DE102011054145A1

DE102011054145A1 - Fehlertolerante Batteriearchitektur für Zellfehlermodi einer seriellen Bypass-Schaltung

Info

Publication number: DE102011054145A1
Application number: DE102011054145A
Authority: DE
Inventors: Steven Vance; John Guerin; Andrew Leutheuser; John Mentzer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2012-04-19
Also published as: US20120091964A1; US9024586B2; CN102457083B; CN102457083A

Abstract

Eine Batteriezellen-Bypass-Schaltung, die insbesondere Anwendung beim Bypassen von Zellen in einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs findet. Die Batterie beinhaltet eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen. Die Bypass-Schaltung beinhaltet einen ersten Schalter, der in Reihe mit einer oder mehreren Batteriezellen geschaltet ist, eine Bypass-Leitung, die elektrisch um die eine oder mehreren Batteriezellen verläuft und einen zweiten Schalter, der in der Bypass-Leitung geschaltet ist und parallel zu der einen oder den mehreren Batteriezellen geschaltet ist. Während eines normalen Zellenbetriebs ist der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter ist offen, so dass Strom durch die eine oder mehreren Batteriezellen fließt. Wenn eine oder mehrere Batteriezellen ausfallen oder ein Ausfall droht, ist der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter ist geschlossen, so dass Strom die eine oder mehreren Zellen bypasst und aus der Batterieschaltung entfernt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im allgemeinen eine Bypass-Schaltung für eine Batterie und insbesondere eine serielle Bypass-Schaltung für ein Fahrzeugbatteriesystem, die ein oder mehrere Batteriezellen oder Module in dem Batteriesystem in Reaktion auf einen Zell- oder Modulfehler oder einen potentiellen Zell- oder Modulfehler abschaltet und mittels eines Bypasses umgeht.
2. Diskussion des betreffenden Standes der Technik
Elektrofahrzeuge werden immer häufiger. Diese Fahrzeuge beinhalten Hybridfahrzeuge, wie zum Beispiel Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite (EREV), die eine Batterie und eine Hauptantriebsquelle, wie zum Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellensystem etc. beinhalten, und reine Elektrofahrzeuge wie zum Beispiel batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV). All diese Arten von Elektrofahrzeugen verwenden eine Hochvoltbatterie, die eine Anzahl von Batteriezellen umfasst. Diese Batterien können verschiedene Batteriearten sein, wie zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, eine Blei-Batterie etc. Ein typisches Hochvoltbatteriesystem für ein Elektrofahrzeug kann eine große Anzahl von Batteriezellen oder Modulen beinhalten, um die Leistungs- und Energieanforderungen des Fahrzeugs zu erfüllen. Das Batteriesystem kann auch einzelne Batteriemodule beinhalten, wobei jedes Batteriemodul wiederum eine gewisse Anzahl von Batteriezellen enthalten kann, so zum Beispiel 12 Zellen. Die einzelnen Batteriezellen können miteinander elektrisch in Reihe gekoppelt sein oder eine Reihe von Zellen kann elektrisch parallel gekoppelt sein, wobei eine Zahl von Zellen in dem Modul in Reihe geschaltet ist und jedes Modul mit den anderen Modulen elektrisch parallel gekoppelt ist. Verschiedene Fahrzeugkonzepte erfordern verschiedene Batteriekonzepte, die verschiedene Vor- und Nachteile für die einzelne Anwendung beinhalten.
Eine Batteriezelle in einer Batterie kann versagen oder kann in anderer Weise aus einer Vielzahl von Gründen begrenzt sein wie beispielsweise ein interner Kurzschluss, ein Verlust an Ladekapazität, ein hoher Widerstand, eine hohe Temperatur usw. Ein Fahrzeugbatteriepack enthält typischerweise eine Vielfalt von Sensoren und anderen diagnostischen Geräten, die feststellen können, ob die Batteriequalität begrenzt ist, ausgefallen ist, oder in naher Zukunft ausfallen wird. Da die Batteriezellen elektrisch in Reihe gekoppelt sein können, kann ein Fehler von einer Zelle in der Serie die Verwendung von anderen Zellen in der Serie verhindern und kann einen Fahrzeugstillstand ergeben. Deshalb kann die Batterie von der Schaltung getrennt werden, bevor ein größerer Batteriefehler aufgetreten ist und Warnlichter können vorgesehen werden, die einen solchen Fehler anzeigen.
