oder dort hinsichtlich einer
Entscheidung darüber, welche Batteriezellen dem Batteriestrang zugeschaltet werden sollen und welche überbrückt werden sollen, ausgewertet werden müssen. Bevorzugt ist für jede Batteriezelle der Batterie eine Wichtungsschaltung vorhanden. Dadurch kann eine besonders hohe Skalierbarkeit der Batterie bei gleichzeitig einer besonders feinen Abstufung der einstellbaren Batteriespannung erreicht werden. Bei anderen Ausführungsformen ist die Wichtungsschaltung batteriemodulweise vorgesehen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die
Wichtungsschaltungen jeweils zum Anpassen der Vorgabe für ein
pulsweitenmoduliertes Signals anhand von Betriebsparametern der Batterie und/oder anhand von Betriebsparametern von einzelnen Batteriezellen eingerichtet.
Damit kann eine zuverlässige und auf eine Situation anpassbare Regelung einer Batteriespannung gewährleistet werden.
Ferner weist die Batterie bevorzugt eine zentrale Regeleinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die Vorgabe für das pulsweitenmodulierte Signal basierend auf einen Vergleich einer von der Batterie erzeugten Batteriespannung mit einer vorgegebenen Sollspannung zu erzeugen.
Dadurch wird eine unabhängig vom Ladungszustand der Batteriezellen funktionsfähige Regelung der Batteriespannung ermöglicht. Dies wird
insbesondere dadurch erreicht, dass beispielsweise im Falle eines höheren mittleren Ladezustands der Zellen über die zentrale Regeleinheit ein anderes pulsweitenmoduliertes Signal mit einem niedrigeren Tastverhältnis („Duty-Cycle") zum Zuschalten der Zellen generiert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Batterie eine
Signalübertragungsverbindung auf, die dazu eingerichtet ist, die erzeugte Vorgabe direkt als ein vorgegebenes pulsweitenmoduliertes Signal an die Wichtungsschaltungen zu übermitteln.
Alternativ ist es möglich, dass durch die Signalübertragungsverbindung eine analoge oder digitale Information über das vorgegebene pulsweitenmoduliertes Signal an die Wchtungsschaltungen übermittelt wird. So ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Signalübertragungsverbindung als ein
Kommunikationsbus zur Übertragung eines digitalen Signals ausgebildet. Ferner ist die Batterie bevorzugt mit einer Mess- und Auswerteelektronik zum Ermitteln von aktuellen Werten der Betriebsparameter, die zur Anpassung des pulsmodulierten Signals von den Wichtungsschaltungen verwendet werden, ausgestattet. Dabei kann die Wchtungsfunktion desto selektiver eingesetzt werden, je mehr Betriebsparameter aktuell ermittelt werden.
Ferner wird es bevorzugt, dass die ermittelten Werte von der Mess- und
Auswerteelektronik zur Verwertung an die Wichtungsschaltung übergeben werden. Durch diese direkte Art der Übermittlung von Messwerten wird weiterhin der Kommunikationsaufwand, beispielsweise der Kommunikationsaufwand zwischen den Batteriezellen oder Koppeleinheiten und einem zentralen
Steuergerät, verringert.
Bei einer anderen besonderen Ausführungsform sind zumindest Teile der Mess- und Auswertelektronik direkt bei oder auf den Batteriezellen angeordnet.
Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung weist die Mess- und Auswerteelektronik Mittel zum Bestimmen von Werten für einen
Ladezustand, einen Lebensdauerzustand, und/oder einen berechneten
Gütefaktor auf, die für einzelne Batteriezellen, als Mittelwert für alle
Batteriezellen, und/oder als Verteilung über alle Batteriezellen vorliegen können.
