AT524263A1

AT524263A1 - Batterievorrichtung mit schaltbaren Batteriemodulen

Info

Publication number: AT524263A1
Application number: ATA50867/2020A
Authority: AT
Inventors: Luttenberger Dipl Ing Msc Fabian; Kallesha Manasa; Berberich Katharina; Könekamp Dr Ing Andreas
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2022-04-15
Also published as: AT524263B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung mit schaltbaren Batteriemodulen und ein Verfahren hierzu. Die Batterievorrichtung umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen, die in wenigstens zwei Batteriemodulen jeweils angeordnet und elektrisch verbunden sind; und eine schaltbare Verbindungsmodulanordnung, die zwischen einer die wenigstens zwei Batteriemodule elektrisch parallel verbindenden Parallelstellung und einer die wenigstens zwei Batteriemodule elektrisch in Serie verbindenden Serienstellung schaltbar verbindet. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die schaltbare Verbindungsmodulanordnung wenigstens ein Ladungsausgleichsmodul für eine aktive Begrenzung eines Ladungsausgleichs von Ladungsträgern in Batteriezellen zwischen den wenigstens zwei Batteriemodulen aufweist.

Description

Batterievorrichtung mit schaltbaren Batteriemodulen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung mit schaltbaren Batteriemodulen, sowie ein Verfahren zur Schaltung von Batteriemodulen an einer entsprechen-

den Batterievorrichtung.

Es sind Batterievorrichtungen bekannt, die eine Vielzahl von Batteriezellen in unterschiedlichen Anordnungen, wie einem Stapel von Pouch-Zellen oder einer aufgereihten Anordnung von zylindrischen oder prismatischen Batteriezellen umfassen. Die Batteriezellen sind in der Regel vom Typ eines elektrochemischen Akkumulators bzw. einer Sekundärbatterie wie beispielsweise eine Lithium-lonen-Batterie. Insbesondere bei Hochvoltbatterien sind die Batteriezellen in Batteriemodulen zusammengefast. Die Batteriemodule bilden oftmals austauschbare Untereinheit einer großen Hochvoltbatterie, wie insbesondere eine Traktionsbatterie für ein elektrisch angetrie-

benes Fahrzeug oder eine stationäre Speicherbatterie.

In der Regel bestehen derartige Hochvoltbatterien aus einer Mehrzahl von Batteriemodulen, die in der Hochvoltbatterie in einer fest verdrahteten Serien- und/oder Parallelschaltung verbunden sind, wobei die Batteriemodule jeweils dieselbe Nominalspannung wie die Hochvoltbatterie aufweisen, beispielsweise jeweils eine Nominalspannung von 400 Volt wie häufig verwendet im Anwendungsfall von elektrisch

angetriebenen Fahrzeugen.

Im Stand der Technik ist unter anderem vorgesehen, dass einzelne Batteriemodule in einer Parallelschaltung einer Hochvoltbatterie austauschbar sind, um sie im Falle von Fehlerzuständen ersetzen zu können. In diesem Fall muss das ausgetauschte Batteriemodul, bevor dieses in die Hochvoltbatterie eingesetzt und elektrisch verbunden wird, äußerst genau auf denselben Ladungszustand bzw. State of Charge (SOC) der anderen in der Hochvoltbatterie vorhandenen Batteriemodule geladen werden. Ansonsten würden insbesondere im Bereich der Hochvoltbatteriespannungen von mehreren hundert Volt und den üblicherweise hohen Kapazitäten derartiger Hochvoltbatterien bereits bei geringen Abweichungen des SOC von Batteriemodulen zueinander große Schaltströme im Moment des Inkontaktbringens auftreten. Die hohen Ströme können die Leiter und Kontakte einer Verschaltung der Batteriemodule zer-

oder zerstören lassen.

Im Bereich relativ niedriger Batteriespannungen, wie z.B. Boardnetzspannungen von Fahrzeugen mit 12 Volt oder 24 Volt, sind vereinzelt Schaltungsstrukturen bekannt geworden, die mittels einer Umschaltung zwischen einer Parallelschaltung und einer Serienschaltung bzw. Reihenschaltung von zwei Boardnetzbatterien bzw. sonstigen Konfigurationen von Batteriezellen eine Schaltung zwischen zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen für ein Boardnetz bzw. unterschiedlichen Nominalspannungen ermöglichen. In dem genannten Spannungsbereich von wenigen Volt treten im Falle von Abweichungen der SOC zwischen Boardnetzbatterien oder zwischen einzelnen Batteriezellen vergleichsweise geringe Schaltströme auf, welche im Hinblick auf eine Schaltungsstruktur oder eine Zellenstruktur in der Regel unkritisch sind.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterievorrichtung zu schaffen, die eine Bereitstellung von unterschiedlichen Nominalspannungen der Batterievorrichtung ermöglicht, insbesondere im Bereich von Hochvoltbatteriespannungen.

Die voranstehende Aufgabe wird durch eine Batterievorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung oder dem Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird

bzw. werden kann.

