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DE102009000055A1 - Battery cell balancing - Google Patents

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DE102009000055A1
DE102009000055A1 DE102009000055A DE102009000055A DE102009000055A1 DE 102009000055 A1 DE102009000055 A1 DE 102009000055A1 DE 102009000055 A DE102009000055 A DE 102009000055A DE 102009000055 A DE102009000055 A DE 102009000055A DE 102009000055 A1 DE102009000055 A1 DE 102009000055A1
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DE
Germany
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battery cell
charge
battery
state
energy
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DE102009000055A
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German (de)
Inventor
Dirk Hasenkopf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Priority to EP09768107A priority patent/EP2386130A1/en
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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen, mit dem Schritt: Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle mit einem hohen Ladezustand in wenigstens eine zweite Batteriezelle mit einem niedrigen Ladezustand, wobei das Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle ein Entladen von Energie aus einer der wenigstens einen ersten Batteriezelle in eine Energiespeicherschaltung, vorzugsweise einen Resonanzkreis, und ein Entladen von Energie aus der Energiespeicherschaltung in eine der wenigstens einen zweiten Batteriezelle umfasst.The present invention relates to a method for balancing the state of charge of battery cells, comprising the step of: transferring energy from at least one first battery cell having a high state of charge into at least one second state of charge having a low state of charge, wherein the transhipment of energy from at least a first state Battery cell in at least one second battery cell, a discharge of energy from one of the at least one first battery cell in an energy storage circuit, preferably a resonant circuit, and discharging energy from the energy storage circuit in one of the at least one second battery cell.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen eines Batteriesystems gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 8.The The present invention relates to a method and an apparatus to compensate for the state of charge of battery cells of a battery system according to the preambles of the claims 1 and 8.

Die technische und wirtschaftliche Bedeutung wiederaufladbarer elektrischer Batterien wird in Zukunft stark zunehmen. Dies gilt in besonderem Maße für die Fahrzeugindustrie, aber auch für andere Industriezweige, wie die Energietechnik, hier insbesondere die Nutzung regenerativer Energien.The technical and economic significance of rechargeable electrical Batteries will increase rapidly in the future. This applies in particular Dimensions for the vehicle industry, but also for other industries, such as power engineering, here in particular the use of renewable energies.

Ausgelöst durch steigende Primärenergiekosten, strengere Abgasnormen und einer durch die Klimadebatte zunehmend kritisch eingestellten Öffentlichkeit werden in der Fahrzeugindustrie bereits seit einiger Zeit Konzepte erarbeitet, um den Energieverbrauch und den Schadstoffausstoß von Fahrzeugen zu verringern. Ein wichtiges Konzept dabei ist der Hybridantrieb, angefangen von Mikro-Hybrid, über den Mild-Hybrid zum Voll-Hybrid. In letzter Zeit rückt sogar das reine Elektrofahrzeug wieder zunehmend in den Fokus der Automobilhersteller.Triggered by rising primary energy costs, stricter emissions standards and one by the climate debate increasingly critically minded public have been in the automotive industry for some time concepts developed to reduce energy consumption and pollutant emissions from vehicles to reduce. An important concept here is the hybrid drive, ranging from micro-hybrid, over the mild hybrid to the full hybrid. Lately it's even moving the pure electric vehicle is increasingly becoming the focus of automobile manufacturers.

All diese teil- und vollelektrifizierten Antriebsstränge benötigen aufladbare Batterien zur Speicherung elektrischer Energie.Alles These partially and fully electrified drive trains require rechargeable batteries for storing electrical energy.

Auch bei der Nutzung regenerativer Energien zur Stromerzeugung, wie beispielsweise der Photovoltaik- oder der Windenergien, sind leistungsfähige Batterien von großem Nutzen, da die zeitlich nicht beeinflussbare Darbietung dieser Energieformen häufig nicht mit dem Bedarf an elektrischem Strom zusammenfällt. Hier können Speicher in Form von Batterien einen Ausgleich schaffen und den Nutzwert solcher Anlagen deutlich erhöhen.Also in the use of renewable energies for power generation, such as photovoltaic or wind energy, are powerful batteries of great Benefit, since the temporal uncontrollable presentation of these forms of energy often does not coincide with the need for electrical power. Here can memory in the form of batteries create a balance and utility value significantly increase such investments.

Um auf die im Betrieb geforderten Spannungen zu gelangen, bestehen Batterieanlagen nach heutigem Stand der Technik aus vielen in Reihe zu einem Strang geschalteten Einzelzellen, wobei teilweise mehrere dieser Strenge wiederum parallel geschaltet werden, um die Stromtragfähigkeit zu erhöhen. Ein solches System ist beispielhaft in 6 dargestellt.In order to arrive at the voltages required during operation, battery systems according to the current state of the art consist of many individual cells connected in series to form a string, whereby in some cases several of these severities are in turn connected in parallel in order to increase the current carrying capacity. Such a system is exemplary in 6 shown.

