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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen, ein Bordnetz damit und ein Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen für Bordnetze < 60 V.
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Stand der Technik
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Das konventionelle Bordnetz eines Fahrzeugs besteht im Wesentlichen aus Generator, Batterie und elektrischen Verbrauchern. Die Batterie besitzt eine Spannungslage. Mit dieser Spannungslage müssen alle Komponenten arbeiten und auf diese Spannung hin optimiert werden. Teilweise existieren Bordnetze mit mehreren Teilnetzen, die unterschiedliche Spannungslagen und mehrere Energiespeicher besitzen. Hierbei können Wandler zur Versorgung der Teilnetze notwendig sein.
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In LKWs werden üblicherweise zwei in Reihe geschaltete 12-V-Batterien verwendet um den Haupt-Teil der Verbraucher mit 24 V zu versorgen. Zusätzlich gibt es einen Mittelabgriff um 12-V-Verbraucher zu versorgen. Die dadurch auftretende ungleichmäßige Belastung der Batterien wird teilweise durch einen so genannten Battery Equalizer, der die Batterien auf gleiches Ladungsniveau zurückführt, ausgeglichen. Auf diese Weise wird einer beschleunigten Alterung der Batterie entgegengewirkt.
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Die Druckschriften
WO 2008/124552 ,
US 2009/0128095 und
US 2009/0286149 beschreiben Ladeschaltungen für Batteriesysteme mit mehreren Spannungslagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Fahrzeug-Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Die Erfindung schafft eine Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen und ein Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Erfindungsgemäß werden Batteriezellen in Blöcken zusammengefasst und Spannungslagen aus Blöcken gebildet. Bei einer geeigneten Auslegung der Zellblöcke nach ihrem zu erwartenden Belastungsprofil kann damit die Komplexität der Lade-Schaltungen gemäß dem Stand der Technik vermieden werden.
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Generell sind die Vorteile mehrerer Spannungslagen eine Reduzierung der Leitungs-Verluste, insbesondere bei der Versorgung von Hochstromverbrauchern, und eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit, beispielsweise in Bezug auf Energieeffizienz oder Lebensdauer. Außerdem können Komponentenkosten gesenkt werden, da Eingangs-Spannungs-Wandler entfallen.
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Das erfindungsgemäße Batteriekonzept ist sowohl für konventionelle Kraftfahrzeuge als auch für Hybridfahrzeuge, sowohl für Personenkraftwagen, Nutzfahrzeuge als auch für Sonderfahrzeuge (Gabelstapler, Kettenfahrzeuge), Wasserfahrzeuge und Flugzeuge einsetzbar.
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Insbesondere im PKW-Bereich ist durch die Elektrifizierung des Antriebsstranges mit elektrischer Kraftstoffpumpe, elektrische Lenkung etc. und der Klimatisierung der Energiebedarf des Energiebordnetzes ständig gestiegen. Um den hohen Energiebedarf mit üblichen luftgekühlten 12V-Generatoren abdecken zu können, werden Bordnetze mit mehreren Spannungslagen und höheren Spannungen entwickelt. Dabei wird auch eine Batterie mit gleichen Spannungslagen benötigt.
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Klimaschutzbestrebungen führen zu einem so genannten Boost- und Rekuperationssystem mit Motor-Generator, bei dem in Bremsphasen überschüssige Energie des Motor-Generators in die Starterbatterie gespeist und bei Beschleunigung der Motor-Generator zum Antrieb benutzt wird. Durch die erfindungsgemäße Batterie werden besonders bei diesem Boost- und Rekuperationssystem Systemkosten gespart und zusätzlich das Rekuperationspotential gesteigert.
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Im LKW-Bereich hat die erfindungsgemäße Batterie weitere Vorteile. Die kommende Einführung von Start-Stop-Systemen und rekuperativem Bremsen erfordert eine Überwachung des Ladezustands SOC (State of Charge). Konventionelle Batterie-Sensorik-Systeme funktionieren nur für eine einzelne Batterie, aber nicht für zwei in Serie geschaltete 12 V Batterien mit Mittelabgriff. Der Integrationsaufwand bei der Einführung der erfindungsgemäßen Batterie bleibt zudem gering, da bestehende 12 V bzw. 24 V Komponenten beibehalten werden können.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Batterie ist, dass mit einer einzigen Batterie mehrere Spannungslagen in einem Batteriegehäuse bereitgestellt werden. Dies senkt den Systemaufwand für die Bereitstellung mehrerer Spannungslagen und die Notwendigkeit mehrerer separater Energiespeicher entfällt. Die elektrischen Komponenten des Bordnetzes können mit einer besser geeigneten Betriebsspannung arbeiten.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Batterie ist, dass mehrere Spannungslagen geschaffen werden ohne einen internen oder externen Gleichspannungswandler zu benötigen.