Die Batterievorrichtung mit schaltbaren Batteriemodulen umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen, die in wenigstens zwei Batteriemodulen jeweils angeordnet und elektrisch verbunden sind; und eine schaltbare Verbindungsmodulanordnung, die zwischen einer die wenigstens zwei Batteriemodule elektrisch parallel verbindenden Parallelstellung und einer die wenigstens zwei Batteriemodule elektrisch in Serie

verbindenden Serienstellung schaltbar verbindet. Erfindungsgemäß ist ferner vorge-

sehen, dass die schaltbare Verbindungsmodulanordnung wenigstens ein Ladungs-

ausgleichsmodul für eine aktive Begrenzung eines Ladungsausgleichs von Ladungs-

trägern in Batteriezellen zwischen den wenigstens zwei Batteriemodulen aufweist.

Das Verfahren umfasst zur Schaltung von Batteriemodulen in einer entsprechenden Batterievorrichtung mit einer schaltbaren Verbindungsmodulanordnung und einem Ladungsausgleichsmodul die folgenden Schritte: Verbinden von Batteriemodulen in der Batterievorrichtung, in denen jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen angeordnet und elektrisch verbunden ist, durch die schaltbare Verbindungsmodulanordnung, in einer elektrisch parallel verbindenden Parallelstellung oder in einer elektrisch in Serie verbindenden Serienstellung der schaltbaren Verbindungsmodulanordnung; Durchführen und aktives Begrenzen eines Ladungsausgleichs von Ladungsträgern in Batteriezellen zwischen den Batteriemodulen durch das Ladungsausgleichsmodul.

Die Erfindung sieht erstmals eine geeignete Struktur einer Batterievorrichtung zur Bereitstellung eines Ladungsaustausch sowie dessen aktive Begrenzung im Zusammenhang mit einer umschaltbaren Verbindung von Batteriemodulen in Bezug zu

deren Pole vor.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Batteriemoduls besteht in einer Erweiterung eines Anwendungsbereichs im Vergleich zum Stand der Technik, wonach es möglich wird, eine Schaltbarkeit zwischen einer Parallelschaltung und einer Serienschaltung bzw. Reihenschaltung selbst zwischen Hochvoltbatteriespannungen von mehreren hundert Volt und einer Kapazität von mehreren Kilowattstunden pro Batteriemodul unschädlich zur Verfügung zu stellen.

Beispielsweise kann nach einem Ladevorgang in Serienschaltung aufgrund verschiedener Alterungszustände, Typen oder nach einem Austausch ein Batteriemodul einen Spannungspegel von 455 V und ein Batteriemodul einen Spannungspegel von 445 V aufweisen. Die Spannungsdifferenz beträgt lediglich 10 V. Diese könnte jedoch bei einer schlagartigen Parallelschaltung und bei Batteriemodulen 20 mit geringem Innenwiderstand von wenigen 10m zu hohen Ausgleichsströmen von mehreren hundert Ampere führen. Dies führt zu erhöhter Zellalterung oder zu Zellschäden, übermäßiger Erwärmung und Beschädigung anderer elektrischer Komponenten wie Kabel oder Steckverbinder.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in einer Erweiterung eines Anwendungsbe-

reichs im Vergleich zum Stand der Technik, wonach es auch im Bereich der Hoch-

voltbatteriespannungen möglich wird, z.B. zwei unterschiedliche Nominalspannungen

einer Batterievorrichtung bereitstellen zu können. Somit können insbesondere unter-

schiedliche Nennspannungen in einem Lastbetrieb und einem Ladebetrieb unter-

stützt werden.

Ein wiederum weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Batteriemoduls liegt darin, dass im Falle eines Austausches eines fehlerhaften Batteriemoduls, dieses nicht auf exakt denselben SOC angepasst werden muss, um zu verhindern, dass zum Zeitpunkt einer Wiederherstellung einer Parallelschaltung von Batteriemodulen Schäden

auftreten.

Ein ähnlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass für den Fall einer Detektion eines Fehlerzustands eines einzelnen Batteriemoduls, wie z.B. einer Überhitzung, eine Funktionalität zur Abschaltung des betreffenden Batteriemoduls im Betrieb vorgesehen werden kann, und dass in diesem Fall zu einem späteren Zeitpunkt eines erneuten Eintritts von einem dementsprechenden Notbetriebszustand der Batterievorrichtung zurück in einen regulären Betriebszustand unter Vermeidung potenzieller

Beeinträchtigungen durch hohe Ausgleichsströme erfolgen kann.

Es kann von Vorteil sein, wenn das Ladungsausgleichsmodul ein Kontrollmodul zur Kontrolle des Ladungsausgleichs sowie einen mit dem Kontrollmodul verbundenen Stromsensor und/oder einen Spannungssensor zur Erfassung eines Stromwerts und/oder eines Spannungswerts an einer elektrischen Verbindung eines zugeordneten Verbindungsmoduls zwischen den wenigstens zwei Batteriemodulen umfasst. Das Kontrollmodul ermöglicht eine Kontrolle auftretender Ausgleichsströme in Bezug

zu Referenz- bzw. Schwellwerten, wie später erläutert wird.

Noch vorteilhafter kann es sein, wenn das Kontrollmodul eine PWM-Einheit umfasst, die eine Pulsweitenmodulation zur Kontrolle des aktiven Ladungsausgleichs ausgibt. Somit ergibt sich eine einfache und kostengünstige Realisierung einer Ansteuerung

zur Begrenzung des Ausgleichsstroms.

