DE102012014347B4 - Battery arrangement and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Batterieanordnung mit wenigstens zwei parallel geschalteten wiederaufladbaren Batterien, wobei eine erste Batterie auf Blei basierende Zellen und eine zweite Batterie auf Lithium basierende Zellen aufweist, wobei die zweite Batterie drei Lithiumzellen (8) vom Lithium-Kobalt-Mangan-Nickel-Typ und damit in Reihe geschaltet entweder eine Lithiumtitanatzelle (9) oder einen Kondensator aufweist, wobei die Batterieanordnung (1) eine Symmetrierschaltung (10, 23) zum Durchführen eines Ladungsausgleichs zwischen den auf Lithium basierenden Zellen (8, 9) und gegebenenfalls dem Kondensator aufweist, wobei sie zum Einstellen eines Arbeitspunkts durch Anpassen der temperaturabhängigen Ladespannung mittels der Symmetrierschaltung (10, 23) ausgebildet ist und wobei der Arbeitspunkt zwischen 13,3 V und 15,0 V einstellbar ist.A battery assembly comprising at least two rechargeable batteries connected in parallel, a first battery having lead-based cells and a second battery having lithium-based cells, the second battery having three lithium-cobalt-manganese-nickel type lithium cells (8) in series therewith connected either a lithium titanium cell (9) or a capacitor, wherein the battery assembly (1) comprises a balancing circuit (10, 23) for performing a charge equalization between the lithium-based cells (8, 9) and optionally the capacitor, wherein they for adjusting a working point by adjusting the temperature-dependent charging voltage by means of the balancing circuit (10, 23) is formed and wherein the operating point between 13.3 V and 15.0 V is adjustable.
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung mit wenigstens zwei parallel geschalteten wiederaufladbaren Batterien, wobei eine erste Batterie auf Blei basierende Zellen und eine zweite Batterie auf Lithium basierende Zellen aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterieanordnung.The invention relates to a battery arrangement with at least two rechargeable batteries connected in parallel, wherein a first battery has lead-based cells and a second battery has lithium-based cells. The invention also relates to a motor vehicle with such a battery arrangement.
Aus der nicht vorveröffentlichten
Derartige Batterieanordnungen sind primär für Kraftfahrzeuge vorgesehen, um die herkömmliche Bleibatterie in bestimmten Betriebszuständen zu entlasten bzw. zu unterstützen. Beispielsweise kann die Lithiumbatterie die beim Anlassen des Kraftfahrzeugs erforderlichen hohen Ströme zur Verfügung stellen. Darüber hinaus kann die Lithiumbatterie als Energiespeicher für durch Rekuperation gewonnene elektrische Energie dienen.Such battery assemblies are primarily intended for motor vehicles to relieve the conventional lead-acid battery in certain operating conditions or support. For example, the lithium battery can provide the high currents required when starting the motor vehicle. In addition, the lithium battery can serve as an energy store for energy recovered by recuperation.
Moderne Kraftfahrzeuge sind so ausgelegt, dass der als Antriebsaggregat dienende Verbrennungsmotor bei bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise bei einem Halt an einer Ampel, temporär abgestellt wird, um Kraftstoff zu sparen. Diese Funktion kann besonders gut mit einer parallel zu der Bleibatterie geschalteten Lithiumbatterie realisiert werden, die eine vergleichsweise hohe Zyklenfestigkeit aufweist.Modern motor vehicles are designed so that the internal combustion engine serving as a drive unit is temporarily turned off in certain operating states, for example when stopping at a traffic light, in order to save fuel. This function can be realized particularly well with a parallel to the lead-acid battery connected lithium battery, which has a relatively high cycle life.
In der Praxis tritt allerdings das Problem auf, dass die Ladespannung von Bleibatterien sehr stark temperaturabhängig ist. Die Ladespannung ist bei niedrigen Temperaturen hoch und bei hohen Temperaturen niedrig. Die jeweils geeignete, der Temperatur entsprechende Ladespannung muss beachtet werden, da ansonsten die Gefahr einer Überladung und gegebenenfalls einer Beschädigung der Bleibatterie besteht. Andererseits darf die geeignete Ladespannung auch nicht unterschritten werden, da die Batterie sonst nicht vollständig geladen wird.In practice, however, the problem arises that the charging voltage of lead acid batteries is very much dependent on temperature. The charging voltage is high at low temperatures and low at high temperatures. The respectively suitable charging voltage, which corresponds to the temperature, must be observed, otherwise there is a risk of overcharging and, if necessary, damage to the lead-acid battery. On the other hand, the appropriate charging voltage must not be undershot, otherwise the battery is not fully charged.