Problematisch an solchen Anordnungen vieler in Reihe geschalteter Einzelzellen sind die in der Praxis unvermeidlichen Unterschiede zwischen den Einzelzellen. Vorhandene Parameterunterschiede zwischen einzelnen Zellen führen auch bei gleicher Strombelastung zu unterschiedlichen Ladezuständen der Zellen. Da manche Zellparameter vom Ladezustand selbst abhängig sind, können die ursprünglich vorhandenen Unterschiede dadurch sogar noch verstärkt werden.Problematic on such arrangements of many series-connected single cells are the inevitable differences in practice between the Single cells. Existing parameter differences between individual Lead cells even with the same current load at different states of charge Cells. Since some cell parameters depend on the state of charge itself, can the original This will even increase existing differences.

Unterschiedliche Ladezustände der Einzelzellen führen aber dazu, dass die nutzbare Speicher- bzw. Entnahmekapazität des Gesamtbatteriesystems kleiner wird, als die gesamte installierte Nenn-Kapazität aus der Summe aller Einzelzellen. Dadurch wird der Betriebsbereich des versorgten Systems, z. B. eines Fahrzeugs oder einer Energieanlage, in unerwünschter Weise eingeschränkt.different Power Levels lead the individual cells but to the fact that the usable storage or removal capacity of the overall battery system smaller than the total nominal capacity installed Sum of all single cells. This will provide the operating area of the supplied Systems, z. As a vehicle or an energy system, in undesirable Way limited.

Werden die unterschiedlichen Ladezustände nicht rechtzeitig erkannt, so können einzelne Zellen irreversibel geschädigt werden.Become the different states of charge not recognized in time, so can individual cells are irreversibly damaged.

Aus den genannten Gründen sollte beim Betrieb einer Batterie darauf geachtet werden, unterschiedliche Ladezustände einzelner Zellen zu erkennen und auszugleichen. Der Stand der Technik ist hierbei das sogenannte ”Resistive-Balancing” oder auch ”Widerstands-Balancing”, welches zum Teil bereits in Form integrierter Schaltungen realisiert ist. Dabei können den einzelnen Zellen Widerstände parallel geschaltet werden, um sie so gezielt zu entladen bzw. einen Teil des Ladestroms um sie herumzuführen. Dies ist beispielhaft in 7 dargestellt.For the reasons mentioned, care should be taken when operating a battery to detect and balance different states of charge of individual cells. The state of the art here is the so-called "resistive-balancing" or "resistance-balancing", which is partly realized already in the form of integrated circuits. In this case, the individual cells can be connected in parallel resistors in order to discharge them specifically or to lead around a part of the charging current around them. This is exemplary in 7 shown.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 weisen demgegenüber den Vorteil auf, dass die den Einzelzellen beim Entladen entnommene Energie nicht lediglich in den Widerständen nutzlos in Wärme umgewandelt wird, dass nicht nur Zellen entladen werden, die einen unerwünscht hohen Ladezustand besitzen, sondern dass Zellen mit einem unerwünscht niedrigen Ladezustand auch geladen werden, und dass deshalb die nutzbare untere Ladezustandsgrenze der gesamten Batterie nicht allein von der schwächsten Zelle bestimmt wird.The method according to the invention with the features of claim 1 and the device according to the invention with the features of claim 8 have the advantage that the energy taken from the individual cells during discharge is not only uselessly converted into heat in the resistors, that not only cells are discharged , which have an undesirably high state of charge, but that cells with an undesirably low state of charge are also charged, and that of half the usable lower state of charge limit of the entire battery is not determined solely by the weakest cell.

Demzufolge umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen eines Batteriesystems den Schritt des Umladens von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle mit einem hohen Ladezustand in wenigstens eine zweite Batteriezelle mit einem niedrigen Ladezustand, wobei das Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle ein Entladen von Energie aus einer der wenigstens einen ersten Batteriezelle in eine Energiespeicherschaltung, vorzugsweise einen Resonanzkreis, und ein Entladen von Energie aus der Energiespeicherschaltung in eine der wenigstens einen zweiten Batteriezelle umfasst. Korrespondierend umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen eines Batteriesystems eine Umladevorrichtung zum Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle mit einem hohen Ladezustand in wenigstens eine zweite Batteriezelle mit einem niedrigen Ladezustand, wobei die Umladevorrichtung wenigstens eine Energiespeicherschaltung, vorzugsweise einen Resonanzkreis, zum Entladen von Energie aus einer der wenigstens einen ersten Batteriezelle in die wenigstens eine Energiespeicherschaltung und zum Entladen von Energie aus der wenigstens einen Energiespeicherschaltung in eine der wenigstens einen zweiten Batteriezelle umfasst.As a result, includes the method according to the invention to compensate for the state of charge of battery cells of a battery system the step of recharging energy from at least a first one Battery cell with a high state of charge in at least a second Battery cell with a low state of charge, with the reloading of energy from at least one first battery cell in at least a second battery cell discharges energy from one of the at least a first battery cell in an energy storage circuit, preferably a resonant circuit, and discharging energy the energy storage circuit in one of the at least one second Battery cell includes. Correspondingly, the device according to the invention comprises to compensate for the state of charge of battery cells of a battery system a transfer device for transferring energy from at least one first battery cell with a high state of charge in at least one second battery cell with a low state of charge, wherein the Transfer device at least one energy storage circuit, preferably a resonant circuit for discharging energy from one of the at least a first battery cell in the at least one energy storage circuit and for discharging energy from the at least one energy storage circuit in one of the at least one second battery cell.