Vorteilhaft kann es darüber hinaus sein, wenn das Ladungsausgleichsmodul ein Halbleiter-Schaltmodul zum Ein- und Ausschalten einer elektrischen Verbindung in

einem zugeordneten Verbindungsmoduls zwischen den wenigstens zwei Batte-

riemodulen umfasst. Im Vergleich zu anderen Schaltertypen, wie Transistoren, sind

Schalter aus der Halbleitertechnik im Bereich der Leistungselektronik sowohl für ho-

he Leistungen als auch hohe Schaltzyklen und Schaltfrequenzen geeignet.

In diesem Zusammenhang kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn das Ein- und Ausschalten des Halbleiter-Schaltmoduls an ein Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation der PWM-Einheit gekoppelt ist. Somit ergibt sich eine einfache und kostengünstige Realisierung einer Ansteuerung und Schaltung als Begrenzungsmittel des Ausgleichsstroms.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die schaltbare Verbindungsmodulanordnung zwischen zwei Batteriemodulen drei zugeordnete Verbindungsmodule aufweist und für jedes weitere Batteriemodul jeweils drei weitere zugeordnete Verbindungsmodule aufweist, wobei jeweils zwei von drei Verbindungsmodulen einer Verbindung zwischen den gleichen Polen benachbarter Batteriemodule zugeordnet sind und eines der drei Verbindungsmodule einer Verbindung zwischen den gegensätzlichen Polen derselben benachbarten Batteriemodule zugeordnet ist. Dadurch wird ein modularer Aufbau für weitere Batteriemodule identisch widerholbarer Schaltungsstruktur geschaffen.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn die schaltbare Verbindungsmodulanordnung ferner eine Austausch-/Notbetriebs-Stellung aufweist, in der die Verbindungsmodulanordnung wenigstens eine von der wenigstens einen anderen der wenigstens zwei Batteriemodule schaltbar trennt. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Batterievorrichtung erhöht, wie noch anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird.

Einen weiteren Vorteil kann es mit sich bringen, wenn die Batterievorrichtung Batteriemodulaufnahmen aufweist, in denen die wenigstens zwei Batteriemodule reversibel in der Batterievorrichtung aufgenommen sind; sowie elektrische Schnittstellen, durch welche die wenigstens zwei Batteriemodule mechanisch reversibel mit der Batterievorrichtung elektrisch verbindbar sind. Durch diese strukturellen Maßnahmen wird eine Handhabung eines modularen Austauschs von Komponenten der Batterie-

vorrichtung sowie eine Wartung derselben erleichtert.

Eine vorteilhafte Eigenschaft besteht darin, dass sich eine Anzahl von Batteriezellen, die in einem der wenigstens zwei Batteriemodule in Serienschaltung elektrisch ver-

bunden sind, von einer Anzahl von Batteriezellen, die in einem anderen der wenigs-

tens zwei Batteriemodule in Serienschaltung elektrisch verbunden sind, unterschei-

den kann. Durch einen kontrollierten Ladungsausgleich mittels des Ladungsaus-

gleichsmoduls können die beteiligten Batteriemodule auf eine durchschnittliche

Spannung derselben ausgeglichen werden, wie noch anhand eines Ausführungsbei-

spiels erläutert wird.

Eine ähnliche vorteilhafte Eigenschaft besteht darin, dass sich eine Anzahl von Batteriezellen, die in einem der wenigstens zwei Batteriemodule in Parallelschaltung elektrisch verbunden sind, von einer Anzahl von Batteriezellen, die in einem anderen der wenigstens zwei Batteriemodule in Parallelschaltung elektrisch verbunden sind, unterscheiden kann. Gleichermaßen wie zuvor in Bezug auf eine Nominalspannung oder einen SOC beschrieben, wird aufgrund des bereitgestellten Funktionalität zum Ladungsausgleichs auch eine unkritische Toleranz gegenüber Differenzen in Kapazi-

täten zwischen Batteriemodulen erhöht.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft besteht darin, dass die wenigstens zwei Batteriemodule jeweils eine Hochvoltbatteriespannung von mehreren 100 V, vorzugsweise jeweils eine Spannung von etwa 390 V bis 410 V aufweisen können. Diese Werte entsprechen aktuellen Standards bzw. häufig genutzten und gut verfügbaren Spezifi-

kationen.

Des Weiteren kann es von Vorteil sein, wenn nach einem Erfassen eines Ausgleichsstroms des Ladungsausgleichs zwischen den Batteriemodulen durch das Kontrollmodul ein Begrenzen des Ausgleichsstroms durch das Ladungsausgleichsmodul derart erfolgt, dass der Ausgleichsstrom einen oberen Schwellwert nicht übersteigt. Dadurch werden Schäden einer Leiterstruktur oder eine übermäßige Alterung

einer Zellenstruktur durch große Ströme wirksam unterbunden.

Ferner kann es von Vorteil sein, wenn ein Aufheben eines Begrenzens des Ausgleichsstroms des Ladungsausgleichs durch das Ladungsausgleichsmodulerfolgt, falls der Ausgleichsstrom einen unteren Schwellwert unterschreitet. Dadurch kann ein Ladungsausgleich bis zu einem sich selbsteinstellenden Gleichgewicht auslaufen, oder im Betrieb - insbesondere Ladebetrieb — verhindern, dass Differenzen von SOCs auftreten.

Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die PWM-Einheit in Bezug zu einer Taktung

Einschaltzeiten der Pulsweitenmodulation verkürzt und/oder Ausschaltzeiten verlän-

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gert, je höher ein von einem Stromsensor und/oder dem Spannungssensor erfasster

Stromwert und/oder Spannungswert ist, und umgekehrt. Somit wird eine wirksame

Implementierung eines Begrenzungsmittels für den Ausgleichstrom bzw. dessen An-

steuerung bereitgestellt.

Eine vorteilhafte Funktionalität besteht darin, dass das Ladungsausgleichsmodul einen Ladungsausgleich durchführen und aktiv begrenzen kann, wenn ein Batteriemodul in der Batterievorrichtung ausgetauscht wird und mittels der schaltbaren Verbindungsmodulanordnung mit einem anderen Batteriemodul in der elektrisch in Serie verbindenden Serienstellung schaltbar verbunden wird. Zu diesem Zeitpunkt können besonders kritische Ausgleichsströme auftreten, welche erfindungsgemäß unterbun-

den werden.

Eine weitere vorteilhafte Funktionalität besteht darin, dass jeweils zwei Batteriemodule in der Batterievorrichtung durch die schaltbare Verbindungsmodulanordnung, in der elektrisch in Serie verbindenden Serienstellung der schaltbaren Verbindungsmodulanordnung paarweises verbunden werden können, wenn an der Batterievorrichtung eine Ladeleistung bereitgestellt wird, deren Ladespannung doppelt so hoch wie eine Nominalspannung eines Batteriemoduls ist. Dadurch kann eine Schnellladefunktion mit einer doppelt so hohen Versorgungsspannung im Vergleich zu einer Nennspannung der Batteriemodule unterstützt werden. Somit kann beispielsweise bei einer Nennspannung von 400 V pro Batteriemodul neben einer Ladeinfrastruktur mit 400 V wahlweise auch eine Ladeinfrastruktur von 800 V mit der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung genutzt werden.

Im Übrigen bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug das erfindungsgemäße Batterievorrichtung erläutert

worden sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung, ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben wird. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer vereinfacht skizzierten Schaltungsstruktur in einer in Serie geschalteten Verbindung von Batteriemodulen gemäß der Ausfüh-

rungsform der Batterievorrichtung; und

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Verbindungsmoduls der Verbindungsmodulanordnung mit einem Ladungsausgleichmodul gemäß einer Ausführungsform der

Batterievorrichtung.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Batterievorrichtung 10, die eine Mehrzahl von austauschbaren bzw. modular integrierten Batteriemodulen 20 umfasst. In jedem Batteriemodul 20 ist eine Verbundanordnung von Batteriezellen (nicht einzeln dargestellt) durch eine Verdrahtung elektrisch miteinander verbunden und in einem Modulgehäuse eingeschlossen. Die Batteriezellen sind von einem Sekundärbatterietyp, insbesondere einem Typ einer Lithium-lonen-Batterie. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst jedes Batteriemodul 20 eine Konfiguration von Batteriezellen, die in einer Nominalspannung des Batteriemoduls 20 von etwa 400 V resultiert.

Die Pole der Batteriemodule 20 sind mittels einer Verbindungsmodulanordnung 30 untereinander sowie mit den Polen der Batterievorrichtung 10 verschaltet, d.h. schaltbar elektrisch verbunden. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die schaltbare Verbindungsmodulanordnung 30 elektrische Leiter für eine unipolare Verbindung der jeweiligen gleichartigen Pole der ersten zwei Batteriemodule 20a, 20b, sowie davon abzweigend, zwischen den zwei Batteriemodulen 20a, 20b angeordnet, elektrische Leiter für eine bipolare Verbindung gegensätzlicher Pole. Zudem sind elektrische Leiter zur Verbindung von Polen der Batteriemodule 20 mit den Polen der Batterievorrichtung 10 bereitgestellt, an denen die resultierende Nominalspannung der Batterievorrichtung 10 abgegriffen wird. In der dargestellten Ausführungsform sind hierzu ein elektrischer Leiter von einem Pol der Batterievorrichtung 10 zu einem gleichartigen Pol eines ersten Batteriemoduls 20a und ein elektrischer Leiter von dem anderen Pol der Batterievorrichtung 10 zu einem gegensätzlichen Pol eines zu-

letzt angeordneten Batteriemoduls 20n vorgesehen.

tung von zwei benachbarten Batteriemodulen 20a, 20b wahlweise herstellt.

Hierzu ist in Fig. 1 die schaltbare Parallelstellung der Verbindungsmodulanordnung 30 zu sehen, bei der die Verbindungsmodule 31 und 33 verbinden und das Verbindungsmodul 32 trennt. Somit bildet ein Schaltungszweig mit den drei Verbindungsmodulen 31, 32, 33 zwischen Batteriemodulen 20a, 20b, 20n jeweils eine Verbindung

gleichartiger Pole der Batteriemodule 20.

In Fig. 2 ist hingegen die schaltbare Serienstellung der Verbindungsmodulanordnung 30 zu sehen, bei der das Verbindungsmodul 32 verbindet und die Verbindungsmodule 31 und 33 trennen. Somit bildet derselbe Schaltungszweig mit den drei Verbindungsmodulen 31, 32, 33 eine Verbindung gegensätzlicher Pole zwischen benachbarten Batteriemodulen 20a, 20b, 20n.

Darüber hinaus kann ebenso eine alternierend wechselnde Konfiguration geschaltet werden, wobei Batteriemodule 20 insbesondere paarweise durch zugeordnete Verbindungsmodule 32 in Serie geschaltet werden, und die in Serie geschalteten Paare

von Batteriemodulen 20 wiederum parallel zueinander geschaltet werden.

Mit der Funktionalität der dargestellten Ausführungsform ist es insbesondere vorgesehen, dass während einer Anwendung der Batterievorrichtung 100 als Traktionsbatterie im Fahrbetrieb die Batteriemodule 20 parallelgeschaltet sind, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Somit ergibt sich eine parallel geschaltete Nennspannung Up der Batterievorrichtung 100 im Fahrbetrieb von z.B. 400 V gemäß dem oben genannten Ausfüh-

rungsbeispiel der Batteriemodule 20.

Während einer Gleichstrom-Schnellladung können die Batteriemodule 20 in Serie geschaltet werden wie in Fig. 2 gezeigt ist. Insbesondere können paarweise zwei

Batteriemodule 20a, 20b in Serie geschaltet werden, sodass eine in Serie geschalte-

te Nennspannung Us der Batterievorrichtung 10 von 800 V resultiert. Dadurch wird

eine Schnellladefähigkeit mit höherer Spannung unterstützt, die unter Bereitstellung

einer entsprechenden Ladeinfrastruktur ermöglicht wird.

Durch die Verbindungsmodulanordnung 30 entsteht somit eine Batterievorrichtung 10 mit Batteriemodulen 20, die so geschaltet werden können, dass sie eine parallele Modulkonfiguration oder eine serielle Modulkonfiguration bilden, und die einen aktiven Ladungsausgleich zwischen den Batteriemodulen 20 ermöglichen. Die Batteriemodulen 20 können unterschiedliche Nennspannungsniveaus haben und können trotzdem entweder parallel oder in Serie geschaltet werden. Der erfindungsgemäße aktive Ladungsausgleich ist notwendig, um hohe Ausgleichsströme zwischen den Batteriemodulen 20 zu bewältigen, die sich aufgrund von Lade- und Spannungsungleichgewichten zwischen den Batteriemodulen 20 ergeben.

In Fig. 3 ist ein Verbindungsmodul 31, 32, 33 der Verbindungsmodulanordnung 30 gezeigt, dem ein Ladungsausgleichsmodul 40 zugeordnet ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in jedem der Verbindungsmodule 31, 32, 33 ein Ladungsausgleichsmodul 40 integriert. Das Ladungsausgleichsmodul 40 dient als ein aktiver Strombegrenzer eines Ausgleichsstrom zur kontrollierten bzw. gesteuerten Herstellung eines Ladungsausgleichs von Ladungsträgern aus Batteriezellen. Hierzu wirkt das Ladungsausgleichsmodul 40 in der dargestellten Ausführungsform mit einem Schaltmodul 60, insbesondere einem aus der Halbleitertechnik implementierten Halbleiter-Schaltmodul 60 zusammen. Das Halbleiter-Schaltmodul 60 dient sowohl zur Begrenzung eines Ausgleichsstroms, als auch für die Schaltungsfunktion zur schaltbaren elektrischen Verbindung des entsprechenden Verbindungsmoduls 31, 32, 33 Innerhalb der Verbindungsmodulanordnung 30 und ist damit in der dargestellten Ausführungsform gleichermaßen struktureller Bestandteil des Ladungsaus-

gleichsmoduls 40 als auch des entsprechenden Verbindungsmoduls 31, 32, 33.

Das Ladungsausgleichsmodul 40 umfasst als weiteren Bestandteil ein Kontrollmodul 50, das durch einen Mikrocontroller bereitgestellt ist und dazu dient, einen Ausgleichsstrom durch das entsprechende Verbindungsmodul 31, 32, 33 zu kontrollieren bzw. zu steuern. Genauer genommen, vergleicht das Kontrollmodul 50 in einer Ausführungsform einen Stromwert des Ausgleichstroms, der durch das entsprechende Verbindungsmodul 31, 32, 33 fließt, mit einem hinterlegten festen Schwellwert und

steuert eine aktive Begrenzung des Ausgleichsstroms, wie beispielsweise eine be-

grenzende Regelung des Ausgleichsstrom, sodass dieser unterhalb einem oberen

Schwellwert von z.B. 250 A bleibt und diesen nicht überschreitet. Dazu ist ein Sig-

naleingang des Kontrollmoduls 50 mit einem Stromsensor 51 verbunden, welcher in

einer geschalteten elektrischen Verbindung des entsprechenden Verbindungsmoduls

31, 32, 33 angeordnet ist, um den Stromwertes des durchfließenden Ausgleichs-

strom zu erfassen.