Ferner wird es bevorzugt, dass auch die momentane Stromrichtung eines Batteriestroms bestimmt wird und der Wchtungsschaltung gemeldet wird. Damit kann bei einer Berechnung der Wchtungsfunktion insbesondere eine Balancing-
Vorgabe in jedem Batteriezustand hinreichend berücksichtigt werden, ohne dass diese Vorgabe von einem zentralen Steuergerät mitgeteilt werden muss. Daher werden die Wchtungen insbesondere aus einer Wichtungsfunktion berechnet, in die ein Ladezustand, insbesondere ein Ladezustand einer jeweiligen zu schaltenden Batteriezelle, eine Stromrichtung eines Batteriestroms, und/oder andere Betriebsparameter der Batterie eingehen.
Nach einer besonders günstigen Vorgehensweise des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es hierbei vorgesehen sein, dass zunächst für jede Batteriezelle bestimmt wird, ob die Batteriezelle sich in einem niedrigen Ladezustand oder einem hohen Ladezustand befindet. Wenn die Batteriezelle sich in einem niedrigen Ladezustand befindet, wird im Falle eines Entladens der Batteriezelle ein vorgegebenes Tastverhältnis für das pulsweitenmodulierte Signal verringert. Dies geschieht bevorzugt so, dass sie Batteriezelle weniger stark getaktet wird. Dahingegen wird im Falle eines Ladens der Batteriezelle das Tastverhältnis entsprechend erhöht. Andererseits, wenn die Batteriezelle sich in einem hohen
Ladezustand befindet, wird im Falle eines Entladens der Batteriezelle das Tastverhältnis erhöht, so dass die Batteriezelle stärker getaktet wird. Umkehrt wird hier, falls ein hoher Ladezustand vorliegt, im Fall eines Ladens der Batteriezelle des Tastverhältnis verringert.
Die erfindungsgemäßen Koppelschaltungen sind bevorzugt durch eine
Anordnung aus Halbleiterschaltern verwirklicht. Bevorzugt wird eine
Halbbrücken-Konfiguration aus Haltleiterschaltern verwendet. Jedoch ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Art von Koppelschaltungen beschränkt. So kann eine Koppelschaltung auch als Vollbrücken-Konfiguration aus
Halbleiterschaltern ausgestaltet sein.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die Wichtungsschaltungen jeweils durch batteriezelleneigene, sowie mit der Mess- und Auswerteelektronik und der zentralen Regeleinheit verbundene Mikrocontroller ausgeführt. Durch die Kopplung der Mess- und Auswerteelektronik und der zentralen Regeleinheit mit einem Mikrocontroller kann die Batteriezelle auf besonders leistungsfähige und autarke Weise eine Verarbeitung der Vorgabe des pulsweitenmodulierten Signals durchführen, und es wird außerdem die Genauigkeit und Skalierbarkeit der Batterie weiterhin verbessert. So kann eine
Berücksichtigung der Änderung der Randbedingungen für eine Batterie beziehungsweise ein Batteriesystem mit einer entsprechend anderen
Programmierung des Mikrocontrollers erreicht werden. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Mikrocontroller bevorzugt auch einen Speicher mit Befehlen zur Implementierung der Wichtungsfunktion umfassen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor zur Verfügung gestellt, dass die erfindungsgemäße Batterie aufweist, wobei die die Batterie mit einem Antriebsstrang des Elektromotors verbunden ist. Die erfindungsgemäße Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Batteriesystem mit einem Batteriestrang aus zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriezellen, die mit jeweils einer ansteuerbaren Koppelschaltung ausgestattet sind und durch ein pulsweitenmoduliertes angesteuert werden können, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 ein Blockdiagramm über das Prinzip der erfindungsgemäßen Wichtung eines pulsweitenmodulieren Signals, das für eine Ansteuerung einer Koppelschaltung eingesetzt wird, nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 3 ein Blockdiagramm über eine Wichtung eines pulsweitenmodulierten Signals nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, wobei im Unterschied zu Figur 2 zusätzlich Werte eines mittleren