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Ein anderer Vorteil ist die Verbesserung der Lebensdauer und der Leistungsfähigkeit von Starterbatterien. Dies wird durch eine bedarfsgerechte Auslegung der einzelnen Zell-Blöcke erreicht, d.h. Grad der Leistungsoptimierung bzw. Energieoptimierung der Zellen einzelner Blöcke entsprechend deren Verbraucheranforderungen.
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Vorteilhaft ist weiterhin die Vermeidung einer teuren internen Ladeschaltung. Ein einfacher Betrieb ist mit nur einem Generator-Anschluss und einem entsprechenden Batterie Management System (Battery Management System BMS) und Cell-Balancing möglich.
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Die Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen hat den Vorteil, dass auch bei unterschiedlicher Belastung einzelner Blöcke eine hohe Lebensdauer und eine hohe Leistungsfähigkeit erreicht werden.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Batterieladeverfahrens ist, dass die Batterie als aktive Komponente fahrzustandsabhängig betrieben wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Betrieb einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Block-Ausgleichs zu Verfahrensschritt c) des Verfahrens aus 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine Fahrzeug-Batterie 10 mit mehreren Spannungslagen 11–15 und ein Interface 50 zu einem Bordnetz eines Fahrzeugs dargestellt. Die Fahrzeug-Batterie 10 weist seriell angeordnete Batteriezellen 16, 17, 18 auf, die in Zellen-Blöcke 20, 21, 22 aufgeteilt sind. Ein erster Zellen-Block 20 enthält die Batteriezellen 16, ein zweiter Zellen-Block 21 enthält die Batteriezellen 17 und ein dritter Zellen-Block 22 enthält die Batteriezellen 18. Der erste Zellen-Block 20 enthält weiterhin die seriell angeordneten Batteriezellen 23 parallel zu den Zellen 16. Die Fahrzeug-Batterie 10 kann eine Lithium-Ionen-Batterie mit Lithium-Ionen-Batteriezellen sein.
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Aus der Batterie 10 herausgeführt sind Pole 25, 26, 27 und 28, wobei die Pole 25 und 28 Endabgriffe der Batterie 10 bilden und die Spannungslage 13 der maximalen Spannung bilden. Pol 25 bildet gleichzeitig einen gemeinsamen Minuspol der Spannungslagen 11, 12 und 13.
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Die Zellen-Blöcke 20, 21, 22 sind seriell angeordnet, wobei zwischen den benachbarten Zellen-Blöcken 20, 21 sowie 21, 22 jeweils die gemeinsamen Pole 26 bzw. 27 als Zwischenabgriffe aus einem Batteriegehäuse 47 herausgeführt sind. Mit diesen Zwischenabgriffen werden Spannungslagen mit kleinerer Spannung als der maximalen Batterie-Spannung 13 bereitgestellt. So wird die Spannungslage 11 zwischen den Polen 25, 26, die Spannungslage 12 zwischen den Polen 25, 27, die Spannungslage 14 zwischen den Polen 26, 27, und die Spannungslage 15 zwischen den Polen 27, 28 bereitgestellt.
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Obwohl zwischen zwei aus dem Batteriegehäuse 47 herausgeführten Polen jeweils eine Spannungslage gebildet ist, muss nicht jede bereitgestellte Spannungslage im Bordnetz verwendet werden. Ein Beispiel für eine bereitgestellte, aber hier nicht verwendete Spannungslage ist die Spannungslage zwischen den Polen 26 und 28. Bei einem Abgriff ohne Benutzung des negativen Pols als Masse, z.B. Abgriff der Spannungslage 14 zwischen Pol 26 und Pol 27 ist zu beachten, dass die angeschlossenen Komponenten einen separaten Rückleiter benötigen, da die allgemeine Fahrzeugmasse, hier mit Pol 25 verbunden, nicht benutzt werden kann.