In der dargestellten Ausführungsform verfügt das Kontrollmodul 50 ferner über eine PWM-Einheit 52, die als ein von dem Mikrocontroller durchgeführtes Steuerungsprogramm implementiert ist. Die PWM-Einheit 52 gibt eine Pulsweitenmodulation aus und verändert ein zeitlich getaktetes Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation zur Ansteuerung des Halbleiter-Schaltmoduls 60 in Abhängigkeit eines von dem Stromsensor 51 erfassten Stromwerts des Ausgleichsstroms. Ferner unterbindet die PWM-Einheit 52 Einschaltzeiten der Pulsweitenmodulation, wenn der Ausgleichsstroms des aktiven Ladungsausgleichs einen oberen Schwellwert überschreitet, und unterbindet eine Ausschaltzeit der Pulsweitenmodulation, wenn der Ausgleichstroms einen unteren Schwellwert unterschreitet. Somit kann ein während eines Zusammenschlusses von Batteriemodulen 20 auftretender, potenziell zu hoher Ausgleichsstrom, der eine Struktur der Batterievorrichtung 10 schädigen könnte, wirksam begrenzt und abgebaut werden. Ferner kann ein permanenter Ladungsausgleich im Sinne eines Balancing von Modulen, wie beispielsweise beim Laden bestehen blei-

ben, solange kein kritischer Stromwert auftritt.

Das Ladungsausgleichsmodul 40 kontrolliert bzw. steuert den aktiven Ladungsausgleich gegebenenfalls kurz bevor, in jedem Fall während, und bevorzugt auch nachdem zwei oder mehr Batteriemodule 20a, 20b, 20n erstmals oder erneut mit einander elektrisch verbunden werden und erfindungsgemäß insbesondere zum Zeitpunkt eines Wechsels des elektrischen Zusammenschlusses von Batteriemodulen 20 von einer Serienschaltung zu einer Parallelschaltung. In dem Falle einer Aufladung der Batterievorrichtung 10 im Schaltzustand einer Serienschaltung kann es bei unterschiedlichen Alterungszuständen oder sonstigen Zustandsabweichungen unter den Batteriemodulen 20 zu unterschiedlichen Ladungszuständen bzw. SOCs am Ende des Ladezyklus kommen, die bei Eintritt einer Parallelschaltung zu unkontrolliert hohen Ausgleichsströmen bis zu einem selbst einstellenden Ausgleich von Differenzen

der SOCs ablaufen würden.

Das Ladungsausgleichsmodul 40 dienen auch dazu, eine Überladung zwischen Batteriemodulen 20 auszugleichen. Wenn eine Parallelschaltung vorgenommen wird, bewirkt eine parasitäre Systeminduktivität von den Batteriezellen, elektrischen Leitern, Kontakten usw., dass der Strom nicht sofort, sondern mit einer bestimmten, syStemabhängigen Zeitkonstante ansteigt. Das bedeutet, dass der Strom ansteigt und bevor er einen kritischen Wert erreicht, der zu einer Beschädigung von Komponenten führt, von dem Ladungsausgleichsmodul 40 erkannt und wieder abgeschaltet bzw. getrennt wird. Wenn der Strom Null Ampere erreicht, wird wieder eingeschaltet bzw. verbunden. Dies führt zum Konzept eines kontrollierten Ladungstransfers zwischen Batteriemodulen 20 mittels Pulsweitenmodulation-Steuerung. Das HalbleiterSchaltmodul 60 wird eingeschaltet, bis ein kritischer Ausgleichsstrom erreicht ist (z.B. 250 A) und wird danach wieder ausgeschaltet. Dies wird so lange wiederholt, bis genügend Energie von einem Batteriemodul 20 auf das andere übertragen wurde, so dass ein permanenter Einschaltzustand des Halbleiter-Schaltmoduls 60 bzw. des entsprechenden Verbindungsmoduls 31, 32, 33 dazu führt, dass der Ausgleichsstrom unter dem kritischen Stromwert bleibt. Danach können die Batteriemodule 20 den Ladungsausgleich unter einer dauerhaften Verbindung beenden.

In einem Ausführungsbeispiel wird der Austausch eines Batteriemoduls 20, ein sogenanntes Hot-Swapping, in erleichterter Weise ermöglicht. Dabei muss das einzusetzende Batteriemodul 20 nicht mehr parallel auf genau die gleiche Spannung eines anderen Batteriemoduls 20 geladen werden, bevor es in die Batterievorrichtung 10 eingebaut werden kann. Stattdessen kann das unsymmetrisch geladene Batteriemodul 20 in der Batterievorrichtung 10 eingebaut werden, wonach ein den Verbindungsmodulen 31 und 33 zugeordnetes Ladungsausgleichsmodul 40 für einen kon-

trollierten Ladungsausgleich unter Begrenzung von Ausgleichsströmen sorgt.

Als weiteres Ausführungsbeispiel ist es auch möglich ist, Batteriemodule 20 parallel zu schalten, die eine unterschiedliche Anzahl von in Serie geschalteten Batteriezellen und damit unterschiedliche Nennspannungen haben. Betrachtet man beispielsweise zwei Batteriemodule 20 mit unterschiedlicher nomineller Serienanzahl z.B. 108 zu 122 Li-lonen-Batteriezellen mit einer Nennspannung von 3,7 V innerhalb eines Betriebsspannungsbereichs von 3,0 V - 4,2 V, ergeben sich unterschiedliche Spannungsbereiche der Batteriemodule 20 von 400 V zu 451 V Nennspannung innerhalb eines Betriebsspannungsbereichs von 324 V — 454 V zu 366 V —- 512 V. Wenn beide

Batteriemodule 20 mit den Nennspannungsniveaus verbunden werden sollen, be-

trägt die Spannungsdifferenz 51 V, was zu hohen Ladungsausgleichsströmen zwi-

schen den Batteriemodulen 20 führen würde. Durch einen kontrollierten Ladungs-

ausgleich mittels des Ladungsausgleichsmoduls 40 über ein Halbleiter-Schaltmodul

60 können die Batteriemodule 20 auf etwa 420 V ausgeglichen werden.