Erfindungsgemäß werden also die Nachteile des ”Widerstands-Balancing” vermieden und ein Batteriezellen-Balancing erreicht, das ohne prinzipbedingte Verluste arbeitet, so dass, abgesehen von unvermeidlichen kleineren Verlusten, die durch nicht-ideale Bauelemente hervorgerufen werden, wie z. B. nicht verschwindende ohmsche Schalterwiderstände, keine gespeicherte Energie verloren geht, bei dem beliebige Zellen geladen wie auch entladen werden können, und bei dem die Zellen, welche geladen und welche entladen werden sollen, gezielt ausgewählt werden können, wodurch ein bidirektionaler Austausch von Energie zwischen Zellen hergestellt wird.According to the invention So the disadvantages of "resistance balancing" avoided and achieved a battery cell balancing that without principle Losses work, so that, apart from inevitable smaller ones Losses caused by non-ideal components, such as B. non-vanishing ohmic switch resistors, none stored energy is lost at which any cells loaded as well as can be discharged and in which the cells to be charged and which are to be discharged, specifically selected can be thereby producing a bidirectional exchange of energy between cells becomes.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The under claims show preferred developments of the invention.

Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte: Bestimmen wenigstens einer ersten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen hohen Ladezustand aufweist, und Bestimmen wenigstens einer zweiten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen niedrigen Ladezustand aufweist. Korrespondierend umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders bevorzugt eine erste Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen wenigstens einer ersten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen hohen Ladezustand aufweist, und eine zweite Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen wenigstens einer zweiten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen niedrigen Ladezustand aufweist.Especially The method according to the invention preferably comprises the steps: Determining at least one first battery cell of the battery system, which has a high state of charge, and determining at least one second battery cell of the battery system, which is a low state of charge having. Correspondingly, the device according to the invention comprises particularly preferably a first determination device for determining at least a first battery cell of the battery system, the one has a high state of charge, and a second determining means for determining at least one second battery cell of the battery system, which has a low charge state.

Erfindungsgemäß erfolgt das Entladen von Energie in und/oder aus der Energiespeicherschaltung alternativ oder zusätzlich bevorzugt in Resonanz mit einer Resonanzfrequenz der Energiespeicherschaltung.According to the invention the discharge of energy into and / or out of the energy storage circuit alternatively or additionally preferably in resonance with a resonant frequency of the energy storage circuit.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiter zusätzlich oder alternativ bevorzugt, dass das Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle über bidirektionale Schalter erfolgt. Korrespondierend weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter zusätzlich oder alternativ bevorzugt bidirektionale Schalter zum Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle auf. Durch die Verwendung von solchen bidirektionalen Schaltern kann in besonders einfacher Weise ein erfindungsgemäßes Entlade-Lade-Netzwerk aufgebaut werden.The inventive method includes further in addition or alternatively preferred that the transhipment of energy from at least a first battery cell in at least one second battery cell via bidirectional Switch takes place. Corresponding, the inventive device further in addition or alternatively preferably bidirectional switches for reloading Energy from at least one first battery cell in at least a second battery cell. By the use of such bidirectional switches can in a particularly simple way built according to the invention discharge-charging network become.

Erfindungsgemäß ist ein hoher Ladezustand bevorzugt ein Ladezustand über einem durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems und ein niedriger Ladezustand ein Ladezustand unter einem durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems. In diesem Fall wird durch das erfindungsgemäße Verfahren für jede einzelne Zelle des Batteriesystems in Folge ein durchschnittlicher Ladezustand des Batteriesystems eingestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch in anderer Weise ausgestaltet werden, z. B. dass ein hoher Ladezustand dem Ladezustand entspricht, der in der Zelle mit dem höchsten Ladezustand besteht und dass ein niedriger Ladezustand dem Ladezustand entspricht, der Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand entspricht. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass zunächst die unter den Einzelzellen bestehenden Extreme beseitigt werden und somit eine möglichst schnelle Annäherung aller einzelnen Batteriezellen an den durchschnittlichen Ladezustand erfolgt.According to the invention is a high state of charge prefers a state of charge above an average State of charge of all battery cells of the battery system and a lower one Charge state a charge state under an average state of charge all battery cells of the battery system. In this case, by the inventive method for every single cell of the battery system in a row an average state of charge of the battery system. The inventive method However, it can also be configured in other ways, eg. For example a high state of charge corresponds to the state of charge in the cell with the highest Charging state exists and that a low state of charge the state of charge corresponds to the cell with the lowest charge state. This ensures that that first the extremes existing under the single cells are eliminated and thus one possible fast approach of all individual battery cells to the average state of charge he follows.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist alternativ oder zusätzlich derart ausgestaltet, dass ein Entladen einer ersten Batteriezelle solange durchgeführt wird, bis diese erste Batteriezelle einen durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist und ein Laden einer zweiten Batteriezelle solange durchgeführt wird, bis diese zweite Batteriezelle einen durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist und/oder ein Entladen immer derjenigen ersten Batteriezelle durchgeführt wird, die einen höchsten Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist und ein Laden immer derjenigen zweiten Batteriezelle durchgeführt wird, die einen niedrigsten Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist.The inventive method is alternatively or additionally configured such that a discharge of a first battery cell is carried out until this first battery cell has an average state of charge of all battery cells of the battery system and charging a second battery cell as long is performed until this second battery cell has an average state of charge of all battery cells of the battery system and / or discharging is always performed that first battery cell having a highest state of charge of all battery cells of the battery system and charging is always carried out that second battery cell, the lowest state of charge has all the battery cells of the battery system.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der bidirektionale Schalter vorzugsweise wenigstens ein Halbleiter-Bauelement, wie einen Thyristor oder einen Transistor vom MOSFET-, Bipolar- oder IGBT-Typ.In the device according to the invention The bidirectional switch preferably comprises at least one Semiconductor device, such as a thyristor or a transistor of the MOSFET, bipolar or IGBT type.