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Die Anzahl der Blöcke und der Batteriezellen in den Blöcken ist beispielhaft dargestellt. Gestrichelt gezeichnete Bereiche 19 können in jedem Block jeweils eine beliebige Anzahl Zellen repräsentieren. Die Batterie 10 ist hier eine Starter-Batterie eines Kraftfahrzeugs. Block 20 stellt die Spannungslage für einen Anlasser bereit. Daher ist Block 20 leistungsoptimiert mit zwei Maßnahmen. Erstens enthält Block 20 mehrere parallele Stränge serieller Zellen, von denen Stränge 30 und 31 mit Zellen 16 bzw. 23 gezeichnet sind. Zweitens sind die Zellen 16, 23 leistungsoptimiert ausgelegt. Die Zellen 17 und 18 der Blöcke 21 und 22 sind dagegen energieoptimiert ausgelegt.
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Die Fahrzeug-Batterie 10 weist ein Batterie-Management-System (BMS) 32 auf, welches zwei Aufgaben erfüllt. Die erste Aufgabe des BMS ist ein blockweises Cell-Balancing der Zellen, wobei nach dem Abstellen des Fahrzeugs alle Zellen auf das Niveau der am schlechtesten geladenen Zelle gebracht werden zur Optimierung der Lebensdauer der Batterie. Dazu weisen alle Zellen der Batterie 10 jeweils eine Zellen-Schaltbrücke 33 bis 36 mit je einem Schalter 37 und einem Widerstand 38 auf. Das BMS ermittelt den Ladezustand der Zellen und steuert die Schalter 37 entsprechend.
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Die zweite Aufgabe des BMS ist ein Betrieb der Blöcke 20, 21, 22 der Batterie 10. Ein BMS nach dem Stand der Technik hat häufig eine Schnittstelle nach außen, z.B. LIN oder CAN Bus. Eine solche Schnittstelle wird nun erfindungsgemäß benutzt, um Daten über den aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs zu erhalten. Zum Verwenden dieser Information weisen die Blöcke 21, 22 parallel zu den Batteriezellen je eine Block-Schaltbrücke 39, 40 mit einem Schalter 41, 42 und einem Widerstand 43, 44 auf. In diesem Beispiel wurde bei dem Block 20 auf eine solche Schaltbrücke verzichtet. Das BMS ermittelt den Ladezustand der Blöcke 20, 21, 22 und steuert die Schalter 41, 42 und gegebenenfalls auch die Schalter 37 des Blocks 20 entsprechend, wie später mit dem Betriebsverfahren erläutert wird.
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Das BMS 32 der Batterie 10 weist weiterhin einen optionalen nach außen geführten Steueranschluss 45 auf, in diesem Beispiel ein CAN-Bus-Interface. Damit kann ein Fahrzustandssignal an das BMS 32 übermittelt werden und es ist ein fahrzustandsabhängiger Betrieb einzelner Blöcke 20, 21, 22 abhängig von einem Fahrzustandssignal möglich.
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Den nach außen geführten Polen 25 bis 28 und dem Steueranschluss 45 der Batterie 10 entspricht jeweils ein Anschluss 51 bis 54 und 55 im Interface 50 zu dem Bordnetz des Fahrzeugs.
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Nach einer alternativen Ausführungsform übernimmt das BMS auch die Steuerung von restlichen Bordnetzkomponenten wie Generator, schaltbare Verbraucher etc.
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In einer einfachen Ausführungsform der Batterie ohne externen Anschluss 45 des BMS und ohne Block-Schaltbrücke 39, 40 wird ein Generator zwischen Pol 28 und dem negativen Pol 25 angeschlossen.
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Durch die Teil-Abgriffe sind die Zellen unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Die Lithium-Ionen-Zellen sind für diese Belastung geeignet. Das BMS übernimmt das Cell-Balancing der Lithium-Ionen-Zellen und den Ladestromausgleich der Blöcke 20, 21, 22. Dadurch kann die Batterie platzsparend und äußerst leicht realisiert werden.