In einem Ausführungsbeispiel wird durch die Verbindungsmodulanordnung 30 darüber hinaus die Zuverlässigkeit der Batterievorrichtung 10 erhöht. Fällt ein Batteriemodul 20 aus, kann die Batterievorrichtung 10 während eines 400 V-Betriebs weiterhin mit wenigstens einem verbleibenden parallelgeschalteten Batteriemodul 20 betrieben werden. Auch ein Ladevorgang bei 400 V ist weiterhin möglich. Beispielsweise kann, wenn in der dargestellten Ausführungsform das Batteriemodul 20b ausfällt, das Verbindungsmodul 33 trennen und das Verbindungsmodul 32 verbinden. In diesem Fall kann die Batterievorrichtung 10 mit dem Batteriemodul 20b weiter betrieben

werden.

Ferner verfolgt die Schaltungsarchitektur der Batterievorrichtung 10 einen modularen Ansatz, bei dem weitere Batteriemodule 20n und Schaltungszweige der Verbindungsmodulanordnung 30 hinzugefügt werden können, um die Kapazität der Batterievorrichtung 10 weiter zu erhöhen.

In alternativen Ausführungsformen kann die in den Figuren 1 und 2 skizzierte Schaltungsstruktur dahingehend erweitert sein, dass zwischen einem Pol der Batterievorrichtung 10 und den gleichartigen Polen von jedem Batteriemodul jeweils eine zusätzlich schaltbare Verbindung vorgesehen ist. Durch diese erweiterte Schaltungsstruktur wird es möglich, ein beliebiges oder beliebige Batteriemodul(e) von der Batterievorrichtung 10 bzw. einem daran anliegenden Laststromkreis zu trennen, während alle anderen Batteriemodule 20 verbunden und in Betrieb bleiben, unabhängig von einem Schaltzustand in Bezug auf eine Parallelschaltung oder eine Serienschal-

tung der Batteriemodule 20.

In alternativen Ausführungsformen der Batterievorrichtung 10 können weniger Ladungsausgleichsmodule 40, beispielsweise eines für das Verbindungsmodul 31 oder 33 und eines für das Verbindungsmodul 32, oder ein zentrales Ladungsausgangsmodul 40 für die Verbindungsmodulanordnung 30 mit Signalverbindungen zu Stromsensoren 51 und zu den Halbleiter-Schaltmodulen 60 einzelner Verbindungs-

module 31, 32, 33 vorgesehen sein.

einen Ausgleichsstrom aktiv zu begrenzen.

In einer alternativen Ausführungsformen kann anstelle oder insbesondere zusätzlich zu dem Stromsensor ein Spannungssensor eingesetzt werden, der einen Spannungswert zu beiden Seiten eines Verbindungsmoduls 31, 32, 33 erfasst und mit ei-

nem Signaleingang des Kontrollmoduls 52 verbunden ist.

Die voranstehenden Erläuterungen zu der dargestellten Ausführungsform und zu Alternativen derselben beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsform und der genannten Alternativen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander

kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

15 Bezugszeichenliste 10 Batterievorrichtung 20 Batteriemodule 20a Batteriemodul 20b Batteriemodul 20n Batteriemodul 30 Verbindungsmodulanordnung 31 Verbindungsmodul 32 Verbindungsmodul 33 Verbindungsmodul 40 Ladungsausgleichsmodul 50 Kontrollmodul 51 Stromsensor/Spanungssensor 52 PWM-Einheit 60 Halbleiter-Schaltmodul Up Nennspannung parallelgeschaltet Us Nennspannung in Serie geschaltet

Claims

Patentansprüche 1. Batterievorrichtung (10) mit schaltbaren Batteriemodulen (20), aufweisend:

eine Vielzahl von Batteriezellen, die in wenigstens zwei Batteriemodulen (20a,

20b) jeweils angeordnet und elektrisch verbunden sind;

eine schaltbare Verbindungsmodulanordnung (30), die zwischen einer die wenigstens zwei Batteriemodule (20a, 20b) elektrisch parallel verbindenden Paralleistellung und einer die wenigstens zwei Batteriemodule (20a, 20b) elektrisch in Serie verbindenden Serienstellung schaltbar verbindet;

dadurch gekennzeichnet, dass

die schaltbare Verbindungsmodulanordnung (30) wenigstens ein Ladungsausgleichsmodul (40) für eine aktive Begrenzung eines Ladungsausgleichs von Ladungsträgern in Batteriezellen zwischen den wenigstens zwei Batteriemodulen (20a, 20b) aufweist.
2. Batterievorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das Ladungsausgleichsmodul (40) ein Kontrollmodul (50) zur Kontrolle des Ladungsausgleichs sowie einen mit dem Kontrollmodul (50) verbundenen Stromsensor und/oder einen Spannungssensor (51) zur Erfassung eines Stromwerts und/oder eines Spannungswerts an einer elektrischen Verbindung eines zugeordneten Verbindungsmoduls (31, 32, 33) zwischen den wenigstens zwei Batteriemodulen (20a, 20b)

