DE102009027836A1

DE102009027836A1 - Serienschaltung von Schaltreglern zur Energieübertragung in Batteriesystemen

Info

Publication number: DE102009027836A1
Application number: DE102009027836A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch Battery Systems GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2011-01-27
Also published as: WO2011009689A2; WO2011009689A3

Abstract

Ein Energieübertrager für ein Batteriesystem, ein Batteriesystem mit einem solchen Energieübertrager und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem. Der Energieübertrager umfasst eine Mehrzahl von DC/DC-Umsetzern mit jeweils einem ersten und einem zweiten Eingang und einem ersten und einem zweiten Ausgang, wobei die ersten und zweiten Eingänge für das Anschließen eines Batteriemoduls ausgebildet sind, wobei die DC/DC-Umsetzer ausgangsseitig in Serie geschaltet sind und wobei die DC/DC-Umsetzer als Buck-Boost-Konverter ausgeführt sind.

Description

Stand der Technik
Es besteht ein wachsender Bedarf an Batteriesystemen, welche in stationären Anwendungen wie Windkraftanlagen und Notstromsystemen oder aber in Fahrzeugen zum Einsatz kommen sollen. Alle diese Anwendungen stellen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit. Der Grund hierfür ist, dass ein vollständiger Ausfall der Spannungsversorgung durch das Batteriesystem zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann. So werden bei Windkraftanlagen Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Rotorblätter zu verstellen und die Anlage vor übermäßigen mechanischen Belastungen zu schützen, die die Windkraftanlage beschädigen oder sogar zerstören könnten. Im Falle des Ausfalls der Batterie eines Elektroautos würde dieses fahruntüchtig. Ein Notstromsystem wiederum soll gerade den unterbrechungsfreien Betrieb z. B. eines Krankenhauses sicherstellen und daher selbst möglich nicht ausfallen können.
Um die für die jeweilige Anwendung geforderte Leistung und Energie zur Verfügung stellen zu können, werden einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild für eine Serienschaltung von Batterien. Eine Vielzahl von Batteriezellen 10-1 bis 10-n sind in Serie geschaltet, um die beispielsweise in einem PKW für den Elektromotor erforderliche hohe Betriebsspannung durch Summierung der Spannung der Einzelzellen 10-1, ..., 10-n zu erreichen. Die hohe Betriebsspannung kann durch ausgangsseitige Schalter 11-1 und 11-2 von den folgenden, nicht dargestellten leistungselektronischen Bauelementen wie Wechselrichtern abgekoppelt werden. Da der gesamte Ausgangsstrom der Batterie aufgrund der Serienschaltung der Batteriezellen 10-1, ..., 10-n in jeder der Batteriezellen 10-1, ..., 10-n fließt, wobei der Ladungstransport durch elektrochemikalische Prozesse innerhalb der Batteriezellen 10-1, ..., 10-n geschieht, bedeutet der Ausfall einer einzigen Batteriezelle im Extremfall, dass die Gesamtanordnung keinen Strom und damit keine elektrische Energie mehr bereitstellen kann. Um einen drohenden Ausfall einer Batteriezelle 10-1, ..., 10-n rechtzeitig erkennen zu können, wird gewöhnlich ein sog. Batterie-Managementsystem 12 verwendet, welches mit beiden Polen jeder der Batteriezellen 10-1, ..., 10-n verbunden oder verbindbar ist und in regelmäßigen oder wählbaren Abständen Betriebsparameter wie Spannung und Temperatur jeder Batteriezelle 10-1, ..., 10-n und daraus deren Ladezustand (State of Charge, SoC) bestimmt. Dies bedeutet einen hohen Aufwand bei gleichzeitig geringer Flexibilität der elektrischen Betriebsdaten des Batteriesystems.
Weitere Nachteile der Serienschaltung einer Vielzahl von Batteriezellen sind:

1. Für unterschiedliche Betriebszustände der mit der Batterie zu betreibenden Einrichtung werden Bedingungen für die bereitzustellende Betriebsspannung, den maximalen Strom und die gespeicherte Energie gestellt, welche sich nur dann vereinen lassen, wenn eine höhere Zahl von Batteriezellen gekoppelt wird, als zur Erfüllung der einzelnen Anforderungen eigentlich notwendig wäre. Dies erhöht den Preis und das insbesondere bei einem Elektroauto störende Gewicht und Volumen des Batteriesystems.
2. Die Montage der Batterie, also das Zusammenschalten der einzelnen Zellen, erfolgt wegen der durch die Serienschaltung summierten Spannungen der einzelnen Batteriezellen bei hohen Spannungen bis 1000 V, weshalb ein Austausch der Batterie, einzelner Zellen oder Module nicht in örtlichen Werkstätten bzw. im Falle einer stationären Anwendung nur mit Spezialwerkzeug von besonders ausgebildeten Fachkräften vorgenommen werden kann. Dadurch ergibt sich ein hoher logistischer Aufwand für die Wartung von Batteriesystemen im Fehlerfall.
3. Um das Batteriesystem spannungsfrei zu schalten, d. h. die eigentliche Batterie von der Last zu trennen, müssen Leistungsschalter 11-1 und 11-2 vorgesehen werden, welche typischerweise als Schütze ausgeführt und welche für die zu erwartenden hohen Ströme und Spannungen sehr teuer sind.

Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine Vorrichtung einzuführen, die die obengenannten Nachteile des Standes der Technik überwinden kann.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Energieübertrager für ein Batteriesystem, der eine Mehrzahl von DC/DC-Umsetzern mit jeweils einem ersten und einem zweiten Eingang und einem ersten und einem zweiten Ausgang umfasst. Die ersten und zweiten Eingänge der DC/DC-Umsetzer sind für das Anschließen eines Batteriemoduls ausgebildet. Die DC/DC-Umsetzer sind ausgangsseitig in Serie geschaltet und als Buck-Boost-Konverter ausgebildet.
Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass die Wahl einer je nach Betriebssituation geeigneten Gesamtspannung möglich wird, da die Ausgangsspannung der einzelnen DC/DC-Umsetzer nach bekannter Art eingestellt werden kann. Außerdem wird die Ausgangsspannung unabhängig von der Zahl der primärseitig angeschlossenen Batteriezellen. Dadurch kann die Auslegung des Batteriesystems rein nach Energie- und Leistungskriterien unabhängig von der für die jeweilige Anwendung geforderten Gesamtspannung erfolgen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die teuren Schütze 11-1 und 11-2 entfallen können, weil die Hochspannung am Batterieausgang durch Abschalten der DC/DC-Umsetzer auf einfache Weise abgeschaltet werden kann.
Der zweite Ausgang jeweils eines DC/DC-Umsetzers kann mit dem zweiten Eingang des jeweils einen DC/DC-Umsetzers direkt verbunden sein.
Bei einer bevorzugten Ausführung des Energieübertragers verfügen die DC/DC-Umsetzer jeweils über eine Spule, über erste bis vierte Schalter und einen Kontroller für das Steuern der ersten bis vierten Schalter verfügen, wobei der erste Schalter zwischen den ersten Eingang und einen ersten Anschluss der Spule, der zweite Schalter zwischen den ersten Anschluss der Spule und den zweiten Eingang, der dritte Schalter zwischen einen zweiten Anschluss der Spule und den zweiten Eingang und der vierte Schalter zwischen den zweiten Anschluss der Spule und den ersten Ausgang geschaltet sind. Diese Ausführung eines Buck-Boost-Konverters ist von schaltungstechnisch geringer Komplexität und erlaubt eine einfache Steuerung der zu erzeugenden Ausgangsspannung.
Besonders bevorzugt weist hierbei jeder Kontroller einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal auf und ist ausgebildet, auf den Empfang des ersten Steuersignals hin den ersten Ausgang des DC/DC-Umsetzers mit dem zweiten Ausgang des DC/DC-Umsetzers durch Schließen des dritten Schalters und des vierten Schalters elektrisch zu verbinden und den ersten Eingang des DC/DC-Umsetzers durch Öffnen des ersten Schalters abzukoppeln. Diese Ausführungsform erlaubt es, einen DC/DC-Umsetzer im Betrieb selektiv auszuschalten, etwa weil eine Batteriezelle des eingangsseitig angeschlossenen Batteriemoduls defekt ist. Durch das Schließen des dritten Schalters werden der erste und der zweite Ausgang des ausgefallenen DC/DC-Umsetzers leitend miteinander verbunden, so dass in der Gesamtanordnung weiterhin ein Ausgangsstrom fließen kann. Um das Batteriemodul nicht über die Spule kurzzuschließen, wird es gleichzeitig durch Öffnen des ersten Schalters abgekoppelt. Diese Ausführungsform erlaubt daher den Weiterbetrieb der Vorrichtung trotz des Ausfalls einer oder mehrerer Batteriezellen. Außerdem wird ggf. der Austausch eines Batteriemoduls im laufenden Betrieb möglich, ohne dass die Erzeugung der Gesamtspannung unterbrochen werden muss.
Bei einer Fortführung der beiden letztgenannten Ausführungsvarianten verfügt jeder der DC/DC-Umsetzer über einen zweiten Steuereingang für ein zweites Steuersignal und ist ausgebildet, auf den Empfang des zweiten Steuersignals eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang des DC/DC-Umsetzers zu erhöhen. Dadurch wird es möglich, einer Senkung der Gesamtspannung durch die bereits beschriebene Abschaltung eines einzelnen DC/DC-Umsetzers entgegenzuwirken, so dass weiterhin eine wenigstens näherungsweise unveränderte Gesamtspannung von der verringerten Anzahl DC/DC-Umsetzer bereitgestellt wird. Auch ist es möglich, die Gesamtspannung bei gleichbleibender Anzahl von DC/DC-Umsetzern zu erhöhen und so an eine andere Betriebssituation anzupassen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt ein Batteriesystem mit einem Energieübertrager gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und einer Mehrzahl von Batteriemodulen ein. Die Batteriemodule verfügen jeweils über wenigstens eine Batteriezelle. Die Batteriepole der Batteriemodule sind mit einem entsprechenden Eingang der ersten und zweiten Eingänge eines DC/DC-Umsetzer des Energieübertragers lösbar verbunden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Energieübertrager gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
Kurzbeschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Batterie mit Batteriemanagementsystem nach dem Stand der Technik;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 ein Schaltbild eines als Buck-Boost-Konverter ausgeführten DC/DC-Umsetzers.
Ausführliche Beschreibung der Abbildungen
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Beispiel sind drei DC/DC-Umsetzer 21-1, 21-2, 21-3 zu sehen, in realen Anwendungen kann deren Zahl jedoch deutlich höher liegen. Jeder der DC/DC-Umsetzer 21-1, 21-2, 21-3 ist eingangsseitig mit einem Batteriemodul 20-1, 20-2, 20-3 verbunden, welche im Beispiel jeweils eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriezellen aufweisen. Wie in 2 zu sehen, werden erfindungsgemäß die Ausgänge der DC/DC-Umsetzer 21-1, 21-2, 21-3 in Serie geschaltet, so dass sich die Gesamtspannung zwischen den Ausgängen 22-1 und 22-2 der Anordnung als Summe der von den DC/DC-Umsetzern 21-1, 21-2, 21-3 erzeugten Einzelspannungen ergibt. Die DC/DC-Umsetzer 21-1, 21-2, 21-3 sind in bekannter Weise aufgebaut und erlauben ein Einstellen der an den ersten und zweiten Ausgängen eines jeden DC/DC-Umsetzers 21-1, 21-2, 21-3 anliegenden Ausgangsspannung oder auch das Abschalten der DC/DC-Umsetzer 21-1, 21-2, 21-3, so dass keine DC/DC-Umsetzung mehr stattfindet. Dadurch kann die Gesamtspannung an den Ausgängen 22-1 und 22-2 flexibel an die jeweilige Betriebssituation angepasst werden, was einen der Vorteile der Erfindung darstellt. Strichlierte Linien innerhalb der DC/DC-Umsetzer 21-1, 21-2, 21-3 deuten die elektrisch leitende Verbindung zwischen jeweils einem Eingang und einem Ausgang der DC/DC-Umsetzer 21-1, 21-2, 21-3 hin.
3 zeigt ein Schaltbild eines bekannten als Buck-Boost-Konverter ausgeführten DC/DC-Umsetzers 31. Zwischen einen ersten Eingang 32-1 und einen zweiten Eingang 32-2 kann ein Batteriemodule 30 mit einer oder mehreren Batteriezellen 30-1 bis 30-n lösbar angeschlossen werden. Der DC/DC-Umsetzer 31 verfügt über erste bis vierte Schalter S1, S2, S3, S4 und eine Spule L1. Der DC/DC-Umsetzer besitzt einen ersten und einen zweiten Ausgang 33-1, 33-2 und ist ausgebildet, zwischen diesen Ausgängen 33-1, 33-2 eine Gleichspannung zu erzeugen, deren Betrag nach bekannter Weise durch Wählen der Schaltperioden der ersten bis vierten Schalter S1, S2, S3, S4 unabhängig von der Gleichspannung des Batteriemoduls 30 einstellbar ist. Im einfachsten Fall wird der Buck-Boost-Konverter abwechselnd in zwei verschiedenen Zuständen betrieben. In einem Ladezustand werden der erste Schalter S1 und der dritte Schalter S3 geschlossen (also in den leitenden Zustand gebracht) und der zweite Schalter S2 und der vierte Schalter S4 geöffnet (also in den nicht-leitenden Zustand gebracht). Aus dem Batteriemodul 30 fließt in der Folge ein Strom durch die Spule L1, welcher ein Magnetfeld in der Spule L1 aufbaut. In einem Entladevorgang werden nun der erste Schalter S1 und der dritte Schalter S3 geöffnet und der zweiten Schalter S2 und der vierten Schalter S4 geschlossen. Dadurch wird das Batteriemodul 30 von der Spule L1 getrennt und deren Eingang mit dem Minuspol des Batteriemoduls 30 und deren Ausgang mit dem ersten Ausgang 33-1 verbunden. Da die Spule L1 der Änderung des durch sie fließenden Stromes entgegenwirkt, speist sie aus ihrem Magnetfeld einen Ausgangsstrom und baut es dabei ab. Wird dieser Prozess schnell wiederholt, stellt sich zwischen den Ausgängen 33-1, 33-2 eine Gleichspannung ein, deren Größe unter anderem von der Häufigkeit der Wiederholung abhängig ist.
Nicht dargestellt ist ein Kontroller, der die Taktung der Schalters S1 bis S4 an die Betriebssituation anpasst. Auch ist es üblich, dass eine Rückkopplung vorgesehen wird, bei der die an den Ausgängen 33-1, 33-2 anliegende Ausgangsspannung bestimmt und zur Anpassung der Taktung der Schalter S1 bis S4 verwendet wird, so dass sich eine möglichst stabile Ausgangsspannung ergibt. Zur besseren Glättung der Ausgangsspannung kann zwischen den Ausgängen 33-1, 33-2 ein Pufferkondensator vorgesehen sein. Im Rahmen der Erfindung erlauben diese Eigenschaften von DC/DC-Umsetzern die Einstellung einer je nach Betriebssituation gewünschten Gesamtspannung der erfindungsgemäßen Anordnung oder auch das Abschalten eines oder aller DC/DC-Umsetzer.