Bei Lithiumbatterien ist der Temperatureinfluss hingegen vernachlässigbar, stattdessen ist die Ladespannung stark vom SOC (state of charge, Ladezustand) abhängig. Bei Lithiumbatterien ist darauf zu achten, dass diese weder überladen noch tief entladen werden, um eine Beschädigung zu vermeiden.For lithium batteries, however, the influence of temperature is negligible, instead the charging voltage is strongly dependent on the SOC (state of charge, state of charge). For lithium batteries, make sure that they are neither overcharged nor discharged to avoid damage.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Batterieanordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung anzugeben, bei der die zweite Batterie auf Lithium basierende Zellen aufweist, die mit der für die Bleibatterie geeigneten Ladespannung geladen werden können.The invention is therefore based on the object to provide a battery assembly and a motor vehicle with a battery assembly, in which the second battery has lithium-based cells that can be charged with the appropriate charging voltage for the lead acid battery.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Batterieanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zweite Batterie entweder wenigstens zwei unterschiedliche Typen von auf Lithium basierenden Zellen umfasst, die bei demselben Ladezustand eine unterschiedliche Nennspannung aufweisen oder auf Lithium basierende Zellen und wenigstens einen Kondensator.To solve this problem, it is provided according to the invention in a battery arrangement of the type mentioned above that the second battery either comprises at least two different types of lithium-based cells which have a different rated voltage at the same state of charge or lithium-based cells and at least one capacitor.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass die Ladespannung der Bleibatterie vorgegeben ist und sich in einem engen Fenster bewegt, an das die zweite Batterie angepasst werden muss. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, zwei unterschiedliche Typen von auf Lithium basierenden Zellen vorzusehen, die bei vergleichbaren Bedingungen, beispielsweise bei demselben Ladezustand, eine unterschiedliche Nennspannung aufweisen. Durch eine geeignete Wahl von wenigstens zwei unterschiedlichen Typen von Lithiumzellen ergibt sich ein Arbeitsbereich, der sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen das Laden der Lithiumzellen gewährleistet. Alternativ werden auf Lithium basierende Zellen in Reihe mit einem Kondensator, insbesondere einem Doppelschichtkondensator, geschaltet.The invention is based on the consideration that the charging voltage of the lead-acid battery is predetermined and moves in a narrow window, to which the second battery has to be adapted. According to the invention, it is therefore provided to provide two different types of lithium-based cells, which have a different nominal voltage under comparable conditions, for example in the same state of charge. By a suitable choice of at least two different types of lithium cells results in a work area that ensures charging of the lithium cells at both low and high temperatures. Alternatively, cells based on lithium are connected in series with a capacitor, in particular a double-layer capacitor.
Die Batterieanordnung ist dabei zum Einstellen eines Arbeitspunkts mittels der Symmetrierschaltung ausgebildet. Demnach wird die von der Bleibatterie vorgegebene, temperaturabhängige Ladespannung mittels der Symmetrierschaltung angepasst, so dass die Lithiumzellen in einem optimalen Bereich betrieben werden.The battery assembly is designed for setting a working point by means of the balancing circuit. Accordingly, the predefined by the lead-acid battery, the temperature-dependent charging voltage is adjusted by means of the balancing circuit, so that the lithium cells are operated in an optimal range.
Indem erfindungsgemäß der Arbeitspunkt mittels der Symmetrierschaltung eingestellt werden kann, wird auch bei niedriger Ladespannung für eine ausreichende Energiereserve gesorgt. Die Einstellung des Arbeitspunkts erfolgt über die Symmetrierschaltung, die für auf Lithium basierenden Zellen obligatorisch ist. Man unterscheidet dabei zwischen einer Symmetrierschaltung mit passiver Symmetrierung mit Widerständen und einer aktiven Symmetrierung. Bei der aktiven Symmetrierung wird gezielt die Ladung von einer Zelle in andere Zellen geleitet. Beide Varianten sind für die Einstellung des Arbeitspunkts geeignet. Da sich die Temperatur einer Bleibatterie nur langsam ändert, kann auch das „Umladen” mittels der Symmetrierschaltung sehr langsam erfolgen. Das Vorsehen eines Doppelschichtkondensators weist den Vorteil auf, dass unabhängig von der Batterietemperatur und der Batterieladespannung eine große Energiereserve für Verbraucher bereit gestellt werden kann. Zudem sind derartige Doppelschichtkondensatoren kostengünstig und benötigen lediglich einen kleinen Bauraum.By according to the invention, the operating point can be adjusted by means of the balancing circuit, a sufficient energy reserve is provided even at low charging voltage. The adjustment of the operating point is via the balancing circuit, which is mandatory for lithium-based cells. A distinction is made between a balancing circuit with passive balancing with resistors and an active balancing. With active balancing, the charge is directed from one cell to another. Both variants are suitable for setting the operating point. Since the temperature of a lead-acid battery changes only slowly, the "reloading" by means of the balancing circuit can also take place very slowly. The provision of a double-layer capacitor has the advantage that a large energy reserve for consumers is available regardless of the battery temperature and the battery charging voltage can be made. In addition, such double-layer capacitors are inexpensive and only require a small space.