Abhängig vom Batterietyp kann ein derartiger Fehler zu einem antriebslosen Zustand führen, indem das Fahrzeug abgeschleppt werden muss und nicht mehr gefahren werden kann. Es ist wünschenswert, eine Schaltung bereitzustellen, bei der einzelne Zellen einer Batterie von der Schaltung abgeschaltet werden können, so dass der Stillstandszustand und andere Szenarien vermieden werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung wird eine Batteriezellen-Bypass-Schaltung offenbart, die eine besondere Anwendung für ein Umgehen einer oder mehrerer Zellen in einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs aufweist. Die Batterie umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen, die elektrisch in Serie gekoppelt sind. Die Bypass-Schaltung beinhaltet einen ersten Schalter, der in Reihe mit einer oder mit mehreren der Batteriezellen gekoppelt ist, eine Bypass-Leitung, die elektrisch eine oder mehrere Batteriezellen umgeht und einen zweiten Schalter, der elektrisch in der Bypass-Leitung und parallel zu einem oder mehreren der Batteriezellen angeschlossen ist. Während eines normalen Zellenbetriebs ist der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter ist offen, so dass Strom durch die einen oder mehreren Batteriezellen fließt. Wenn eine oder mehrere Batteriezellen versagen oder beschädigt sind, wird der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen, so dass Strom die eine oder mehreren Zellen umgeht und diese durch den Batterieschalter entfernt werden.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung können aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den dazugehörigen Figuren entnommen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein Blockdiagramm eines Elektrofahrzeugsystems;
2 ist ein schematisches Diagramm einer Vielzahl von Zellen in einer Fahrzeugbatterie einschließlich von Bypass-Schaltungen;
3 ist ein schematisches Diagramm einer Bypass-Batterieschaltung;
4 ist ein schematisches Diagramm von parallel verbundenen Batteriezellen einer Fahrzeugbatterie; und
5 ist ein schematisches Diagramm eines parallel liegenden parallel angeschlossenen Interfacemoduls.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine serielle Bypass-Schaltung gerichtet sind, um eine oder mehrere Batteriezellen zu umgehen, ist im wesentlichen beispielhafter Natur und es ist in keiner Weise beabsichtigt, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder ihre Verwendungen zu begrenzen. Zum Beispiel hat die serielle Bypass-Schaltung der Erfindung eine besondere Anwendung für ein Umgehen einer oder mehrerer Batteriezellen in einer Fahrzeugbatterie. Jedoch, wie von den Fachleuten anerkannt wird, kann die Bypass-Schaltung der Erfindung eine Verwendung für andere Batterien in anderen Systemen aufweisen.
1 ist ein Blockdiagramm eines Fahrzeugsystems 10, das eine Hochvoltbatterie 12 einschließt. Die Hochvoltbatterie 12 weist eine Vielzahl von Batteriemodulen 14 auf, wobei jede eine Vielzahl von Batteriezellen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, aufweist. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die Batterie 12 acht der Module 14 aufweisen, wobei jedes der Module 14 zwölf Zellen von einer Gesamtzahl von sechsundneunzig Zellen besitzt. Die Gesamtspannung kann in einem Bereich von 350 bis 400 Volt liegen. Die Batterie 12 ist elektrisch mit einem Hochspannungs-BUS gekoppelt, der durch die Leitungen 16 und 18 repräsentiert wird. In diesem nicht einschränkenden Entwurf ist das Fahrzeugsystem 10 Teil eines Hybridfahrzeugs, das eine Hauptleistungsquelle 20 wie einen Verbrennungsmotor, ein Brennstoffzellensystem usw. aufweist. Die Leistungsquelle 20 ist ebenfalls an die Hochspannungs-BUS-Leitungen 16 und 18 angeschlossen. Die Batterie 