Claims

Ein Energieübertrager für ein Batteriesystem, der Energieübertrager umfassend eine Mehrzahl von DC/DC-Umsetzern (21-1, 21-2, 21-3, 31) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Eingang (32-1, 32-2) und einem ersten und einem zweiten Ausgang (33-1, 33-2), wobei die ersten und zweiten Eingänge (32-1, 32-2) für das Anschließen eines Batteriemoduls (20-1, 20-2, 20-3, 30) ausgebildet sind und wobei die DC/DC-Umsetzer (21-1, 21-2, 21-3, 31) ausgangsseitig in Serie geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Umsetzer (21-1, 21-2, 21-3, 31) als Buck-Boost-Konverter ausgeführt sind.
Der Energieübertrager von Anspruch 1, bei dem der zweite Ausgang (33-2) jeweils eines DC/DC-Umsetzers (21-1, 21-2, 21-3, 31) mit dem zweiten Eingang (32-2) des jeweils einen DC/DC-Umsetzers (21-1, 21-2, 21-3, 31) direkt verbunden ist.
Der Energieübertrager von einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die DC/DC-Umsetzer (21-1, 21-2, 21-3, 31) jeweils über eine Spule (L1), über erste bis vierte Schalter (S1, S2, S3, S4) und einen Kontroller für das Steuern der ersten bis vierten Schalter (S1, S2, S3, S4) verfügen, wobei der erste Schalter (S1) zwischen den ersten Eingang (32-1) und einen ersten Anschluss der Spule (L1), der zweite Schalter (S2) zwischen den ersten Anschluss der Spule (L1) und den zweiten Eingang (32-2), der dritte Schalter (S3) zwischen einen zweiten Anschluss der Spule (L1) und den zweiten Eingang (32-2) und der vierte Schalter (S4) zwischen den zweiten Anschluss der Spule (L1) und den ersten Ausgang (33-1) geschaltet sind.
Der Energieübertrager von Anspruch 3, bei dem jeder Kontroller einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal aufweist und ausgebildet ist, auf den Empfang des ersten Steuersignals hin den ersten Ausgang (33-1) des DC/DC-Umsetzers (21-1, 21-2, 21-3, 31) mit dem zweiten Ausgang (33-2) des DC/DC-Umsetzers (21-1, 21-2, 21-3, 31) durch Schließen des dritten Schalters (S3) und des vierten Schalters (S4) elektrisch zu verbinden und den ersten Eingang (32-1) des DC/DC-Umsetzers (21-1, 21-2, 21-3, 31) durch Öffnen des ersten Schalters (S1) abzukoppeln.
Der Energieübertrager von einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem jeder Kontroller einen zweiten Steuereingang für ein zweites Steuersignal aufweist und ausgebildet ist, auf den Empfang des zweiten Steuersignals hin eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang (33-1, 33-2) des DC/DC-Umsetzers (21-1, 21-2, 21-3, 31) zu erhöhen.
Ein Batteriesystem mit einem Energieübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Mehrzahl von Batteriemodulen (20-1, 20-2, 20-3, 30-1 ... 30-n), welche jeweils über wenigstens eine Batteriezelle verfügen und deren Batteriepole mit einem entsprechenden Eingang der ersten und zweiten Eingänge (32-1, 32-2) eines DC/DC-Umsetzer (21-1, 21-2, 21-3, 31) des Energieübertragers lösbar verbunden sind.
Ein Kraftfahrzeug mit einem Energieübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5.