Der Arbeitspunkt ist bei der erfindungsgemäßen Batterieanordnung zwischen 13,3 V und 15,0 V einstellbar.The operating point is adjustable in the battery arrangement according to the invention between 13.3 V and 15.0 V.
Bei der erfindungsgemäßen Batterieanordnung wird es bevorzugt, dass entweder die beiden Typen von auf Lithium basierenden Zellen oder die auf Lithium basierenden Zellen und der Kondensator so gewählt sind, dass die Gesamtspannung der in Reihe geschalteten Lithiumzellen zwischen einem temperaturabhängigen unteren und einem temperaturabhängigen oberen Grenzwert für die Ladespannung der Bleibatterie liegt. Durch die spezielle Auswahl der wenigstens zwei unterschiedlichen Typen von auf Lithium basierenden Zellen ist einerseits sichergestellt, dass diese auch bei niedrigen Temperaturen nicht überladen werden und andererseits bei hohen Temperaturen genügend geladen werden.In the battery assembly according to the invention, it is preferred that either the two types of lithium-based cells or the lithium-based cells and the capacitor are chosen such that the total voltage of the series-connected lithium cells between a temperature-dependent upper and a lower temperature-dependent upper limit for Charging voltage of the lead-acid battery is. On the one hand, the special selection of the at least two different types of lithium-based cells ensures that they are not overloaded even at low temperatures and, on the other hand, that they are sufficiently charged at high temperatures.
Eine besonders bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Batterieanordnung sieht vor, dass sie drei Lithiumzellen vom NMC-Typ und eine Lithiumtitanatzelle umfasst. Der Begriff NMC-Typ wird als Abkürzung für Lithium-Kobalt-Mangan-Nickel-Lithiumzellen verwendet. Mit dieser Kombination zweier unterschiedlicher Typen von Lithiumzellen können unterschiedliche Arbeitspunkte innerhalb des durch die Ladespannung der Bleibatterie vorgegebenen Fensters gezielt ausgewählt werden. Somit ergibt sich eine Batterieanordnung, bei der die Lithiumbatterie optimal an die Ladespannung der Bleibatterie angepasst ist.A particularly preferred embodiment of the battery arrangement according to the invention provides that it comprises three lithium cells of the NMC type and a lithium titanium cell. The term NMC type is used as an abbreviation for lithium-cobalt-manganese-nickel-lithium cells. With this combination of two different types of lithium cells different operating points can be selectively selected within the specified by the charging voltage of the lead-acid battery window. This results in a battery arrangement in which the lithium battery is optimally adapted to the charging voltage of the lead-acid battery.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Lithiumtitanatzelle eine wesentlich größere Kapazität als die Lithiumzellen vom NMC-Typ besitzt, vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Kapazitäten näherungsweise 4:1. Bei dieser Ausgestaltung kann durch eine Änderung des Arbeitspunkts für jede Temperatur eine optimale Ladespannung eingestellt werden.It is also within the scope of the invention that the lithium titanium cell has a much larger capacity than the lithium cell of the NMC type, preferably the ratio of the capacitances is approximately 4: 1. In this embodiment, by changing the operating point, an optimum charging voltage can be set for each temperature.