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Um eine einfache Ladung dieser einfachen Ausführungsform zu ermöglichen, soll die Batterie mit nur einer Ladespannung, an den äußeren Polen 25, 28 anliegend, geladen werden. Die Ladespannung, Spannungslage 13, teilt sich in die Spannungslagen 11, 14, 15 der Blöcke 20, 21, 22 nach deren physikalischen Eigenschaften und aktuellen Zuständen auf. Die Blöcke 20, 21, 22 werden so ausgelegt, unter anderem hinsichtlich Innenwiderstand, Ladungsaufnahmefähigkeit, Kapazität und gewünschter Ziel-Ladezustand (SOC), dass über dem jeweiligen Block die bedarfsgerechte Ladespannung anliegt. Somit wird ein Auseinanderdriften der Block-SOCs im Betrieb minimiert und die SOCs der einzelnen Blöcke bleiben in ihrem vorgesehenen Bereich. Driftet ein Block in den Bereich einer Überladung, wird die Ladespannung der einzelnen Zellen mittels der Cell-Balancing-Widerstände 38, die parallel zu jeder Einzelzelle 16, 17, 18 geschaltet sind, verringert. Die Cell-Balancing-Widerstände 38 sind so dimensioniert, dass diese in jedem möglichen Zustand der Zellen 16, 17, 18 eine Ladung aller Blöcke ermöglichen. Daher können sie ein weiteres Aufladen eines gut geladenen Blocks unterbinden. Das Cell-Balancing wird vom BMS gesteuert.
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Die beispielhaft in 1 gezeigte Starter-Batterie 10 weist den ersten Block 20 als leistungsoptimierten Energiespeicher für eine Spannungslage zur Bereitstellung einer Starter-Spannungslage auf. Eine Start-Stop-Automatik kann dank besserer Leistungsabgabe und Lebensdauer der erfindungsgemäßen Batterie häufiger aktiviert werden.
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Eine entsprechende Auslegung der Blöcke 20, 21, 22 ermöglicht eine Speicherung und Abgabe rekuperierter Energie. Folgendes Anschluss-Beispiel betreibt Verbraucher basierend auf ihren typischen Spannungs- und Leistungsanforderungen. Spannungslage 11 versorgt Hochleistungsverbraucher wie aktive Lenkung, Klimakompressor und elektrische Zuheizer und Beleuchtung. An Spannungslagen 14, 15 liegen Niedervoltverbraucher wie Steuergeräte, Sensoren und Aktoren. Die Spannungslage 12 versorgt weitere Aktoren. Die Spannungslage 13 mit der maximalen Batteriespannung von z.B. < 60 V ist mit einem Motor-Generator verbunden, über den die Aufnahme und Abgabe rekuperierter Energie erfolgt.
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Eine alternative Ausgestaltung der Batterie sieht vor, dass die Batterie eine Hybrid-Fahrzeug-Batterie für ein Hybrid-Fahrzeug mit konventionellem Motor und zusätzlichem Motor-Generator ist. Diese Ausgestaltung sieht einen sehr großen Energiespeicher als ersten Block vor mit einer dem Motor-Generator angepassten Spannungslage.
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2 zeigt ein Flussdiagramm 60 des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen, wie der Batterie 10 aus 1. Die Batterie weist mehrere seriell angeordnete Batteriezellen, aufgeteilt in einen ersten Zellen-Block und weitere Zellen-Blöcke, auf. Das in BMS der Batterie ablaufende Verfahren beginnt mit Verfahrensschritt a) Ermitteln des Ladezustands der Batterie. In Verfahrensschritt b) wird der Ladezustand mit einem Ladezustand-Sollwert verglichen. Falls der Ladezustand der Batterie schlecht ist, werden in Verfahrensschritt c) alle Zellen-Blöcke geladen und das Verfahren mit Verfahrensschritt a) fortgesetzt. Falls der Ladezustand der Batterie nicht schlecht ist, wird in Verfahrensschritt d) der Fahrzustand des Fahrzeugs ermittelt und in Verfahrensschritt e) erfolgt ein fahrzustandsabhängiger Betrieb der Batterie.
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Nun erfolgt eine Verzweigung entsprechend dem ermittelten Fahrzustand. Falls der Fahrzustand Konstantfahrt ist, wird in Verfahrensschritt f) verzweigt und alle Zellen-Blöcke werden geladen. Falls der Fahrzustand Beschleunigung ist, wird in Verfahrensschritt g) verzweigt und kein Block wird geladen. Falls der Fahrzustand Verzögerung ist, wird in Verfahrensschritt h) verzweigt und der erste Zellen-Block geladen. Falls der Fahrzustand Motor aus ist, wird in Verfahrensschritt i) verzweigt und kein Block wird geladen. Nach der jeweiligen Verzweigung wiederholt sich das Verfahren.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass im Fahrzustand Beschleunigung in Verfahrensschritt g) eine Abgabe von Batterieleistung an einen Motor-Generator erfolgt.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass im Fahrzustand Motor aus in Verfahrensschritt i) ein Cell-Balancing erfolgt.