Weiter alternativ oder zusätzlich wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein bidirektionaler Schalter jeweils so angesteuert, dass durch ihn immer nur die Stromrichtung freigegeben wird, die zum folgenden Entladen von Energie in und/oder aus der Energiespeicherschaltung gerade benötigt wird, und/oder ein bidirektionaler Schalter bei sich ändernder Stromrichtung selbstständig ausschaltet und ein Ansteuersignal an den bidirektionalen Schalter rückgesetzt wird, wenn der bidirektionale Schalter keinen Strom leitet.Further alternatively or additionally is in the device according to the invention a bidirectional switch in each case driven so that by it is only ever released the current direction, the next discharge of energy in and / or out of the energy storage circuit needed is, and / or a bidirectional switch with changing Current direction independently turns off and a drive signal to the bidirectional switch reset when the bidirectional switch is not conducting power.

Erfindungsgemäß ist die Batteriezelle vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle und das Batteriesystem ein Lithium-Ionen-Batteriesystem.According to the invention Battery cell preferably a lithium-ion battery cell and the battery system a lithium-ion battery system.

Zeichnungdrawing

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:following becomes an embodiment the invention with reference to the accompanying drawings in Detail described. In the drawing show:

1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Resonanzkreises, der über bidirektionale Schalter an Batteriezellen eines Batteriesystems angeschlossen ist, 1 a preferred embodiment of a resonant circuit according to the invention, which is connected via bi-directional switch to battery cells of a battery system,

2 die Verläufe der Kondensatorspannung und des Spulenstroms des in 1 gezeigten Resonanzkreises im Intervall der Ladung des Resonanzkreises, 2 the curves of the capacitor voltage and the coil current of in 1 shown resonant circuit in the interval of the charge of the resonant circuit,

3 die Verläufe der Kondensatorspannung und des Spulenstroms des in 1 gezeigten Resonanzkreises im Intervall der Entladung des Resonanzkreises, 3 the curves of the capacitor voltage and the coil current of in 1 shown resonant circuit in the interval of the discharge of the resonant circuit,

4 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß bidirektionalen Schalters in Thyristortechnik, 4 a first preferred embodiment of a bidirectional switch according to the invention in thyristor technology,

5 drei weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen von bidirektionalen Schaltern mit MOSFET-, IGBT- oder Bipolar-Transistoren, 5 three further embodiments of bidirectional switches according to the invention with MOSFET, IGBT or bipolar transistors,

6 ein Batteriesystem nach dem Stand der Technik mit in Serie geschalteten Einzelzellen und parallel geschalteten Strängen, und 6 a battery system according to the prior art with series-connected single cells and parallel-connected strands, and

7 ein Prinzipschaltbild des ”Widerstands-Balancing” nach dem Stand der Technik. 7 a schematic diagram of the "resistance balancing" according to the prior art.

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben.following will be a preferred embodiment with reference to the figures the invention described in detail.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zum Ausgleich des Ladens von Batteriezellen eines Batteriesystems ein Resonanzkreis vorgesehen, der aus einer Speicherkapazität C und einer Speicherinduktivität L besteht. Weiterhin werden in der bevorzugten Ausführungsform bidirektionale steuerbare Schalter S1 bis S(2N) für die N in Serie geschalteten Zellen zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen des Batteriesystems verwendet, wie es in 1 gezeigt ist. Hier sind die Zellen Z1 bis Z(N) derart in Serie geschaltet, dass der Minuspol der Zelle Z(N) Masse bildet und der Pluspol der Zelle Z1 die positive Ausgangsspannung des Batteriesystems abgibt. Die Zellen Zx sind nun jeweils über zwei bidirektionale Schalter mit dem Resonanzkreis verbunden, der aus einer Serienschaltung der Speicherkapazität C und der Speicherinduktivität L besteht. Diese Verschaltung erfolgt derart, dass ein bidirektionaler Schalter S(2x – 1) zwischen dem Pluspol der Zelle Zx und einen Anschluss des Resonanzkreises geschaltet ist und ein bidirektionaler Schalter S(2x) zwischen dem Minuspol der Zelle Zx und den anderen Anschluss des Resonanzkreises geschaltet ist. Die Variable x läuft im gezeigten Ausführungsbeispiel von 1 bis N.In the preferred embodiment of the invention, to compensate for the charging of battery cells of a battery system, a resonant circuit is provided which consists of a storage capacity C and a storage inductance L. Furthermore, in the preferred embodiment, bidirectional controllable switches S1 to S (2N) are used for the N series connected cells to balance the state of charge of battery cells of the battery system as shown in FIG 1 is shown. Here, the cells Z1 to Z (N) are connected in series such that the negative pole of the cell Z (N) forms ground and the positive pole of the cell Z1 outputs the positive output voltage of the battery system. The cells Zx are now connected in each case via two bidirectional switches with the resonant circuit, which consists of a series connection of the storage capacitor C and the storage inductance L. This connection is made such that a bidirectional switch S (2x-1) is connected between the positive pole of the cell Zx and a terminal of the resonant circuit and a bidirectional switch S (2x) is connected between the negative pole of the cell Zx and the other terminal of the resonant circuit , The variable x runs in the embodiment shown from 1 to N.