12 und die Leistungsquelle 20 liefern Leistung an die BUS-Leitungen 16 und 18 in jeder geeigneten, gesteuerten Konfiguration für eine bestimmte Anwendung, wobei die Batterie 12 und die Leistungsquelle 20 an die BUS-Leitungen 16 und 18 angepasst sind. Verbraucher 22 des Fahrzeugs sind elektrisch mit den BUS-Leitungen 16 und 18 gekoppelt und repräsentieren jeden Verbraucher des Fahrzeugs, der Leistung von dem Fahrzeugleistungssystem empfängt, insbesondere von der Batterie 12 und der Leistungsquelle 20, wie das Fahrzeugantriebssystem, elektrische Motoren, Hilfsverbraucher usw. Geeignete elektrische Komponenten werden zum Herunterstufen der Spannung für derartige Verbraucher vorgesehen, die Niedervoltverbraucher sind.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Batterieschaltung 30, welche eine Schaltung innerhalb einem der Module 14 zum Beispiel sein kann. Die Batterieschaltung 30 beinhaltet eine Batteriezellen-Bypass-Schaltung 32 in Verbindung mit jeder Batteriezelle 34 in der Schaltung 30, wobei die Batteriezellen 34 elektrisch in Serie geschaltet sind. Jede Bypass-Schaltung 32 beinhaltet einen ersten Schalter 36, der elektrisch in Reihe mit der Batteriezelle 34, und einen zweiten Schalter 38, der elektrisch parallel zu der Batteriezelle 34 in einer Bypass-Leitung 40 angeschlossen ist. Die Schalter 36 und 38 können jeder Schalter sein, der für die Zwecke, die hierin beschrieben sind, geeignet ist, wie Festkörperschalter, Relais, mechanische Unterbrecher usw. Beispiele für mechanische Unterbrecher beinhalten Rückwand- und Sammelschienendesigns. Beim Bestimmen, welcher Schaltertyp zu verwenden ist, wird das spezielle Batteriedesign, die Größe und die Gewichtsüberlegungen, Kostenüberlegungen, parasitäre Verlustüberlegungen usw. betrachtet. Ein Steuergerät (Controller) 42 steuert die Position der Schalter 36 und 38 in jeder Bypass-Schaltung 32 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erörterung. In dieser nicht beschränkenden Ausführungsform empfängt das Steuergerät 42 Temperatursignale von den Temperatursensoren 44 in der Schaltung 30.
Während eines normalen Betriebs ist der Schalter 36 geschlossen und der Schalter 38 ist geöffnet, so dass Strom durch die Zelle 34 fließt. Wenn ein Zellenfehlermodul oder ein potentieller Zellenfehlermodus für eine bestimmte Zelle 34 in der Schaltung 30 erfasst wird, wird das Steuergerät 42 den Schalter 36 öffnen und den Schalter 38 schließen, um dem Strom zu ermöglichen, über die Bypass-Leitung 40 und um die Zelle 34 herum zu verschließen. Somit wird in dieser Situation die Gesamtleistung der Schaltung 30 oder der Batterie 12 durch die Größe der Zelle 34 oder um den prozentualen Leistungsanteil, welche die bestimmte Zelle 34 bereitstellt, sinken.
Das Steuergerät 42 kann eine ausgefallene oder potentiell ausfallende und/oder vermindert arbeitende Zelle in jeder geeigneten Weise für die Zwecke, die hierin beschrieben werden, erfassen, von denen eine Vielzahl den Fachleuten sehr bekannt sind. So existieren gegenwärtig in der Technik Batteriediagnosegeräte, bei denen die Spannung von jeder Batteriezelle 34 gemessen wird und mit einem gewünschten Spannungspegel verglichen werden, um die Zellenleistungsfähigkeit zu bestimmen. Weiterhin können die Temperatursensoren 44 verwendet werden, um die Temperatur von jeder Zelle 34 oder eine Vielzahl von Zellen zu messen, um zu bestimmen, ob die Temperatur dieser Zellen 34 einen vorbestimmten maximalen Temperaturschwellenwert, der einen hohen Widerstand anzeigt, überschreitet. Die aktuelle Technik zur Bestimmung eines potentiellen Ausfalls einer Zelle ist so lange unwichtig, so lange ein potentieller Zellenausfall erfasst werden kann und die Schalter 36 und 38 entsprechend geschaltet werden können.