Lebensdauerzustands und eines mittleren Ladezustands mit einbezogen werden, und
Figur 4 ein Blockdiagramm über eine Wichtung eines pulsweitenmodulierten Signals nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung, wobei im Unterschied zu Figur 3 ferner auch Verteilungen des Ladezustands und des Lebensdauerzustands sowie ein Gütefaktor berücksichtigt wird.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist ein Batteriesystem 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, das einen Batteriestrang 13 mit einer Reihenschaltung aus mehreren Batteriezellen 1 1 umfasst, die jeweils durch eine Koppelschaltung 12 selektiv zugeschaltet und überbrückt werden können. Dabei ist der
übersichtlichen Darstellung halber in der Zeichnung lediglich eine von den Batteriezellen 1 1 mit der zugehörigen Koppelschaltung 12 explizit dargestellt. Die Koppelschaltung 12 weist eine Halbleiterschaltung mit in Halbbrücken-
Konfiguration 19 angeordneten Halbleiterschaltern auf. Die Halbleiterschalter sind beispielsweise MOSFETs, die durch einen zu der Koppelschaltung 12 zugehörigen Treiberschaltkreis 20 betrieben werden. Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, kann sich die Batteriezelle 1 1 je nach
Schaltstellung der Halbbrücken-Konfiguration entweder in einem
eingeschalteten, das heißt zugeschalteten Zustand, in dem die Batteriezelle 1 1 zu einer Batteriespannung des Batteriestrangs 13 beiträgt, oder in einem überbrückten Zustand befinden, in dem zumindest eine Seite der Batteriezelle 1 1 von dem Batteriestrang 13 entkoppelt ist. Die Koppelschaltungen 12 der
Batteriezellen 1 1 können dazu genutzt werden, eine gewünschte
Batteriespannung einzustellen, je nachdem, wie viele Batteriezellen 1 1 gleichzeitig dem Batteriestrang zugeschaltet werden. Der Treiberschaltkreis 20 zum Betreiben der Halbbrücken-Konfiguration 19 wird von den
erfindungsgemäßen Ansteuerungsmitteln 15 mit pulsweitenmodulierten Signalen
14 angesteuert. Die Ansteuerungsmittel 15 implementieren eine
Wichtungsfunktion, die hier im Wesentlichen in Form von Befehlen in dem Mikrocontroller 16, der mit dem Treiberschaltkreis 20 verbunden ist, vorliegt. Der Mikrocontroller ist über einen Isolator 17 mit einer Signalübertragungsverbindung 18, die hier als Kommunikationsbus ausgeführt ist, verbunden. Die
Signalübertragungsverbindung 18 überträgt ein aus einer zentralen Regeleinheit (nicht dargestellt) stammendes pulsweitenmoduliertes Signal 14, das als Vorgabe und Ausgangspunkt für eine individuell und situationsbedingt auf die einzelne Batteriezelle 1 1 abgestimmte Wichtung dient.
Die (nicht dargestellte) zentrale Regeleinheit erzeugt die Vorgabe für das pulsweitenmodulierte Signal 14 basierend auf einen Vergleich einer von der Batterie erzeugten Batteriespannung mit einer vorgegebenen Sollspannung, wodurch ein erster Regelkreis ausgeführt wird, der ein zunächst für alle
Batteriezellen 1 1 gültiges, jedoch noch zu wichtendes pulsweitenmoduliertes
Signal 14 ausgibt. Ferner wird durch die Kopplung des Mikrocontrollers 16 mit einer
entsprechenden Mess- und Auswerteeinheit der Batterie und mit der zentralen Regeleinheit eine Wichtungsschaltung 21 gebildet. Eine Wichtungsfunktion W(x) ist dabei vorzugsweise in dem Mikrocontroller 16 in Form beispielsweise einer Programmierung oder einer Firmware implementiert. Im Folgenden wird anhand der Figuren 2 bis 4 das Prinzip der erfindungsgemäßen Wichtungsfunktion W(x) anhand von Blockdiagrammen erläutert.