Die bidirektionalen Schalter besitzen Steuereingänge Sx.E1 und Sx.E2, die den Steuereingang 1 am Schalter x und den Steuereingang 2 am Schalter x kennzeichnen. Wird der Steuereingang 1 mit einem aktiven Signal angesteuert, so gibt der jeweilige Schalter die erste Stromrichtung, hier Positiv genannt, frei, wird der Steuereingang 2 mit einem aktiven Signal angesteuert, so wird die entgegengesetzte zweite Stromrichtung freigegeben, hier Negativ genannt.The Bidirectional switches have control inputs Sx.E1 and Sx.E2 that control the Control input 1 at switch x and control input 2 at switch characterize x. Is the control input 1 with an active signal activated, the respective switch gives the first current direction, Here called positive, free, the control input 2 becomes active Signal is triggered, the opposite second current direction is released, here called negative.

Durch eine entsprechende Ansteuerung der Steuereingänge sind der Resonanzkreis aus der Speicherinduktivität L und der Speicherkapazität C, die bidirektionalen Schalter S1 bis S(2N) und die Zellen Z1 bis Z(N) zu einem resonanten Lade-Entlade-Netzwerk miteinander verbunden.By a corresponding control of the control inputs are the resonant circuit from the storage inductance L and the storage capacity C, the bidirectional switches S1 to S (2N) and the cells Z1 to Z (N) connected to a resonant charge-discharge network.

Die (nicht gezeigte) Steuerung der Balancing-Schaltung identifiziert nun zu Beginn eines Schaltspiels eine Zelle Zh, deren Ladezustand höher als der mittlere Ladezustand aller Zellen Z1 bis ZN liegt, und sie identifiziert eine Zelle Zt, deren Ladezustand tiefer als der mittlere Ladezustand aller Zellen Z1 bis ZN liegt.The (not shown) control of the balancing circuit identified now at the beginning of a switching game a cell Zh, their state of charge higher than the average state of charge of all cells Z1 to ZN is located, and they identified a cell Zt whose state of charge is lower than the average state of charge all cells Z1 to ZN is located.

Das Schaltspiel wird nun so ausgeführt, dass Energie aus Zelle Zh entnommen wird, im Resonanzkreis zwischengespeichert wird, und anschließend an Zelle Zt abgegeben wird.The Interlocking is now carried out that energy is taken from cell Zh, cached in the resonant circuit will, and then is delivered to cell Zt.

Dadurch Energieentnahme aus Zelle Zh und Energiezufuhr zu Zelle Zt nähern sich beide Zellen dem mittleren Ladezustand aller Zellen, und ein Ausgleich kann erreicht werden.Thereby Energy extraction from cell Zh and energy supply to cell Zt are approaching both cells the average state of charge of all cells, and a compensation can be reached.

Im Folgenden wird der Ablauf eines Schaltspiels detailliert beschrieben.in the The procedure of a switching game is described in detail below.

Beginn der Betrachtung sei der willkürlich gewählte Zeitpunkt t = 0, dort gelte außerdem iL = 0 und uC = 0. Es fließe also kein Strom und der Kondensator sei ungeladen.Let us start by considering the arbitrarily chosen time t = 0, where i L = 0 and u C = 0. Therefore, no current flows and the capacitor is uncharged.

Nun wird durch Ansteuern der bidirektionalen Schalter S(2h – 1) und S(2h) der Stromfluss aus der Zelle Zh in den Resonanzkreis hinein freigegeben. Für den weiteren Verlauf von iL und uC gelten nun die Zusammenhänge:

Figure 00080001
Now, by driving the bidirectional switches S (2h-1) and S (2h), the current flow from the cell Zh is released into the resonant circuit. For the further course of i L and u C the following relationships apply:
Figure 00080001

Mit der Resonanzfrequenz

Figure 00080002
und der charakteristischen Impedanz
Figure 00080003
With the resonance frequency
Figure 00080002
and the characteristic impedance
Figure 00080003

UZh bezeichnet die Spannung, auf welche die Zelle Zh gerade aufgeladen ist.U Zh denotes the voltage to which the cell Zh is currently charged.