Gegenwärtige Fahrzeugtechnologien ermöglichen dem Fahrzeugsteuersystem zu bestimmen, ob die Batterie 12 korrekt arbeitet und kein Einsatz erforderlich ist, einen eingeschränkten Batterieleistungsmodus vorsieht, der eine eingeschränkte Batterieleistung in Reaktion auf einen potentiellen Batterieausfallmodus bereitstellt und einen vollständigen Batteriezusammenbruch, wobei ein Batteriefehler auftritt und das System die Batterie 12 von dem Fahrzeugsystem selbst abtrennt. Die vorliegende Erfindung sieht einen zusätzlichen Modus zu diesen drei diagnostischen Zuständen vor, wo ein Zellenfehler oder eine potentielle Zellenfehlleistung erfasst worden ist und wobei die Zelle von der Serienverbindung der Zellen entfernt wird, so dass die Batterie 12 ohne die Zelle weiter normal arbeiten kann.
Die Ausführungsform, die oben für die Batterieschaltung 30 erörtert wurde, weist eine Bypass-Schaltung für jede Batteriezelle 34 auf. Jedoch, abhängig von der Anzahl der Zellen 34 in der Batterie 12, könnte es nicht wünschenswert sein, für jede Zelle zwei Schalter bereitzustellen, auf Grund der Einbauverluste, der parasitären Verluste, usw., die mit jedem Schalter verbunden sind. Weiterhin gibt es Volumen- und Gewichtsüberlegungen, die angesprochen werden müssen als ein Ergebnis des Einbaus der Schalter 36 und 38 in das Batteriegehäuse. Weiterhin erfordern gegenwärtige Batteriedesigns spezielle Schaltungen, die eine vorbestimmte Anzahl von Zellen und die Spannung und die Temperatur eines bestimmten Designs überwachen. Je mehr Zellen jedoch, die während einer potentiellen Fehlerbedingung umgangen werden, je weniger Leistung der Batterie 12 kann erzeugt werden, auf Grund des Ausfalls der Zellen. Mit anderen Worten, wenn eine einzige Zelle ausfällt oder ausgefallen ist, und die Bypass-Schaltung mehrere Zellen als Gruppe umgeht, wenn eine der Zellen ausfällt, dann ist die gesamte Leistung, die durch derartige Zellen erzeugt wird, verloren, selbst wenn es nur eine Zelle der Gruppe ist, die ein potentielles Problem aufweist. Somit kann oder kann nicht die gewünschte Bypass-Überlegung sein, mehrere Zellen 34 zu umgehen.
3 ist ein schematisches Diagramm einer Bypass-Schaltung 50, das zeigt, wie eine Vielzahl von Batteriezellen 52 gemeinsam durch zwei Schalter umgangen werden kann. Insbesondere ist ein erster Schalter 54 elektrisch in Serie mit der Vielzahl der Zellen 52 gekoppelt und ein zweiter Schalter 56 wird in der Bypass-Leitung 58 rund um die Vielzahl der Zellen 52 vorgesehen. Wie oben ist der Schalter 54 während, des normalen Betriebs geschlossen und der Schalter 56 ist offen, so dass alle Zellen 52 elektrisch in Serie in der Batterieschaltung verbunden sind. Wenn ein potentielles Zellenproblem erfasst wird für eine der Vielzahl der Zellen 52, ist der Schalter 54 geöffnet und der Schalter 56 geschlossen, um alle Zellen 52 zu umgehen, wobei die Batterie die Leistung, die durch die Gruppe der Zellen 52 geliefert wird, verliert.
Die Bypass-Schaltung, die oben beschrieben wird, gilt für seriell verbundene Batteriezellen. In anderen Batteriedesigns können die Batteriemodule 14 jeweils eine Vielzahl von in Serie verbundenen Zellen aufweisen und die Module 14 können elektrisch parallel verbunden sein. In dieser Konfiguration würde das Batteriemodul mit der niedrigsten Leistungsfähigkeit die Leistungsfähigkeit der gesamten Batterie als Ergebnis der Parallelverbindung bestimmen, weil Module mit niedriger Leistungsfähigkeit die Leistung von Modulen mit höherer Leistungsfähigkeit herunterziehen. Somit würden Module mit niedriger Ladekapazität die Leistungsfähigkeit der Batterie unabhängig der Ladefähigkeit der Batteriemodule mit höherer Leistungsfähigkeit bestimmen.