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Das Verfahren wird nun an einem Beispiel mit Bezug auf die Batterie 10 aus 1 erläutert. Im Motor aus Zustand wird konventionell das Cell-Balancing durchgeführt. Nach Motor-Start wird zuerst in den Block-Balancing-Mode übergegangen. Hier werden unabhängig vom Fahrzustand alle drei Zellen-Blöcke 20, 21, 22 geladen. Bei ausreichend geladener Batterie wird die Batterie nun fahrzustandsabhängig geladen und entladen. Je nach Fahrzustand werden die energie-optimierten Zellen-Blöcke 21, 22 zu- oder abgeschaltet mittels der Schalter 41 und 42. Dadurch besteht eine direkte Verbindung vom Motor-Generator zu dem leistungsoptimierten Zellen-Block 20.
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Bei geschlossenen Schaltern 41 und 42 wird der Ladestrom in Zellen-Blöcke 21 und 22 deutlich verringert, wodurch die Batterie insgesamt mehr Strom aufnehmen kann. Bei offenen Schaltern 41 und 42 würden die begrenzte Stromaufnahme- und -abgabefähigkeit der Zellen-Blöcke 21 und 22 die Gesamtstromaufnahme und Abgabefähigkeit begrenzen. Die Zellen-Blöcke 20, 21 und 22 können damit sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb ihr volles Potential ausschöpfen. Die energieoptimierten Zellen werden nur während des Constant-Drive Mode geladen. Die Gesamt-Strategie ist so ausgelegt, dass die Ladezustände der drei Blöcke im Mittel möglichst gleich bleiben, z.B. bei ca. 70 % SOC.
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3 erläutert mit Flussdiagramm 70 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens, nämlich dass bei schlechtem Ladezustand eines Blocks der Batterie oder gegebenenfalls auch bei zu starkem Auseinanderdriften der Zellen in Verfahrensschritt c) in 2 ein Block-Ausgleich erfolgt. Hier wird unabhängig vom Fahrzustand die Batterie aufgeladen. Ziel ist es, die Zellen-Blöcke auf ein einheitliches Ladeniveau zu bringen. Die Feststellung des Ladezustandes während der Fahrt erfolgt mit üblichen Methoden wie z.B. algorithmische Ladebilanzierung oder Feststellung des Innenwiderstands durch Impedanzmessung.
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Dazu wird Verfahrensschritt c) mit dem Verfahrensschritt c1) begonnen, in dem der Ladezustand der Zellen-Blöcke 20, 21, 22 ermittelt wird. Nun werden in Verfahrensschritt c2) die Ladezustände SOC der Blöcke miteinander verglichen unter Berücksichtigung von Schalttoleranzen und abhängig von dem Vergleichsergebnis in ein Ladeschema verzweigt.
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Bei gleichmäßigem SOC wird in Verfahrensschritt c3) verzweigt und alle Blöcke 20, 21, 22 werden bei geöffneten Schaltern 41 und 42 und geöffneten Cell-Balancing Schaltbrücken 33, 34, 35, 36 gleichmäßig geladen.
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Falls das SOC von Block 20 kleiner ist als das SOC von Blöcken 21, 22, wird in Verfahrensschritt c4) verzweigt und Block 20 wird vorwiegend geladen bei geschlossenen Schaltern 41 und 42 und geöffneten Cell-Balancing Schaltbrücken 33, 34, 35, 36.
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Falls der SOC von den Blöcken 21, 22 kleiner ist als der SOC von Block 20, wird in Verfahrensschritt c5) verzweigt und Blöcke 21, 22 werden vorwiegend bei geöffneten Schaltern 41 und 42, geschlossenen Cell-Balancing Schaltbrücken 33, 34 und geöffneten Cell-Balancing Schaltbrücken 35, 36 geladen.
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Falls der SOC von Block 21 kleiner ist als das SOC von Blöcken 20, 22, wird in Verfahrensschritt c6) verzweigt und Block 21 wird vorwiegend bei geöffnetem Schalter 41, geschlossenem Schalter 42 und geschlossenen Cell-Balancing Schaltbrücken 33, 34 geladen.
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Falls der SOC von Block 22 kleiner ist als der SOC von den Blöcken 20, 21, wird in Verfahrensschritt c7) verzweigt und Block 22 wird vorwiegend bei geöffnetem Schalter 42, geschlossenem Schalter 41 und geschlossenen Cell-Balancing Schaltbrücken 33, 34 geladen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/124552 [0004]
- US 2009/0128095 [0004]
- US 2009/0286149 [0004]