Nach der Zeitdauer

Figure 00090001
wird der Strom iL(t) einen Nulldurchgang zeigen und die Spannung ihren Maximalwert 2·UZh annehmen. In diesem Moment beginnen die Schalter zu sperren, da sie Strom entsprechend ihrer momentanen Freigaberichtung nur in positiver Richtung führen können. Unmittelbar nach diesem Nulldurchgang kann auch das Ansteuersignal zurückgenommen werden. Im Resonanzkreis ist nun eine bestimmte Energiemenge gespeichert, und die Zellen sind wieder vom Resonanzkreis isoliert.After the period
Figure 00090001
the current i L (t) will show a zero crossing and the voltage will assume its maximum value 2 · U Zh . At this moment, the switches start to lock because they can only conduct current according to their current release direction in the positive direction. Immediately after this zero crossing and the drive signal can be withdrawn. The resonance circuit now stores a certain amount of energy and the cells are again isolated from the resonance circuit.

2a zeigt den Verlauf der Kondensatorspannung und 2b zeigt den Verlauf des Spulenstroms in diesem Intervall über die Zeit. Hier ergeben sich typische Kurven für eine Resonanzladung des aus der Speicherkapazität C und der Speicherinduktivität L bestehenden Resonanzkreises. 2a shows the course of the capacitor voltage and 2 B shows the course of the coil current in this interval over time. Here are typical curves for a resonant charge from the Spei cherkapazität C and the memory inductance L existing resonant circuit.

In der zweiten Hälfte des Schaltspiels wird die gespeicherte Energie nun in die Zelle Zt transferiert. Dazu wird Zelle Zt mittels der Schalter S(2t – 1) und S(2t) mit dem Resonanzkreis verbunden. Zweckmäßiger Weise wird dabei über die Steuereingänge der dieser Schalter nur die sogenannte negative Stromrichtung freigegeben, was also einem in die Zelle Zt hinein gerichteten Strom entspricht.In the second half of the switching game, the stored energy is now in the cell Zt transferred. For this purpose, cell Zt by means of the switches S (2t - 1) and S (2t) connected to the resonant circuit. Appropriately, it is about the control inputs this switch released only the so-called negative current direction, which corresponds to a current directed into cell Zt.

Der Beginn dieser Betrachtung sei der Zeitpunkt t' = 0. Der Kondensator ist nun aufgeladen auf 2·UZh, und es fließt kein Spulenstrom.The beginning of this consideration is the time t '= 0. The capacitor is now charged to 2 · U Zh , and no coil current flows.

Jetzt gilt für t' > 0:

Figure 00090002
Now for t '> 0:
Figure 00090002

Somit konnte die zunächst im Resonanzkreis zwischengespeicherte Energie auf die Zelle Zt übertragen werden.Consequently could the first transferred in the resonant circuit cached energy to the cell Zt become.

3a) zeigt den Verlauf der Kondensatorspannung und 3b) zeigt den Verlauf des Spulenstroms bei der Entladung des Resonanzkreises in Zelle Zt. Hier ergeben sich typische charakteristische Kurven für die Entladung des aus der Speicherkapazität C und der Speicherinduktivität L bestehenden Resonanzkreises. 3a ) shows the course of the capacitor voltage and 3b ) shows the course of the coil current in the discharge of the resonant circuit in cell Zt. Here are typical characteristic curves for the discharge of the memory capacitor C and the memory inductance L existing resonant circuit.

Die erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzten bipolaren Schalter können besonders vorteilhaft durch verfügbare Halbleiter-Bauelemente, wie Thyristoren oder Transistoren vom MOSFET-, Bipolar- oder IGBT-Typ realisiert werden. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bidirektionalen Schalters in Thyristor-Technik, bei dem die beiden verwendeten Thyristoren antiparallel verschaltet sind und die Steuereingänge der Thyristoren die Steuereingänge des bidirektionalen Schalters bilden.The bipolar switches preferably used according to the invention can be realized particularly advantageously by available semiconductor components, such as thyristors or transistors of the MOSFET, bipolar or IGBT type. 4 shows a preferred embodiment of a bidirectional thyristor switch according to the invention, in which the two thyristors used are connected in anti-parallel and the control inputs of the thyristors form the control inputs of the bidirectional switch.

5 zeigt drei weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen bidirektionalen Schaltern, die durch Halbleiter-Leistungsschalter mit integrierten sogenannten Freilauf-Dioden gebildet sind. Diese Transistoren sind, wie in 5 gezeigt, durch eine geeignete Reihenschaltung zu bidirektionalen Schaltern kombiniert, wobei in 5 ein bidirektionaler Schalter mit MOSFETs (N-Kanal) jeweils in Common-Source- und Common-Drain-Anordnung gezeigt ist, ein bidirektionaler Schalter mit IGBTs jeweils in Common-Emitter- und Common-Collector-Anordnung gezeigt ist, und ein bidirektionaler Schalter mit bipolaren (NPN) Transistoren jeweils im Common-Emitter- und Common-Collector-Schaltung gezeigt ist. 5 shows three further embodiments of inventive bidirectional switches, which are formed by semiconductor power switches with integrated so-called freewheeling diodes. These transistors are, as in 5 shown combined by suitable series connection to bidirectional switches, wherein in 5 a bidirectional switch with MOSFETs (N-channel) each shown in common-source and common-drain arrangement, a bidirectional switch with IGBTs each shown in the common-emitter and common-collector arrangement, and a bidirectional switch with bipolar (NPN) transistors are shown in common-emitter and common-collector circuits, respectively.

