DE102009028959A1

DE102009028959A1 - Batteriesystem

Info

Publication number: DE102009028959A1
Application number: DE102009028959A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann; Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem. Ein erfindungsgemäßes Batteriesystem (1) umfasst mindestens zwei kombinierte Hochsetz-/Tiefsetzsteller (2) und mindestens zwei Batteriemodule (3), wobei auf einer Eingangsseite an einem ersten Eingang (4a) des jeweiligen Hochsetz-/Tiefsetzstellers ein Batteriemodul (3) elektrisch angeschlossen ist und wobei auf einer Ausgangsseite des jeweiligen Hochsetz-/Tiefsetzstellers (2) die mindestens zwei Hochsetz-/Tiefsetzsteller (2) in Reihe geschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem.
Stand der Technik
In Zukunft werden sowohl bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen, beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen, die hohe Anforderungen bzgl. der Zuverlässigkeit erfüllen müssen. Diese hohen Anforderungen begründen sich damit, dass ein Ausfall des Batteriesystems zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann (z. B. führt bei einem Elektrofahrzeug Ausfall einer Traktionsbatterie zu einem sog. „Liegenbleiber”) oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann (bei Windkraftanlagen werden beispielsweise Batteriesysteme eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen).
Es ist bekannt, eine von einer Batterie erzeugte Spannung mittels eines Konverters in eine höhere oder niedrigere Gleichspannung umzuwandeln. Es sind verschiedene Schaltungen bekannt, um einen derartigen Konverter zu realisieren.
1 zeigt das Prinzipschaltbild eines konventionellen Hochsetzstellers („Boost Converter”). Der Hochsetzsteller umfasst eine Induktivität 20, eine Freilaufdiode 21a und eine Kapazität 23. Die Induktivität ist in Reihe mit der Freilaufdiode 21a zwischen einem ersten Eingang 25a auf einer Eingangsseite des Konverters und einem ersten Ausgang 26a auf eine Ausgangsseite des Konverters geschaltet. Die Kapazität 23 ist zwischen Freilaufdiode 21a und ersten Ausgang 26a parallel zu dem ersten Ausgang 26a und einem zweiten Ausgang 26b des Konverters geschaltet. Des Weiteren umfasst der Hochsetzsteller einen Schalter 22a, der zwischen Induktivität 20 und Freilaufdiode 21 ebenfalls parallel zum ersten Ausgang 26a und zweitem Ausgang 26b beziehungsweise zum ersten Eingang 25a und zum zweiten Eingang 25b geschaltet ist.
An den Hochsetzsteller ist eingangsseitig an dem ersten Eingang 25a und dem zweiten Eingang 25b eine Energiequelle 24 angeschlossen, die eine Gleichspannung liefert.
Der Hochsetzsteller funktioniert wie folgt: Beim Schließen des Schalters 22a wird zunächst in der Induktivität 20 ein ansteigender Strom erzeugt. Beim Öffnen des Schalters 22a fließt dieser Strom durch die Freilaufdiode 21a und erzeugt an der Kapazität 23 eine Spannung, die größer ist als die durch die Energiequelle 24 zur Verfügung gestellte Eingangsspannung. Diese erhöhte Spannung kann über den ersten Ausgang 26a und dem zweiten Ausgang 26b als Ausgangsspannung abgegriffen werden.
2 zeigt die Erweiterung des in 1 gezeigten Hochsetzstellers zu einem kombinierten Hochsetz-/Tiefsetzsteller („Buck-Boost-Converter”). Zusätzlich zum in 1 gezeigten Hochsetzsteller wird parallel zur Freilaufdiode 21a ein weiterer, zweiter Schalter 22b geschaltet. Des Weiteren ist zusätzlich zwischen Induktivität 20 und Freilaufdiode 21a parallel zur Kapazität 23 und zum ersten Schalter 22a eine weitere, zweite Freilaufdiode 21b geschaltet.
Der kombinierte Hochsetz-/Tiefsetzsteller ermöglicht es, über Anlegen einer Spannung an den Ausgängen 26a, 26b die an den Eingängen 25a, 25b angeschlossene Energiequelle 24 zu laden. Zu diesem Zweck wird der erste Schalter 22a geöffnet gelassen und der zweite Schalter 22b periodisch geöffnet und geschlossen. Bei geschlossenen zweiten Schalter 22b fließt ein Strom durch den zweiten Schalter 22b und die Induktivität 20, bei geöffnetem zweiten Schalter 22b fließt ein Strom durch die zweite Diode 21b und die Induktivität 20, wodurch die Energiequelle 24 geladen wird.
Die in 2 gezeigte Schaltung ist Stand der Technik. Die Schaltung wird dazu genutzt, um die Spannung einer Batterie, die mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen aufweist, in eine höhere Spannung zu wandeln oder um die Batterie zurückzuladen. Nachteilig an einer derartigen Schaltung ist, dass bei hohen Spannungen für den Hochsetz-/Tiefsetzsteller Komponenten eingesetzt werden müssen, die für solche hohe Spannungen ausgelegt sind. Als Schalter 22a, 22b müssen beispielsweise IGBT-Leistungsschalter („insulated-gate bipolar transistor”) eingesetzt werden. Die Folge ist ein schlechter Wirkungsgrad und hohe Verlustleistungen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Batteriesystem, das mindestens zwei kombinierte Hochsetz-/Tiefsetzsteller und mindestens zwei Batteriemodule umfasst, wobei auf einer Eingangsseite an einem ersten Eingang des jeweiligen Hochsetz-/Tiefsetzstellers ein Batteriemodul elektrisch angeschlossen ist und wobei auf einer Ausgangsseite des jeweiligen Hochsetz-/Tiefsetzstellers die mindestens zwei Hochsetz-/Tiefsetzsteller in Reihe geschaltet sind.
Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass eingangsseitig der Hochsetz-/Tiefsetzsteller eine Vielzahl von Batteriemodulen parallel geschaltet werden können, welche jeweils eine bedeutend geringere Klemmspannung aufweisen, als eine Serienschaltung der Batteriemodule. Dies ermöglicht es, für den Hochsetz-/Tiefsetzsteller Komponenten zu verwenden, die für geringere Spannungen ausgelegt sind. Der Wirkungsgrad einer derartigen Schaltung kann auf diese Weise erhöht werden und Verlustleistungen reduziert werden. Indem die Hochsetz-/Tiefsetzsteller ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind, ergibt sich ausgangsseitig eine gewünschte hohe Gesamtspannung als Summe der von den einzelnen Hochsetz-/Tiefsetzstellern erzeugten Ausgangsspannungen. Durch geeigneten Ansteuerung der Hochsetz-/Tiefsetzsteller kann zudem je nach Betriebssituation die Gesamtspannung auf den geeigneten Wert eingestellt werden. Außerdem ist die Ausgangsspannung unabhängig von der Zahl der auf der Eingangsseite angeschlossenen Batteriemodule. Dadurch kann die Auslegung des Batteriesystems rein nach Energie- und Leistungskriterien unabhängig von der für die jeweilige Anwendung geforderten Gesamtspannung erfolgen.
Ein weiterer Vorteil der niedrigeren Spannung auf den Eingangsseiten der Hochsetz-/Tiefsetzsteller ist, dass ein besonderer Umgang mit den Batteriemodulen entfallen kann, was beispielsweise den Austausch einzelner Batteriemodule oder Bestandteile der Batteriemodule, wie Batteriezellen, vereinfacht.
Neben der Möglichkeit, auf der Ausgangsseite der Hochsetz-/Tiefsetzsteller eine gewünschte Spannung abzugreifen, ist es ebenfalls möglich, über Anlegen einer Spannung an der Ausgangsseite der Hochsetz-/Tiefsetzsteller die Batteriemodule zu laden.
Eine geringere Spannung an der Eingangsseite der Hochsetz-/Tiefsetzsteller ermöglicht insbesondere die Verwendung von Komponenten mit einer geringeren Sperrspannung. Beispielsweise können als Schalter Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) und als Dioden Schottky-Dioden eingesetzt werden, was erfindungsgemäß bevorzugt ist. Der Einsatz derartiger Bauelemente ermöglicht den Übergang zu höheren Schaltfrequenzen und kleineren Spulenkernen. Des Weiteren kann eine derartige Schaltung kostengünstig aufgebaut werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Ausführungsform, die durch eine Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen.
Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines bekannten Hochsetzsteller,
2 ein Prinzipschaltbild eines bekannten kombinierten Hochsetz-/Tiefsetzstellers, und
3 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 3 zeigt das Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1.
Das Batteriesystem 1 umfasst drei kombinierte Hochsetz-/Tiefsetzsteller 2 und drei Batteriemodule 3. Jeder Hochsetz-/Tiefsetzsteller 2 weist auf eine Eingangsseite einen ersten Eingang 4a und einen zweiten Eingang 4b auf, und auf einer Ausgangsseite einen ersten Ausgang 5a und einen zweiten Ausgang 5b auf. Jeweils ein Batteriemodul 3 ist mit einem Pol an dem ersten Eingang 4a und mit dem anderen Pol an dem zweiten Eingang 4b an einem Hochsetz-/Tiefsetzsteller 2 elektrisch angeschlossen, so dass auf der Eingangsseite der Hochsetz-/Tiefsetzsteller 2 jeweils die durch ein Batteriemodul 3 erzeugte Spannung anliegt.
Jeder Hochsetz-/Tiefsetzsteller 2 umfasst eine Induktivität 10, hier eine Spule, eine Kapazität 11, hier einen Kondensator, einen ersten Schalter 9a, einen zweiten Schalter 9b, eine erste Diode 6a und eine zweite Diode 6b. Die Induktivität 10 und die erste Diode 6a sind zwischen dem ersten Eingang 4a und dem ersten Ausgang 5a in Reihe geschaltet. Der erste Schalter 9a, die zweite Diode 6b und die Kapazität 11 sind zum ersten Eingang 4a und zweiten Eingang 4b und zum ersten Ausgang 5a und zum zweiten Ausgang 5b parallel geschaltet, der erste Schalter 9a und die zweite Diode 6b zwischen der Induktivität 10 und der ersten Diode 6a, die Kapazität 11 zwischen der ersten Diode 6a und dem ersten Ausgang 5a. Der zweite Schalter 9b ist parallel zur ersten Diode 6a zwischen Induktivität 10 und erstem Ausgang 5a geschaltet.
Jeweils ein Batteriemodul 3 umfasst mehrere Batteriezellen 7. Die Batteriezellen 7 sind in Reihe geschaltet, so dass sich deren Ausgangsspannung summiert. Alternativ kann ein Batteriemodul 3 nur eine einzige Batteriezelle 7 umfassen. Des Weitern kann zumindest ein Teil der Batteriezellen eines Batteriemoduls 3 parallel geschaltet sein.
Die drei Hochsetz-/Tiefsetzsteller 2 sind auf ihre Ausgangsseite durch eine elektrische Verbindung der ersten Ausgänge 5a und der zweiten Ausgänge 5b in Reihe geschaltet, so dass sich die an der Ausgangsseite anliegender Ausgangsspannung als Summe der einzelnen Ausgangsspannungen der Hochsetz-/Tiefsetzsteller 2 ergibt. Die summierte Ausgangsspannung kann über dem ersten Ausgang 5a und dem zweiten Ausgang 5b der beiden äußeren Hochsetz-/Tiefsetzsteller 2 abgegriffen werden.
Die Batteriezellen sind in diesem Ausführungsbeispiel als Akkumulator ausgebildet, der wieder aufladbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Batteriezelle 7 eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem 1 ermöglicht es, durch eine geeignete Wahl der Anzahl von Hochsetz-/Tiefsetzstellern die durch die Batteriemodule 3 erzeugte Spannung auf der Eingangsseite der Hochsetz-/Tiefsetzsteller am jeweiligen Hochsetz-/Tiefsetzsteller 2 zu reduzieren. Dies ermöglicht für einen Hochsetz-/Tiefsetzsteller die Verwendung von Komponenten, die nur für geringere Spannungen ausgelegt seien müssen, insbesondere geringere Sperrspannungen aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel werden für die erste Diode 6a und die zweite Diode 6b Schottky-Dioden verwendet, für den ersten Schalter 9a und den zweiten Schalter 9b werden MOSFET-Schalter verwendet.
Ein derartiges Batteriesystem eignet sich beispielsweise als Bestandteil einer Energieversorgung für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise für den Antrieb eines Elektromotors des Kraftfahrzeugs. Andere Verwendungen sind selbstverständlich ebenfalls möglich.

