DE102012204933A1 - Batteriesystem und Verfahren zum Ansteuern von Batteriemodulen des Batteriesystems - Google Patents

Batteriesystem und Verfahren zum Ansteuern von Batteriemodulen des Batteriesystems Download PDF

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Abstract

Es wird ein Batteriesystem offenbart, das eine Steuereinrichtung und eine Mehrzahl von parallel geschalteten Batteriesträngen (11, 41, 50) aufweist, von denen jeder jeweils eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen (30, 51) umfasst. Gemäß der Erfindung sind eines oder mehrere Batteriemodule (30, 51) zumindest eines ersten Batteriestrangs (11, 41, 50) dazu ausgebildet, mittels Ansteuerung durch die Steuereinrichtung zu dem Batteriestrang (11, 41, 50) zuschaltbar zu sein, wobei das Batteriesystem (40) ferner dazu eingerichtet ist, durch Taktung zumindest eines der zuschaltbaren Batteriemodule (30, 51) des ersten Batteriestrangs (11, 41, 50) eine vorbestimmte oder gewählte Ausgangsspannung des ersten Batteriestrangs (11, 41, 50) einzustellen.
Ferner wird ein dazugehöriges Verfahren zum Ansteuern von Batteriemodulen (30, 51) eines Batteriesystems (40) zur Verfügung gestellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, das eine Mehrzahl von parallel geschalteten Batteriesträngen mit jeweils einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit Batteriesträngen, die jeweils zumindest ein Batteriemodul aufweisen, das mittels Ansteuerung wechselweise dem betreffenden Batteriestrang zugeschaltet oder von dem Batteriestrang entkoppelt werden kann. Außerdem betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zum Ansteuern von Batteriemodulen des Batteriesystems.
  • Stand der Technik
  • In stationären Energiespeichern wird typischerweise eine große Anzahl von Batteriezellen benötigt. Dabei werden für eine Batterie mit mehreren MWh Energieinhalt beispielsweise mehrere Tausend Batteriezellen miteinander verschaltet, wobei die Anzahl der Zellen mit kleiner werdender Zellenkapazität ansteigt. Ferner ist es für Anwendungen, die einen großen Energiespeicher erfordern, häufig insbesondere auch erforderlich, mehr Zellen als zur Erreichung der geforderten Ausgangsspannung eigentlich notwendig sind, zu verbauen. Die Batteriezellen können seriell und/oder parallel verschaltet sein, wobei oft eine Kombination aus einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung angewendet wird. Typischerweise weisen die Konfigurationen entweder mehrere parallel verschaltete Batteriezellen oder mehrere parallele Batteriestränge auf.
  • So findet man bei der Verwendung vieler Zellen meist eine der in den 1 und 2 gezeigten Konfigurationen. Dabei wird gemäß 1 eine Parallelschaltung 10 von Batteriesträngen 11 gezeigt, bei der zunächst viele Batteriezellen 13 in Serie verschaltet werden und die sich daraus ergebenden Batteriestränge 11 anschließend parallel geschaltet werden. Alternativ kann eine Parallelschaltung 21 von Batteriezellen vorgenommen werden, und anschließend eine Serienschaltung 22 der parallel geschalteten Batteriezellen, so dass sich eine Schaltungstopologie 20, wie in 2 gezeigt, ergibt. Wie bereits erwähnt, sind auch Mischkonfigurationen denkbar.
  • Nachteilig an den bekannten Topologien ist jedoch, dass die einzelnen Batteriezellen oder Batteriemodule, wenn ein Verbraucher angeschlossen wird, aufgrund der Toleranzen des Innenwiderstandes unterschiedlich stark belastet und damit unterschiedlich stark entladen werden. Bei einer Änderung der Belastung entstehen somit unerwünschte Ausgleichsströme zwischen den Zellen. Dadurch ergeben sich Verluste und die Lebensdauer der Zellen verringert sich.
  • Da sich ferner die Batteriezellen eines Batteriesystems oder einer Batterie über die Lebensdauer des Batteriesystems oder der Batterie im Allgemeinen unterschiedlich verhalten, kommt es bei solchen wie oben beschriebenen insbesondere älteren Batterien oder Batteriesystemen zu Ausgleichsströmen zwischen den einzelnen Batteriesträngen oder Batteriemodulen, die noch zusätzliche Verluste erzeugen und darüber hinaus die Batteriezellenalterung noch zusätzlich beschleunigen.