In Figur 2 werden wichtige Elemente der Wchtungsfunktion W(x) oder eines in dem in Figur 1 gezeigten Mikrocontroller 16 gespeicherten, die
Wichtungsfunktion W(x) implementierenden Programms nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform empfängt der Mikrocontroller 16 zusätzlich zu dem pulsweitenmodulierten Signal 14 auch Messgrößen und/oder berechnete Größen von aktuellen
Betriebsparametern 23, 24 der Batterie oder von Batteriezellen sowie eine Information über die Stromrichtung 22 des momentanen Batteriestroms. Der Einfachheit halber wird in Figur 2 lediglich der entsprechende Programmablauf angedeutet, wobei von der Darstellung einer beispielhaften zugehörigen, hardwaremäßigen Verschaltung, beispielsweise des Mikrocontrollers 16 mit der Treiberschaltung 20, oder der Treiberschaltung 20 mit der
Halbbrückenkonfiguration 19, in Figur 2 abgesehen wird, da dies bereits in Figur 1 angegeben wurde. In Figur 2 wird mit PWM 1 das ursprüngliche, vorgegebene pulsweitenmodulierte Signal 14 gemäß Figur 1 oder, als eine Alternative, eine Information über ein entsprechendes vorgegebenes pulsweitenmoduliertes Signal bezeichnet, und mit PWM2 wird ein von dem Mikrocontroller 16 ausgegebenes gewichtetes pulsweitenmoduliertes Signal bezeichnet.
Somit wird die Treiberschaltung 20 in die Lage versetzt, die Halbleiterschalter in der Halbbrücken-Konfiguration 19 gemäß dem gewichteten
pulsweitenmodulierten Signal PWM2 zu schalten. Dabei wird je nach
Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals PWM2 die betreffende Batteriezelle 1 1 stärker oder geringer getaktet.
Erfindungsgemäß wird somit eine verbesserte Spannungsregelung von Batterien mit autonomen Batteriezellen zur Verfügung gestellt, wobei die Batteriezellen beispielsweise mit integrierter Elektronik mit Hilfe einer Regelung so getaktet werden können, dass für die Gesamt-Batterie die gewünschte Batteriespannung eingestellt wird. Dabei wird erfindungsgemäß insbesondere erreicht, dass nicht alle Batteriezellen 11 mit identischem Tastverhältnis („Duty Cycle") getaktet werden. Vielmehr findet jeweils eine Anpassung, das heißt eine Wichtung statt, in der relevante Betriebsparameter, die gemäß der in Figur 2 gezeigten zweiten
Ausführungsform allgemein mit den Bezugszeichen 23, 24 bezeichnet werden, mit einfließen.
Die Betriebsparameter umfassen beispielsweise einen Ladezustand SOC („State of Charge") oder einen Lebensdauerzustand (Alterungszustand) SOH („State of Health") einer Batteriezelle. Somit können der Ladezustand SOC und der Lebensdauerzustand SOH der jeweiligen Batteriezelle 1 1 insbesondere auch vergleichend zu den anderen Batteriezellen 11 durch die Wchtungsschaltung 21 verarbeitet werden.
Gemäß der zweiten Ausführungsform kann eine autarke Verlängerung oder Verkürzung eines Tastverhältnisses beispielsweise dahingehend vorgenommen werden, dass eine Batteriezelle 11 mit einem niedrigen Ladezustand SOC im Falle eines Entladens der Batteriezelle (Stromfluss aus der Batterie) den Wert des Tastverhältnisses verringert und somit weniger stark getaktet wird. Bei einer Batteriezelle 11 mit einem hohen SOC würde das Tastverhältnis verlängert werden. Ferner, in einem Fall eines gleichen Ladezustands aller Batteriezellen würde zur Kompensation die Steuerung stattdessen durch eine geänderte Vorgabe des pulsweitenmodulierten Signals PWM1 von der zentralen
Regeleinheit erfolgen, da alle Batteriezellen in identischer Weise das
Tastverhältnis verändern. Da Batteriezellen mit einem niedrigen Ladezustand SOC beim Entladen der Batterie lediglich kürzer zugeschaltet werden sollen, beim Laden der Batterie aber entsprechend länger, wird die Stromrichtung 22 entweder durch die Zellelektronik selbst bestimmt oder beispielsweise durch ein Protokoll mitgeteilt, welches auch die Vorgabe für das pulsweitenmodulierte Signal PWM1 übermittelt.