Alternativ zu der Kombination von drei Lithiumzellen eines Typs und einer Lithiumzelle eines anderen Typs kann die erfindungsgemäße Batterieanordnung drei Lithiumzellen vom NMC-Typ und einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator, umfassen. Diese Zusammenstellung berücksichtigt einerseits den nutzbaren Bereich der Zellenspannung der NMC-Zellen als auch des Kondensators. Bei Kondensatoren ist der Ladezustand (SOC) direkt proportional der Zellenspannung, eine Spannung von 0 V entspricht 0% SOC, eine Spannung von 3 V entspricht z. B. 100% SOC. Bei NMC-Zellen steigt die Zellspannung mit zunehmenden SOC nur sehr flach an, beispielsweise entsprechen 30% SOC 3,6 V, 80% SOC entsprechen 3,9 V. Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Kombination einer Reihenschaltung von drei NMC-Zellen mit einem Doppelschichtkondensator (Supercap) ist das Verhältnis der Zellspannungen so gewählt, dass bei maximaler Ladespannung (Bodnetzspannung) weder eine der NMC-Zellen noch der Kondensator überladen wird. Die maximale Zellspannung von NMC-Zellen beträgt 4,2 V, die maximale Spannung eines Doppelschichtkondensators beträgt 3 V, dementsprechend darf die maximale Batteriespannung 15,6 V nicht übersteigen. Allerdings ist die Kapazität eines Doppelschichtkondensators zumeist kleiner als die einer NMC-Zelle, dementsprechend sinkt der Ladezustand und die Spannung des Doppelschichtkondensators bei niedriger Batterieladespannung wesentlich stärker im Vergleich zu den NMC-Zellen. Eine Vergrößerung der Kapazität des Kondensators ist keine zweckmäßige Lösung, da dies zu erhöhten Kosten und zu einem vergrößerten Bauraum führen würde.As an alternative to the combination of three lithium cells of one type and a lithium cell of another type, the battery arrangement according to the invention may comprise three NMC-type lithium cells and one capacitor, in particular a double-layer capacitor. On the one hand, this combination takes into account the usable range of the cell voltage of the NMC cells as well as of the capacitor. For capacitors, the state of charge (SOC) is directly proportional to the cell voltage, a voltage of 0 V corresponds to 0% SOC, a voltage of 3 V corresponds to z. 100% SOC. For NMC cells, the cell voltage increases only very shallowly with increasing SOC, for example, 30% SOC corresponds to 3.6 V, 80% SOC corresponds to 3.9 V. In the combination of a series connection of three NMC cells with a double-layer capacitor (FIG. Supercap), the ratio of the cell voltages is chosen so that at maximum charging voltage (Bodnetzspannung) neither one of the NMC cells nor the capacitor is overloaded. The maximum cell voltage of NMC cells is 4.2V, the maximum voltage of a double-layer capacitor is 3V, so the maximum battery voltage should not exceed 15.6V. However, the capacity of a double-layer capacitor is usually smaller than that of a NMC cell, accordingly, the state of charge and the voltage of the double-layer capacitor at low battery charging voltage drops much more in comparison with the NMC cells. An increase in the capacitance of the capacitor is not an appropriate solution, as this would lead to increased costs and increased space.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Batterieanordnung eine Symmetrierschaltung zum Ladungsausgleich für die auf Lithium basierenden Zellen aufweist. Mittels der Symmetrierschaltung können Herstellungstoleranzen oder Unterschiede zwischen einzelnen Lithiumzellen, die sich während des Betriebs einstellen, ausgeglichen werden. Eine erste Ausgestaltung der Symmetrierschaltung weist Widerstände auf, wobei jeweils ein Widerstand einer auf Lithium basierenden Zelle zugeordnet ist. Die Widerstände sind einzeln schaltbar, so dass bei Bedarf eine zu hohe Spannung einer Zelle mittels des Widerstands verringert werden kann. Die in der Lithiumzelle gespeicherte Energie wird dabei teilweise in Wärme umgewandelt. Eine andere Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Symmetrierschaltung zum Übertragen von Ladung von einer Zelle an eine andere Zelle ausgebildet ist. Auf diese Weise wird ein Ladungsausgleich realisiert, diese Variante ist besonders energieeffizient.It is also within the scope of the invention that the battery arrangement has a balancing circuit for charge compensation for the lithium-based cells. By means of the balancing circuit manufacturing tolerances or differences between individual lithium cells, which can be adjusted during operation, be compensated. A first embodiment of the balancing circuit has resistors, wherein in each case a resistor is assigned to a lithium-based cell. The resistors are individually switchable, so that if necessary too high a voltage of a cell can be reduced by means of the resistor. The stored energy in the lithium cell is partially converted into heat. Another embodiment may provide that the balancing circuit is designed to transfer charge from one cell to another cell. In this way, a charge balance is realized, this variant is particularly energy efficient.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Batterieanordnung der beschriebenen Art aufweist.In addition, the invention relates to a motor vehicle. The motor vehicle according to the invention is characterized in that it has a battery arrangement of the type described.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:The invention will be explained below with reference to embodiments with reference to the drawings. The drawings are schematic representations and show:
Als Bestandteil des Bordnetzes sind ein Startermotor
Die erste, als Bleibatterie
Die Lithiumbatterie
Die drei Lithiumzellen
In dem Diagramm von
Der nutzbare Bereich wird einerseits durch eine senkrechte Linie
Andererseits wird der Betriebsbereich durch die waagerechte Linie
In diesem Ausführungsbeispiel besitzt die Lithiumtitanatzelle
Die gestrichelte Linie
Die in
Die in
Die zweite Batterie
Die drei Lithiumzellen
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