umfasst.
3. Batterievorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei das Kontrollmodul (50) eine PWM-Einheit (52) umfasst, die eine Pulsweitenmodulation zur Kontrolle des ak-

tiven Ladungsausgleichs ausgibt.
4. Batterievorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ladungsausgleichsmodul (40) ein Halbleiter-Schaltmodul (60) zum Ein- und Ausschalten einer elektrischen Verbindung in einem zugeordneten Verbindungsmodul (31, 32, 33) zwischen den wenigstens zwei Batteriemodulen (20a, 20b) umfasst.
5. Batterievorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei das Ein- und Ausschalten des Halbleiter-Schaltmoduls (60) an ein Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation der PWM-Einheit (52) gekoppelt ist.
barten Batteriemodule (20) zugeordnet ist.
7. Batterievorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die schaltbare Verbindungsmodulanordnung (30) ferner eine Austausch/Notbetriebs-Stellung aufweist, in der die Verbindungsmodulanordnung (30) wenigstens eine von der wenigstens einen anderen der wenigstens zwei Batte-

riemodule (20a, 20b) schaltbar trennt.
8. Batterievorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterievorrichtung (10) Batteriemodulaufnahmen aufweist, in denen die wenigstens zwei Batteriemodule (20a, 20b) reversibel in der Batterievorrichtung (10) aufgenommen sind; sowie elektrische Schnittstellen, durch welche die wenigstens zwei Batteriemodule (20a, 20b) mechanisch reversibel mit der Batte-

rievorrichtung (10) elektrisch verbindbar sind.
9. Batterievorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine Anzahl von Batteriezellen, die in einem der wenigstens zwei Batteriemodule (20a, 20b) in Serienschaltung elektrisch verbunden sind, von einer Anzahl von Batteriezellen, die in einem anderen der wenigstens zwei Batteriemodule (20a, 20b) in Serienschaltung elektrisch verbunden sind, unterscheidet.
10. Batterievorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine Anzahl von Batteriezellen, die in einem der wenigstens zwei Batteriemodule (20a, 20b) in Parallelschaltung elektrisch verbunden sind, von einer Anzahl von Batteriezellen, die in einem anderen der wenigstens zwei Batteriemodule (20a, 20b) in Parallelschaltung elektrisch verbunden sind, unter-
scheidet.
12. Verfahren zur Schaltung von Batteriemodulen (20) einer Batterievorrichtung (10) mit einer schaltbaren Verbindungsmodulanordnung (30) und einem Ladungsausgleichsmodul (40), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:

Verbinden von Batteriemodulen (20) in der Batterievorrichtung (10), in denen jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen angeordnet und elektrisch verbunden ist, durch die schaltbare Verbindungsmodulanordnung (30), in einer elektrisch parallel verbindenden Parallelstellung oder in einer elektrisch in Serie verbin-

denden Serienstellung der schaltbaren Verbindungsmodulanordnung (30);

Durchführen und aktives Begrenzen eines Ladungsausgleichs von Ladungsträgern in Batteriezellen zwischen den Batteriemodulen (20) durch das Ladungs-

ausgleichsmodul (40).
13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit einem Kontrollmodul (50), aufweisend die Schritte:

Erfassen eines Ausgleichsstroms des Ladungsausgleichs zwischen den Batte-

riemodulen (20) durch das Kontrollmodul (50); und

Begrenzen des Ausgleichsstroms durch das Ladungsausgleichsmodul (40) derart, dass der Ausgleichsstrom einen oberen Schwellwert nicht übersteigt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, ferner mit dem Schritt:

Aufheben eines Begrenzens des Ausgleichsstroms des Ladungsausgleichs durch das Ladungsausgleichsmodul (40), falls der Ausgleichsstrom einen unte-

ren Schwellwert unterschreitet.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, ferner mit einer PWM-Einheit (52), aufweisend die Schritte:

Ausgeben einer Pulsweitenmodulation durch die PWM-Einheit (52),
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die PWM-Einheit (52) in Bezug zu einer Taktung Einschaltzeiten der Pulsweitenmodulation verkürzt und/oder Ausschaltzeiten verlängert, je höher ein von einem Stromsensor und/oder dem Spannungssensor (51) erfasster Stromwert und/oder Spannungswert ist, und umgekehrt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Ladungsausgleichsmodul (40) den Ladungsausgleichs durchführt und aktiv begrenzt, wenn ein Batteriemodul (20) in der Batterievorrichtung (10) ausgetauscht wird und mittels der schaltbaren Verbindungsmodulanordnung (30) mit einem anderen Batteriemodul (20) in der elektrisch in Serie verbindenden Serienstellung

schaltbar verbunden wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, ferner mit dem Schritt:

paarweises Verbinden von jeweils zwei Batteriemodulen (20) in der Batterievorrichtung (10) durch die schaltbare Verbindungsmodulanordnung (30), in der elektrisch in Serie verbindenden Serienstellung der schaltbaren Verbindungsmodulanordnung (30), wenn an der Batterievorrichtung (10) eine Ladeleistung bereitgestellt wird, deren Ladespannung doppelt so hoch wie eine Nomi-

nalspannung eines Batteriemoduls (20) ist.