In der Figur 3 wird eine Erweiterung der Wchtungsfunktion W(x) nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der der mittlere Ladezustand SOC , der aus dem Gesamtverhalten und der Gesamtspannung der Batterie bekannt ist, und/oder der mittlere Lebensdauerzustand SOH jeder einzelnen Batteriezelle 1 1 wird ebenfalls über das Kommunikationsprotokoll mitgeteilt.
In der Figur 4 wird eine vierte beispielhafte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der auch Verteilungen oSoc, ÜSOH des Ladezustandes und des Lebensdauerzustandes Berücksichtigung finden. Hierbei können alle
Zellspannungen zur Bestimmung einer Streuung zentral ausgewertet werden, die Verteilungen oSoc, ÜSOH können aber beispielsweise auch über den minimalen und den maximalen Ladezustand SOC oder Lebensdauerzustand SOH oder beispielsweise über eine minimale und eine maximale vorliegende Spannung in dem Batteriestrang 13 bestimmt werden.
Ferner werden gemäß der vierten Ausführungsform auch weitere Gütefaktoren GF verwertet, die in die Wichtungsfunktion W(x) einfließen und deren Mittelwert GF und deren Verteilung OGF über die einzelnen Zellen herangezogen werden.
Solche Gütefaktoren können beispielsweise aus der Zellspannung, dem
Ladezustand SOC, dem Ladezustand SOC, dem Innenwiderstand der
Batteriezelle, der Zelltemperatur, dem Zellinnendruck, dem Batteriestrom oder anderen physikalischen Messgrößen ermittelt werden.
Neben der vorstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit zur Ergänzung der Offenbarung auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den Figuren Bezug genommen.

Claims
Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (1 1), die dazu eingerichtet sind, durch Ansteuerung von Koppelschaltungen (12) einem Batteriestrang (13) zugeschaltet oder überbrückt zu werden, wobei die Batterie
Ansteuerungsmittel (15) zum Ansteuern der Koppelschaltungen (12) durch Ansteuerungssignale aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ansteuerungsmittel (15) eingerichtet sind, eine Ansteuerung der Koppelschaltungen (12) mittels pulsweitenmodulierter Signale (14, PWM1 , PWM2) vorzunehmen und zur Erzeugung von gewichteten pulsweitenmodulierten Signalen (PWM2) eine Vorgabe eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM1) mittels den Batteriezellen (1 1) zugeordneter Wichtungsschaltungen (21) zu verarbeiten, so dass eine mittlere Einschaltzeit einer jeweiligen Batteriezelle (11) durch das Tastverhältnis eines jeweiligen gewichteten pulsweitenmodulierten Signals (PWM2) bestimmt ist.
Batterie nach Anspruch 1 , wobei die Batterie für jede Batteriezelle (11) oder jedes Batteriemodul der Batterie eine Wichtungsschaltung (21) umfasst und die Wchtungsschaltungen (21) jeweils zum Anpassen der Vorgabe für ein pulsweitenmoduliertes Signals (14, PWM1 ) anhand von Betriebsparametern (23, 24) der Batterie und/oder einzelnen Batteriezellen eingerichtet sind.
Batterie nach Anspruch 2, wobei die Batterie ferner eine zentrale
Regeleinheit, die dazu eingerichtet ist, die Vorgabe für das pulsweiten- modulierte Signal (14, PWM1) basierend auf einem Vergleich einer von der Batterie erzeugten Batteriespannung mit einer vorgegebenen Sollspannung zu erzeugen, und eine Signalübertragungsverbindung (18), die dazu eingerichtet ist, die erzeugte Vorgabe direkt als ein vorgegebenes pulsweitenmoduliertes Signal (14) oder als analoge oder digitale Information über das vorgegebene pulsweitenmoduliertes Signal (14, PWM1) an die Batteriezellen (1 1) zu übermitteln, umfasst. Batterie nach Anspruch 3, wobei die Batterie mit einer Mess- und
Auswerteelektronik ausgestattet ist, die dazu eingerichtet ist, aktuelle Werte für die zur Anpassung des pulsmodulierten Signals (14, PWM1) von den Wichtungsschaltungen (21) zu verwendenden Betriebsparameter (23, 24) zu ermitteln und an die Wichtungsschaltungen (21) zu übergeben.