Unterschiedliche Designs können für unterschiedliche elektrische Konfigurationen der Batteriezellen durch Anordnung von einigen der Zellen in Serie mit anderen Zellen und dann durch Gruppenbilden von Zellen, die in Serie geschaltet sind, parallel zueinander von Nutzen sein. Für ein modulares Design, zum Beispiel dass Module von seriell verbundenen Batteriezellen aufweist, die hinzugefügt werden können, um die gewünschte Energie oder Leistung durch elektrisches Ankoppeln standardisierter serieller Gruppen von Zellen oder Modulen parallel genutzt werden können, wobei ein Hinzufügen von anderen Zellen oder Modulen die Gesamtleistung des Batteriepacks erhöhen würde. Durch elektrisches Koppeln zusätzlicher Batteriepacks der gleichen Anzahl von Batteriezellen parallel würde die Ausgangsspannung der gesamten Batterieschaltung beibehalten werden, aber die Kilowattstunden der Energie der Batterie würden die Anzahl der hinzugefügten Module ansteigen, so dass die elektrische Schaltung für die unterschiedlichen Antriebsmotoren und andere Schaltungen von Batterieschaltung zu Batterieschaltung gleich bleiben könnten.
4 zeigt ein schematisches Diagramm eines Batteriepacks 60, der parallel verbundene Stränge 62 von seriell verbundenen Batteriezellen 64 aufweist, wobei jeder Strang 62 die gleiche Anzahl von Zellen 64 aufweist. In diesem parallelen Verbindungsdesign können die gleichen Vorteile einer Bypass-Schaltung durch Bereitstellen von Schaltern an geeigneten Stellen erreicht werden. Wie oben kann jede einzelne Zelle 64 in jedem Strang 62 ihre eigene Bypass-Schaltung aufweisen, wobei, wenn die Zelle ausfällt, kann sie von dem speziellen Strang 62 abgeschaltet werden. Eine verbesserte oder kosteneffektivere Möglichkeit kann jedoch sein, den gesamten Strang 62 des Batteriepacks 60 auszuschalten, wenn eine oder mehrere der entsprechenden Zellen 64 innerhalb des Stranges 62 ausfällt oder potentieller Weise ausgefallen ist. Beispielsweise kann jeder Strang 62 ein elektrisches Bauteil 66 an jeder geeigneten Stelle entlang des Stranges 62 aufweisen, wobei, wenn ein potentielles Zellenproblem innerhalb des Stranges 62 erfasst ist, das Bauteil 66 elektrisch den Strang 62 öffnen kann, um den Strang 62 von der Batteriepackschaltung zu entfernen. Somit wird die Spannung, die durch die gesamten Zellen 54 dieses Stranges 62 bereitgestellt wird, entfernt. In dieser Ausführungsform kann das Bauteil 60 wahrscheinlich ein einzelner Schalter sein und kann von der Art der Schalter, die oben erwähnt sind, sein, nämlich ein Festkörperschalter, ein Relais oder eine mechanische Unterbrechung.
Wie oben erwähnt, kann jeder Strang 62 einen unterschiedlichen Grad der Leistungsfähigkeit in seiner Möglichkeit, einen bestimmten Ladezustand bereitzustellen, aufweisen. Derartige Stränge 62, die eine geringere Leistungsfähigkeit aufweisen, ziehen typischerweise die Leistung der Stränge 62, die eine höhere Leistungsfähigkeit aufweisen, herunter und verursachen eine niedrigere Leistungsfähigkeit der Zellen und Module, welche die Leistungsfähigkeit des Batteriepacks 60 bestimmen. Dies kann auch für den Lademodus verwendet werden, wobei schwächere Zellen unproportionale Ladeenergien aufnehmen und stärkeren Zellen nicht ermöglichen, voll aufgeladen zu werden. Somit ist es wünschenswert, ein Steuermodul als Bauteil 66 einzuführen, wobei das Modul in der Lage ist, die Zellspannung und den Ladezustand zwischen den Strängen 42, die parallel miteinander gekoppelt sind, auszugleichen. Das Modul kann auch so strukturiert werden, um einen geöffneten Schaltkreis zur Verfügung zu stellen, so dass es auch als ein Schalter betrieben werden kann, um den Strang 62 von der Batterieschaltung wie oben beschrieben zu entfernen.