Das Ansteuerungsverfahren für die bidirektionalen Schalter kann vorteilhaft gestaltet werden, wenn die Eigenschaften des in dieser Schaltung verwendeten Reihenschwingkreises und die der verwendeten Halbleiterschalter günstig kombiniert werden.The Driving method for the bidirectional switches can be made advantageous if the characteristics of the series resonant circuit used in this circuit and the semiconductor switches used are favorably combined.

Dabei wird bei den bidirektionalen Schaltern immer nur die Stromrichtung freigegeben, die für den gerade einzuleitenden Umschwingvorgang benötigt wird.there With the bidirectional switches, only the current direction is always used released that for the Umschwingvorgang just initiated is needed.

Beispielsweise verläuft der Strom für einen Umschwingvorgang in positiver Stromrichtung von Null über sein positives Maximum wieder zu Null.For example extends the electricity for a Umschwingvorgang in positive current direction from zero over positive maximum back to zero.

Die Diodeneigenschaft aller oben beschriebenen bidirektionalen Schalter führt nun dazu, dass der Strom seinen Vorzeichenwechsel beim Nulldurchgang nicht vollziehen kann, sondern bei Null verharrt. Dies geschieht insbesondere auch dann, wenn das Ansteuersignal für die gerade freigegebene Stromrichtung noch nicht zurückgenommen wurde.The Diode property of all bidirectional switches described above leads now to that the current its sign change at zero crossing can not complete, but remains at zero. this happens especially even if the drive signal for the straight released current direction has not yet been withdrawn.

Die steuerbaren Halbleiterschalter wie z. B. die MOSFETs, bipolaren Transistoren oder IGBTs können nun ausgeschaltet werden, wenn sie bereits keinen Strom mehr führen (zero current switching).The controllable semiconductor switch such. As the MOSFETs, bipolar Transistors or IGBTs can now be switched off when they are already no longer power (zero current switching).

Dies führt zu verschwindend geringen Ausschaltverlusten und ist gleichzeitig günstig für das EMV-Abstrahlverhalten der Schaltung.This leads to vanishingly low switch-off losses and is at the same time favorable for the EMC radiation behavior the circuit.

Gleiches gilt für das Einschalten, wenn der stromaufnehmende Halbleiterschalter immer erst dann eingeschaltet wird, wenn der Strom der durch den stromabgebenden Halbleiterschalter bereits zu Null geworden ist.The same applies to turning on when the current-carrying semiconductor switch always is only turned on when the current through the current-emitting Semiconductor switch has already become zero.

Die Bauteile C und L des Resonanzkreises werden beispielsweise so dimensioniert, dass

  • 1. sich erstens eine Resonanzfrequenz ergibt, die günstig gelegen ist für die Steuerung der Schalter durch einen Mikroprozessor,
  • 2. diese Resonanzfrequenz aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit möglichst günstig liegt, und
  • 3. die charakteristische Impedanz so gewählt wird, dass sich ein Stromniveau ergibt, welches mit handelsüblichen Bauelementen gut beherrscht werden kann.
The components C and L of the resonant circuit are dimensioned, for example, so that
  • 1. First, a resonant frequency results which is conveniently located for controlling the switches by a microprocessor.
  • 2. This resonant frequency from the point of view of electromagnetic compatibility is as low as possible, and
  • 3. The characteristic impedance is chosen so that there is a current level, which can be well controlled with commercially available components.

Neben der vorstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit auf deren zeichnerische Darstellung in den 1 bis 7 Bezug genommen.In addition to the above written disclosure of the invention is hereby explicitly to the drawings in the 1 to 7 Referenced.

Claims (13)

Verfahren zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen, mit dem der Schritt: – Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle mit einem hohen Ladezustand in wenigstens eine zweite Batteriezelle mit einem niedrigen Ladezustand, wobei das Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle ein Entladen von Energie aus einer der wenigstens einen ersten Batteriezelle in eine Energiespeicherschaltung, vorzugsweise einen Resonanzkreis, und ein Entladen von Energie aus der Energiespeicherschaltung in eine der wenigstens einen zweiten Batteriezelle umfasst.Method for balancing the state of charge of Battery cells with which the step: - Transfer of energy from at least a first battery cell with a high state of charge in at least one second battery cell with a low state of charge, wherein the Transfer of energy from at least one first battery cell in at least one second battery cell discharging energy one of the at least one first battery cell in an energy storage circuit, preferably a resonant circuit, and discharging energy the energy storage circuit in one of the at least one second Battery cell includes. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte: – Bestimmen wenigstens einer ersten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen hohen Ladezustand aufweist, und – Bestimmen wenigstens einer zweiten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen niedrigen Ladezustand aufweist.Method according to claim 1, characterized by Steps: - Determine at least a first battery cell of the battery system, the one has high state of charge, and - determining at least one second battery cell of the battery system, which has a low state of charge. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladen von Energie in und/oder aus der Energiespeicherschaltung in Resonanz mit einer Resonanzfrequenz der Energiespeicherschaltung erfolgt.Method according to claim 1 or 2, characterized that the discharge of energy into and / or out of the energy storage circuit in resonance with a resonant frequency of the energy storage circuit he follows. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle über bidirektionale Schalter erfolgt.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the transhipment of energy from at least a first battery cell in at least a second battery cell via bidirectional switch takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein hoher Ladezustand ein Ladezustand über einem durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems ist und ein niedriger Ladezustand ein Ladezustand unter einem durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems ist.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that a high state of charge is a state of charge above an average State of charge of all battery cells of the battery system is lower and one Charge state a charge state under an average state of charge all battery cells of the battery system is. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Entladen einer ersten Batteriezelle solange durchgeführt wird, bis diese erste Batteriezelle einen durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist und ein Laden einer zweiten Batteriezelle solange durchgeführt wird, bis diese zweite Batteriezelle einen durchschnittlichen Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist, und/oder – ein Entladen immer derjenigen ersten Batteriezelle durchgeführt wird, die einen höchsten Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist und ein Laden immer derjenigen zweiten Batteriezelle durchgeführt wird, die einen niedrigsten Ladezustand aller Batteriezellen des Batteriesystems aufweist.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that - one Discharging a first battery cell is carried out as long as until this first battery cell has an average state of charge has all the battery cells of the battery system and a store a second battery cell is carried out until this second Battery cell an average state of charge of all battery cells of the battery system, and / or - always unloading one first battery cell performed which is the highest Has state of charge of all battery cells of the battery system and a store is always carried out by that second battery cell the lowest charge state of all battery cells of the battery system having. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist und das Batteriesystem ein Lithium-Ionen-Batteriesystem ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the battery cell is a lithium-ion battery cell and the battery system is a lithium-ion battery system. Vorrichtung zum Ausgleich des Ladezustands von Batteriezellen eines Batteriesystems, mit – einer Umladevorrichtung zum Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle mit einem hohen Ladezustand in wenigstens eine zweite Batteriezelle mit einem niedrigen Ladezustand, wobei die Umladevorrichtung wenigstens eine Energiespeicherschaltung, vorzugsweise einen Resonanzkreis, zum Entladen von Energie aus einer der wenigstens einen ersten Batteriezelle in die wenigstens eine Energiespeicherschaltung und zum Entladen von Energie aus der wenigstens einen Energiespeicherschaltung in eine der wenigstens einen zweiten Batteriezelle umfasst.Device for compensating the state of charge of battery cells of a battery system, comprising a transfer device for transferring energy from at least one first battery cell with a high charge state into at least one second battery cell with a low charge state, wherein the transfer device at least one energy storage circuit, preferably a resonant circuit, for discharging of energy from one of the at least one first battery cell into the at least one energy storage scarf tion and for discharging energy from the at least one energy storage circuit in one of the at least one second battery cell. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch: – eine erste Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen wenigstens einer ersten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen hohen Ladezustand aufweist, und – eine zweite Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen wenigstens einer zweiten Batteriezelle des Batteriesystems, die einen niedrigen Ladezustand aufweist.Device according to claim 8, characterized by: - a first one Determining device for determining at least one first battery cell the battery system, which has a high state of charge, and - a second Determining device for determining at least one second battery cell of the battery system, which has a low state of charge. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch bidirektionale Schalter zum Umladen von Energie aus wenigstens einer ersten Batteriezelle in wenigstens eine zweite Batteriezelle.Apparatus according to claim 8 or 9, characterized by bidirectional switches for recharging energy from at least a first battery cell in at least one second battery cell. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein bidirektionaler Schalter wenigstens ein Halbleiterbauelement, wie einen Thyristor oder einen Transistor vom MOSFET-, Bipolar- oder IGBT-Typ, umfasst.Device according to claim 10, characterized in that in that a bidirectional switch has at least one semiconductor component, like a thyristor or a transistor from the mosfet, bipolar or IGBT type. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass – ein bidirektionaler Schalter jeweils so angesteuert wird, dass durch ihn immer nur die Stromrichtung freigegeben wird, die zum folgenden Entladen von Energie in und/oder aus der Energiespeicherschaltung gerade benötigt wird, und/oder – ein bidirektionaler Schalter bei sich ändernder Stromrichtung selbstständig ausschaltet und ein Ansteuersignal an den bidirektionalen Schalter rückgesetzt wird, wen der bidirektionale Schalter keinen Strom leitet.Device according to claim 10 or 11, characterized that - one bidirectional switch is in each case driven so that by it always only the current direction is released, that to the following Discharging energy in and / or from the energy storage circuit just needed will, and / or - one Bidirectional switch automatically turns off when the current direction changes and reset a drive signal to the bidirectional switch becomes who the bidirectional switch does not conduct electricity. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist und das Batteriesystem ein Lithium-Ionen-Batteriesystem ist.Device according to one of the preceding claims 8 to 12, characterized in that the battery cell is a lithium-ion battery cell and the battery system is a lithium-ion battery system.
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