Claims

Batteriesystem (1), umfassend mindestens zwei kombinierte Hochsetz-/Tiefsetzsteller (2) und mindestens zwei Batteriemodule (3), wobei auf einer Eingangsseite an einem ersten Eingang (4a) des jeweiligen Hochsetz-/Tiefsetzstellers ein Batteriemodul (3) elektrisch angeschlossen ist und wobei auf einer Ausgangsseite des jeweiligen Hochsetz-/Tiefsetzstellers (2) die mindestens zwei Hochsetz-/Tiefsetzsteller (2) in Reihe geschaltet sind.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Hochsetz-/Tiefsetzsteller (2) auf ihrer Eingangsseite jeweils einen zweiten Eingang (4b) aufweisen, und ein Batteriemodul (3) mit einem ersten Pol an einem ersten Eingang (4a) und mit einem zweiten Pol an einem zweiten Eingang (4b) jeweils eines Hochsetz-/Tiefsetzstellers (2) elektrisch angeschlossen ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Batteriemodul (3) mindestens eine Batteriezelle (7), vorzugsweise eine Mehrzahl von Batteriezellen (7) umfasst.
Batteriesystem nach Anspruch 3, wobei die gegebenenfalls mehreren Batteriezellen (7) zumindest teilweise in Reihe geschaltet sind.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein kombinierte Hochsetz-/Tiefsetzsteller (2) mindestens zwei Sperrelemente (6a, 6b, 9a, 9b), beispielsweise eine Diode oder einen Transistor, aufweist.
Batteriesystem nach Anspruch 5, wobei ein Sperrelement (6a, 6b, 9a, 9b) eine Schottky-Diode oder ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist.