DE102009040236A1

DE102009040236A1 - Batteriesystem

Info

Publication number: DE102009040236A1
Application number: DE102009040236A
Authority: DE
Inventors: Andreas Werner; Udo Hallmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-03-10
Also published as: WO2011026575A2; WO2011026575A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (1), umfassend mindestens zwei Batterie-Zellen (BZ1-BZn), die in Reihe geschaltet sind, wobei parallel zu den einzelnen Batterie-Zellen (BZ1-BZn) jeweils eine Reihenschaltung von einem Widerstand (R11-Rn1; R1altet ist, wobei mindestens der jeweilige Schalter (S11-Sn1) redundant ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, umfassend mindestens zwei Batterie-Zellen, die in Reihe geschaltet sind, wobei parallel zu den einzelnen Batterie-Zellen jeweils eine Reihenschaltung von einem Widerstand und einem Schalter geschaltet ist.
Mittels derartiger Batteriesysteme werden beispielsweise Hochvoltbatteriesysteme in Kraftfahrzeugen aufgebaut, insbesondere in Elektro- oder Hybridfahrzeugen.
In Hochvoltbatteriesystemen mit Li-Ionenzellen für die Anwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen ist aus Sicherheits- und Lebensdauergründen eine Spannungsüberwachung jeder einzelnen Batterie-Zelle (derzeit bis zu ca. 105 Zellen) erforderlich.
Weichen die Zellspannungen im Laufe der Nutzung ab, so kann das System nur noch geladen werden, bis eine Batterie-Zelle ihre Ladeschlussspannung erreicht. D. h. die schwächste Zelle bestimmt den maximalen Ladezustand des Gesamtsystems. Um dies auszuschließen, besteht die Möglichkeit eines ”Balancierens” der Batterie-Zellen während des Ladezyklus.
Dies erfolgt üblicherweise durch das Parallelschalten eines Widerstands zur Zelle. Dadurch wird ein Strombypass realisiert, der ein Weiterladen der anderen Zellen ermöglicht, ohne dass die betreffende Zelle überladen wird.
Diese ”Bypass-Widerstände” werden über einen Halbleiterschalter zu- bzw. abgeschaltet, der nur einmal pro Widerstand vorhanden ist. Sollte nun durch einen Hardwarefehler der Schalter einen Kurzschluss haben, so kann die Zelle tiefentladen werden, da diese über ihren Bypass kurzgeschlossen ist.
Dies kann zu sicherheitskritischen Situationen im Batteriesystem führen. Zudem wird die betreffende Zelle dauerhaft geschädigt.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Batteriesystem zu schaffen, das besser gegen eine Tiefentladung von Batterie-Zellen geschützt ist.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst das Batteriesystem mindestens zwei Batterie-Zellen, die in Reihe geschaltet sind, wobei parallel zu den einzelnen Batterie-Zellen jeweils eine Reihenschaltung von einem Widerstand und einem Schalter geschaltet ist, wobei mindestens der jeweilige Schalter redundant ausgebildet ist. Dadurch kann ein Einfach-Fehler nicht mehr zu einem permanenten Bypass der betroffenen Batterie-Zelle führen, so dass eine Tiefentladung der Batterie-Zelle vermieden wird, was gleichzeitig die Systemsicherheit erhöht. Im einfachsten Fall wird beispielsweise ein zweiter Schalter in Reihe zum ersten Schalter angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist jeweils parallel zur ersten Reihenschaltung vom Widerstand und Schalter eine zweite Reihenschaltung vom Widerstand und Schalter angeordnet, wobei in Reihe zur Parallelschaltung der Reihenschaltungen eine Sicherung angeordnet ist, wobei die Reihenschaltung aus der Sicherung und der Parallelschaltung der ersten und zweiten Reihenschaltung parallel zur jeweiligen Batterie angeordnet ist, wobei die Schalter vorzugsweise wechselseitig geschaltet werden. Die Sicherung kann dabei als Schmelzsicherung oder als reversible Sicherung ausgebildet sein. Die Sicherung ist dabei derart dimensioniert, dass diese auslöst, wenn beide Schalter aufgrund eines Kurzschlusses eines Schalters gleichzeitig geschlossen sind. Durch das Auslösen der Sicherung wird der defekte Bypass abgeschaltet, so dass eine Tiefentladung der Batterie-Zelle verhindert wird, wobei dann jedoch der maximale Ladezustand des Gesamtsystems wieder begrenzt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Batteriesystem eine Steuereinheit, die die Schalter ansteuert und die Ladezustände der Batterie-Zellen überwacht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Batterie-Zellen durch vorgefertigte Leiterstrukturen miteinander verschaltet. Die vorgefertigte Leiterstruktur kann beispielsweise eine Leiterplatte oder eine Art Stanzgitter sein. Über diese vorgefertigten Leiterstrukturen können dann die Batterie-Zellen quasi gleichzeitig miteinander verschaltet werden. Dabei ist bei Gitterstrukturen denkbar, dass diese Soll-Bruchstellen aufweisen, um zuvor als mechanische Stützstellen benötigte Stege wegzubrechen, die ansonsten unerwünschte elektrische Verbindungen erzeugen würden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mindestens die Widerstände in einem Stecker zwischen der Steuereinheit und den Batterie-Zellen angeordnet oder an vorgefertigten Leiterstrukturen zur Verschaltung der Batterie-Zellen angeordnet. Hierdurch werden die als Verlustwärmequelle wirkenden Widerstände von einer Steuerplatine der Steuereinheit räumlich getrennt, was deren Kühlung vereinfacht. Durch die Anordnung der Widerstände dichter bzw. unmittelbar an den Batterie-Zellen kann dann diese Verlustwärme über einen Kühlkreislauf der Batterie-Zellen mit abgeführt werden. Die Schalter können dabei in der Nähe der Widerstände angeordnet sein oder aber auf einer Steuerplatine der Steuereinheit. Diese Ausführungsform bezüglich der räumlichen Anordnung der Widerstände kann auch bei Ausführungen mit nur einer Reihenschaltung von Schalter und Widerstand zur Anwendung kommen und stellt insoweit eine eigenständige Erfindung dar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Batteriesystems.
Das Batteriesystem 1 umfasst eine Vielzahl von Batterie-Zellen BZ1–BZn, die miteinander in Reihe verschaltet sind, so dass sich deren Spannung U_BZ1–U_BZn addieren. Parallel zu jeder Batterie-Zelle BZ1–BZn ist eine Bypass-Schaltung angeordnet. Die Bypass-Schaltungen umfassen jeweils eine erste Reihenschaltung aus einem Schalter S11–Sn1 und einem Widerstand R11–Rn1 und eine zweite Reihenschaltung aus einem zweiten Schalter S12–Sn2 und einem zweiten Widerstand R12–Rn2, wobei die beiden Reihenschaltungen parallel verschaltet sind. In Reihe zu der Parallelschaltung ist eine Sicherung Si1–Sin angeordnet. Diese Reihenschaltung bildet die Bypass-Schaltung, die parallel zur jeweiligen Batterie-Zelle BZ1–BZn geschaltet ist. Die Schalter S11–Sn1, S12–Sn2 sind vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgebildet, wobei die Widerstände R11–Rn1, R12–Rn2 vorzugsweise als ohmsche Widerstände ausgebildet sind. Vorzugsweise gilt dabei: R11 = R12. Allerdings ist es nicht zwingend, dass alle Widerstände gleich groß sind. Die Schalter S11–Sn1, S12–Sn2 werden dabei von einer Steuereinheit 2 mittels Steuerbefehlen S_X1,2 angesteuert, die darüber hinaus die jeweiligen Spannungen U_BZ1–U_BZn an den Batterie-Zellen BZ1–BZn auswertet.
Soll nun das Batteriesystem 1 geladen werden, so fließt ein Ladestrom I_L. Solange alle Batterie-Zellen BZ1–BZn sich gleich verhalten, können die Bypass-Schaltungen abgeschaltet werden, d. h. alle Schalter S11–Sn1, S12–Sn2 sind offen und der Ladestrom I_L fließt über alle Batterie-Zellen BZ1–BZn.
Hat hingegen eine Batterie-Zelle BZ1–BZn bereits ihre Ladeschlussspannung erreicht, die anderen hingegen noch nicht, so kann gezielt diese eine Batterie-Zelle BZ1–BZn durch Aktivierung der zugeordneten Bypass-Schaltung aus dem Ladevorgang herausgelöst werden. Dies erfolgt dadurch, dass die Schalter der Bypass-Schaltung wechselseitig geschlossen werden. Sind die Widerstände ausreichend klein, so fließt nahezu der gesamte Ladestrom über den Bypass. Dies führt jedoch zu erheblichen Verlusten an den Widerständen.
Ebenso ist es möglich, während des Ladens den Ladestrom für einzelne Batterie-Zellen BZ1–BZn nur zu begrenzen, so dass diese nicht zu schnell ihre Ladeschlussspannung erreichen, sondern möglichst alle Batterie-Zellen BZ1–BZn gleichzeitig ihre Ladeschlussspannung erreichen. Hierzu wird der Ladestrom für die betreffende Batterie-Zelle nur reduziert, beispielsweise wird 1/100–1/1000 des Ladestroms I_L über die Bypass-Schaltung um die betreffende Batterie-Zelle umgeleitet. Diese Art des Balancierens kommt vorzugsweise zur Anwendung.
Nachfolgend soll die Kurzschlusssicherung mittels redundanten Schalters an der Batterie-Zelle BZ1 exemplarisch erläutert werden. Da die Schalter S11, S12 wechselseitig geschlossen werden, fließt entweder der Strom I1 oder der Strom I2, wobei gilt I1 = I2. Kommt es nun am Schalter S11 beispielsweise zu einem Kurzschluss Lind Schalter S12 wird geschlossen, so sind die Widerstände R11, R12 parallel geschaltet und es fließt sowohl I1 als auch I2 (also der doppelte Strom). Die Sicherung Si1 ist nun derart dimensioniert, dass diese bei einem Strom I1 + I2 auslöst. Hierdurch wird die gesamte Bypass-Schaltung für die Batterie-Zelle BZ1 abgeschaltet. Dies führt zwar dazu, dass die Batterie-Zelle BZ1 zwar nicht mehr aus dem Ladevorgang entkoppelt bzw. langsamer geladen werden kann und diese mit ihrer Ladeschlussspannung das weitere Aufladen der anderen Batterie-Zellen BZ2–BZn verhindert bzw. begrenzt. Allerdings stellt die Abschaltung des Bypasses sicher, dass die Batterie-Zelle BZ1 im Betrieb auch nicht tiefentladen werden kann.
Die an den Widerständen R11–Rn1, R12–Rn2 umgesetzte Verlustleistung muss abgeführt werden. Daher werden Widerstände R11–Rn1, R12–Rn2 vorzugsweise nicht in der Steuereinheit 2 angeordnet, sondern im Bereich der Batterie-Zellen BZ1–BZn. Dies erfolgt vorzugsweise durch Integration in die Leiterstrukturen zur Verbindung der Batterie-Zellen BZ1–BZn. Dadurch kann die Kühlung der Batterie-Zellen BZ1–BZn auch zur Wärmeabfuhr der Verlustwärme an den Widerständen genutzt werden. Die Schalter S11–Sn1, S12–Sn2 können in der Steuereinheit 2, einem Stecker zwischen Steuereinheit 2 und den Batterie-Zellen BZ1–BZn oder bei den Widerständen angeordnet sein.

Claims

Batteriesystem, umfassend mindestens zwei Batterie-Zellen, die in Reihe geschaltet sind, wobei parallel zu den einzelnen Batterie-Zellen jeweils eine Reihenschaltung von einem Widerstand und einem Schalter geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der jeweilige Schalter (S11–Sn1) redundant ausgebildet ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils parallel zur ersten Reihenschaltung vom Widerstand (R11–Rn1) und Schalter (S11–Sn1) eine zweite Reihenschaltung von Widerstand (R12–Rn2) und Schalter (S12–Sn2) angeordnet ist, wobei in Reihe zur Parallelschaltung der Reihenschaltungen eine Sicherung (Si1–Sin) angeordnet ist, wobei die Reihenschaltung aus der Sicherung (Si1–Sin) und der Parallelschaltung der ersten und zweiten Reihenschaltung parallel zur jeweiligen Batterie-Zelle (BZ1–BZn) angeordnet ist.
Batteriesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S11–Sn1; S12–Sn2) einer Batterie-Zelle (BZ1–BZn) wechselseitig geschaltet werden.
Batteriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (1) eine Steuereinheit (2) umfasst, die die Schalter (S11–Sn1; S12–Sn2) ansteuert und die Ladezustände der Batterie-Zellen (BZ1–BZn) überwacht.
Batteriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie-Zellen (BZ1–BZn) durch vorgefertigte Leiterstrukturen miteinander verschaltet sind.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Widerstände (R11–Rn1; R12–Rn2) in oder an einem Stecker zwischen der Steuereinheit (2) und den Batterie-Zellen (BZ1–BZn) angeordnet sind oder an den vorgefertigten Leiterstrukturen zur Verschaltung der Batterie-Zellen (BZ1–BZn) angeordnet sind.