5 ist ein schematisches Diagramm eines Batteriepacks mit parallelem Interfacemodul 70 (BPPI ”battery pack parallel interface”), das ein Steuern des Ladezustands in jedem Strang 62 liefern kann, um den Stromfluss in jedem Strang zu steuern. Das Modul 70 enthält eine Eingangs- und eine Logikschaltung 72, die den Betrieb des Moduls 70 steuert. Das Modul 70 umfasst zwei Strompfade, die durch elektronische Stromregelbauteile 74 und 76 wie IGBTs gesteuert werden, wobei die Richtung des Stromflusses während eines Ausschaltmodus durch jeden der Pfade mittels gesteuerte Silithium-Gleichrichtern (SCR ”silicon controlled rectifiers”) 78 bzw. 80 gesteuert wird. Die Schaltung 72 empfängt das Stromsignal an dem Ausgang von dem SCRs 78 und 80. Durch Öffnen beider Bauteile 74 und 76 wird der spezielle Strang 72 elektrisch von dem Batteriepack 60 entfernt. Das Modul 70 liefert die Möglichkeit, den Strom zwischen einer maximalen Rate und keinem Strom für jeden einzelnen Strang 62 zu steuern und somit den Strängen von unterschiedlichen Kapazitäten und Widerständen zu ermöglichen, parallel verbunden und gemeinsam betrieben zu werden.
Das Modul 70, das an dem Ende eines bestimmten Stranges 62 gekoppelt ist, grenzt die Leistungsfähigkeit des Systems basierend auf seinem Leistungsvermögen ohne die Leistungsfähigkeit des Systems eines anderen Stranges 62, das ein vermögen aufweisen kann, zu degradieren. Zum Beispiel, wenn sich der Widerstand eines bestimmten Stranges 62 aus irgendeinem Grunde ändert, wie eine Verschlechterung während seiner Lebensdauer, verursacht die Schaltungscharakteristik des Moduls 70, dass der Strang 62 bei einem bestimmten Arbeitszyklus ein- oder ausgeschaltet wird. Durch Schalten der Bauteile 74 und 76 in einer Weise, die durch die Schaltung 72 gesteuert wird, ist der Stromfluss durch den bestimmten Strang 62 selektiv gesteuert, wobei er für einen Prozentsatz der Zeit eingeschaltet und für einen Prozentsatz der Zeit ausgeschaltet sein würde.
Das Batteriesteuergerät (nicht gezeigt) würde das Leistungsvermögen von jedem Strang 62 basierend auf Widerstand, Spannung und Temperatur usw. wie oben erörtert bestimmen, und dieses Leistungsvermögen würde den speziellen Strängen operative Grenzen setzen. Unter Verwendung des Zustandes der Ladungsinformation aller Stränge 62, würde das Steuergerät bestimmen, welcher Strang 62 den größten Arbeitsbereich aufweist und würde das Laden und Entladen der anderen Stränge auf diesen Bereich beziehen. Wenn zum Beispiel das Steuergerät bestimmt, dass einer der Stränge 62 80% des Ladezustandsbereichs des Stranges 62 mit dem größten Ladezustandsbereich aufweist, dann würden die Bauteile 74 und 76 in Abhängigkeit davon gesteuert, ob der Batteriepack 60 in einem Lade- oder Entladezustand ist, um zu bestimmen, wie lange der Strang 62 an die Batterieschaltung angeschlossen bleibt. In diesem Beispiel, wenn der Batteriepack 60 in einem Entladezustand ist, würde das Bauteil 74 die Schaltung 72 öffnen und das Bauteil 76 ein- und ausschalten in einem bestimmten Arbeitszyklus, welcher die Zeitdauer einstellt, in der der Strang 62 auf 80% der gesamten Entladezeit entladen wird. Wenn in ähnlicher Weise der Batteriepack 60 in einem Lademodus ist, dann wird das Bauteil 76 geöffnet sein und das Bauteil 74 ein- und ausgeschaltet werden für einen Arbeitszyklus, der zu 80% der Ladezeit geschlossen sein wird. Auf diese Weise basiert die Leistungsfähigkeit des Batteriepacks 60 auf dem Strang 62, der die höchste Stufe der Leistungsfähigkeit aufweist und nicht auf dem Strang 62 mit der niedrigsten Leistungsfähigkeit.