Batterie nach Anspruch 4, wobei die Mess- und Auswerteelektronik Mittel zum Bestimmen der Stromrichtung (22) eines Batteriestroms sowie Mittel zum Bestimmen von Werten für einen Ladezustand (SOC, SOC , oSoc), einen Lebensdauerzustand (SOH, SOH , OSOH), und/oder einen
berechneten Gütefaktor ( GF ,OGF) umfasst, die für einzelne Batteriezellen
(11), als Mittelwerte für alle Batteriezellen (11), oder als Verteilung über die Batteriezellen (1 1) vorliegen.
Batterie nach Anspruch 5, wobei die Koppelschaltungen jeweils
Haltleiterschalter, insbesondere in Halbbrücken-Konfiguration (19) oder Vollbrücken-Konfiguration angeordnete Halbleiterschalter, sowie einen Treiberschaltkreis (20) umfassen und die Wchtungsschaltungen (21) jeweils durch batteriezelleneigene und mit der Mess- und Auswerteelektronik und der zentralen Regeleinheit insbesondere über einen Kommunikationsbus verbundene Mikrocontroller (16), die jeweils einen Speicher mit Befehlen zur Implementierung einer Wchtungsfunktion (W(x)) umfassen, ausgeführt sind.
Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung einer Batterie mit mehreren Batteriezellen (1 1), wobei die Batteriezellen (11) dazu eingerichtet sind, durch Ansteuerung von Koppelschaltungen (12) selektiv einem
Batteriestrang (13) zugeschaltet oder überbrückt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Koppelschaltungen (12) mittels pulsweitenmodulierter Signale (PWM1 , PWM2) jeweils unter Verwendung individuell angepasster Wchtungen für das Tastverhältnis eines
pulsweitenmodulierten Signals (PWM1 , PWM2) erfolgt, so dass eine mittlere Einschaltzeit einer jeden Batteriezelle (1 1) durch das Tastverhältnis eines gewichteten pulsweitenmodulierten Signals (PWM2) bestimmt ist und die Batteriezellen (1 1) im Mittel so zu dem Batteriestrang (13) zugeschaltet werden, das die Batteriespannung auf eine gewünschte Sollspannung eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Wichtungen aus einer
Wichtungsfunktion (W(x)) berechnet werden, in die ein Ladezustand (SOC), insbesondere ein Ladezustand (SOC) einer jeweiligen zu schaltenden Batteriezelle (1 1), und eine Stromrichtung (22) eines Batteriestroms und/oder andere Betriebsparameter (23, 24) der Batterie eingehen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei für jede Batteriezelle (1 1) bestimmt wird, ob die Batteriezelle (11) sich in einem niedrigen Ladezustand (SOC) oder einem hohen Ladezustand (SOC) befindet, wobei, wenn die Batteriezelle (1 1) sich in einem niedrigen Ladezustand (SOC) befindet, im Falle eines Entladens der Batteriezelle (1 1) ein vorgegebenes Tastverhältnis für das pulsweitenmodulierte Signal (PWM2) verringert wird, so dass die
Batteriezelle (11) weniger stark getaktet wird, wohingegen im Falle eines Ladens der Batteriezelle (11) das Tastverhältnis erhöht wird, und wobei, wenn die Batteriezelle (11) sich in einem hohen Ladezustand (SOC) befindet, im Falle eines Entladens der Batteriezelle (11) das Tastverhältnis erhöht wird, und im Falle eines Ladens der Batteriezelle (1 1) des
Tastverhältnis verringert wird.
10. Kraftfahrzeug, das einen Elektromotor und eine Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie umfasst.
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