6 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Batterieschaltung 90, die einen Strang 92 von seriell verbundenen Batteriezellen aufweist, die als Gruppe der Batteriezellen 94 hierin definiert sind. Jeder Strang enthält BPPI-Modul 96, das in der Weise wie oben erörtert arbeitet. In bestimmten Batteriepackdesigns wird ein Zellenausgleich gefordert, um die Spannung der Gruppen der Batteriezellen 94 auf gleichem Niveau zu halten. Deshalb enthält die Schaltung 90 Zellausgleichsschaltungen 98 für diesen Zweck, der in einer Weise arbeitet, die dem Fachmann bekannt ist. Die Schaltungscharakteristika der Bauteile 74 und 76 und das Steuern der Zellausgleichsschaltung 98 werden durch ein Zellausgleichssteuergerät 100 bestimmt, das Signale für den Zellausgleich und für die Zellüberwachung liefert. Ein bidirektionaler Inverter und Ladungssteuergerät 102 stellt die Menge des Ladestroms für jeden Strang 92 ein.
Die vorstehende Erläuterung offenbart und beschreibt lediglich Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann auf dem Gebiet kann leicht aus der obigen Erläuterung und aus den beigefügten Figuren erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne den Erfindungsgedanken und den Umfang der Erfindung, der in den folgenden Patentansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Eine Batterie-Bypass-Schaltung umfassend: – eine Batterie mit einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Batteriezellen; – einen ersten Schalter, der zumindest mit einer Batteriezelle elektrisch in Reihe geschaltet ist; – eine Bypass-Leitung, die an der zumindest einen Batteriezelle elektrisch vorbeigeschaltet ist; – einen zweiten Schalter, der innerhalb der Bypass-Leitung elektrisch verschaltet ist und parallel zu der zumindest einen Batteriezelle geschaltet ist; und – einen Controller, der dazu konfiguriert ist, um die Position des ersten und des zweiten Schalters zu steuern, wobei der Controller den ersten Schalter schließt und den zweiten Schalter öffnet während des Normalbetriebs der zumindest einen Batteriezelle, und den ersten Schalter öffnet und den zweiten Schalter schließt während einem Verlust an Leistungsvermögen der zumindest einen Batteriezelle.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Schalter Festkörperschalter sind.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Schalter Relais sind.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Schalter mechanische Trennmittel sind.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Batteriezelle eine Menge von mehr als einer Batteriezelle ist, wobei das Öffnen des ersten Schalters die Menge von Batteriezellen von der Vielzahl von Batteriezellen trennt und das Schließen des zweiten Schalters die Menge von Batteriezellen bypasst.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen sind.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Batteriezellen Teil eines Batteriemoduls sind, das elektrisch parallel mit den anderen Batteriemodulen verschaltet ist in der Batterie, wobei alle der Batteriemodule eine Vielzahl von Batteriezellen, die miteinander in Reihe geschaltet sind, beinhalten.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine Fahrzeugbatterie ist.
Schaltung nach Anspruch 8, wobei das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug ist.
Eine Batterieschaltung für ein Hybridfahrzeug, wobei die Schaltung eine Vielzahl von Batteriemodulen, die miteinander parallel verschaltet sind, aufweist, jedes der Batteriemodule eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, die miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind, jedes Batteriemodul zumindest eine Bypass-Schaltung aufweist mit einem ersten Schalter, der in Reihe mit einer Menge von einer Vielzahl von Batteriezellen in Reihe geschaltet ist, einer Bypass-Leitung, die um die Menge von Batteriezellen verläuft und einem zweiten Schalter, der innerhalb der Bypass-Leitung elektrisch geschaltet ist und mit der Menge von Batteriezellen parallel geschaltet ist, wobei das Schließen des ersten Schalters und das Öffnen des zweiten Schalters einen Stromfluss durch die Menge von Batteriezellen ermöglicht und das Öffnen des ersten Schalters und das Schließen des zweiten Schalters einen Stromfluss um die Menge der Batteriezellen herum ermöglicht, so dass die Menge von Batteriezellen elektrisch gebypasst werden kann.