  • Aus dem Dokument DE 10 2009 028 977 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, bei dem eine Vielzahl von Batteriemodulen zwecks Ladungsausgleichs über eine elektrische Verbindung miteinander gekoppelt ist. Zusätzlich sind die Batteriemodule über jeweils dazwischengeschaltete DC/DC-Wandler parallel oder in Reihe geschaltet, so dass eine Einstellung einer gewünschten Ausgangsspannung ermöglicht wird. Bei ungleicher Spannung zwischen den Batteriemodulen fließen durch die elektrischen Verbindungen Ausgleichsströme, die die Spannung zwischen den Batteriemodulen aneinander angleichen. Bei gleicher Spannung aller Batteriemodule, das heißt im ausgeglichenen Ladungszustand, fließen hingegen keine Ausgleichsströme.
  • Ferner gibt es Verfahren, bei denen eine oder mehrere zu einem Batteriemodul zusammengefasste Batteriezellen mittels Halbbrücken- oder Vollbrückenkonfiguration einem Batteriestrang zugeschalten oder überbrückt werden. 3 zeigt dieses Verfahren. Wird der Schalter S1 geschlossen, so ist das Modul 30 dem Strang zugeschaltet und die Summenspannung der zugeschalteten Zellen trägt zur Gesamtausgangsspannung des Moduls bei. Ist S1 geöffnet und S2 geschlossen, so wird das Modul 30 vom Batteriestrang entkoppelt und überbrückt. Das Modul 30 weist mehrere Batteriezellen 13 auf. Werden nun mehrere aus solchen Modulen 30 bestehende Stränge parallel geschaltet, so ist jedoch das Problem der Ausgleichsströme noch nicht gelöst.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, das eine Steuereinrichtung und eine Mehrzahl von parallel geschalteten Batteriesträngen aufweist, von denen jeder jeweils eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen umfasst. Eines oder mehrere Batteriemodule von zumindest einem ersten Batteriestrang sind dazu ausgebildet, mittels Ansteuerung durch die Steuereinrichtung zu dem Batteriestrang zuschaltbar zu sein. Ferner ist das Batteriesystem dazu eingerichtet, durch Taktung zumindest eines der zuschaltbaren Batteriemodule des ersten Batteriestrangs eine vorbestimmte oder gewählte Ausgangsspannung des ersten Batteriestrangs einzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Ansteuern von Batteriemodulen eines Batteriesystems geschaffen, wobei das Batteriesystem eine Mehrzahl von parallel geschalteten Batteriesträngen mit jeweils einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen aufweist. Zumindest ein Batteriemodul in einem der Batteriestränge wird mittels Ansteuerung wechselweise dem Batteriestrang zugeschaltet oder von dem Batteriestrang entkoppelt gemäß einer Taktung, so dass verfahrensgemäß eine vorbestimmte oder gewählte Ausgangsspannung des Batteriestranges eingestellt wird.
  • Da durch die erfindungsgemäße Lösung die Ausgangsspannungen der Batteriestränge jeweils auf einfache Weise durch Taktung eingestellt und somit auch angepasst werden können, beispielsweise zum Spannungsausgleich zwischen den parallelen Batteriesträngen, kann das Problem der Ausgleichsströme vorteilhafterweise vermieden werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eines der zuschaltbaren Batteriemodule von einem der Batteriestränge ferner dazu ausgebildet, mittels Ansteuerung durch die Steuereinrichtung von dem jeweiligen Batteriestrang entkoppelbar zu sein, derart, dass im entkoppelten Zustand des Batteriemoduls dessen Batteriemodulspannung nicht zur Ausgangsspannung des Batteriestrangs beiträgt in der Reihenschaltung des jeweiligen Batteriestrangs.
  • Ein Vorteil davon ist, dass ermöglicht wird, Batteriezellen beispielsweise im Falle eines Zelldefekts auf einfache Weise auszutauschen, auch im angeschlossenen Zustand der Batterie. So kann im Falle eines Defekts einer Zelle das betreffende Modul überbrückt werden.
  • Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Parallelschaltung der Mehrzahl von Batteriesträngen mittels von parallel geschalteten Induktivitäten ausgebildet, wobei jeder von den Batteriesträngen jeweils einer Induktivität zugeordnet ist.
  • Auf diese Weise wird die Entkopplung der Batteriestränge auf besonders effektive und zuverlässige einfache Weise erreicht. Zudem können die Entkopplungs-Induktivitäten dazu beitragen, im Mittel eine gewünschte Ausgangsspannung für jeden Strang exakt einzustellen, insbesondere wenn die Induktivitäten als induktiver Energiespeicher verwendet werden.
  • Die einzelnen Stränge können in dieser Konfiguration wie parallel geschaltete DC/DC-Wandler arbeiten.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Batteriemodule derart angesteuert werden, dass zur Erzeugung der vorbestimmten oder gewählten Ausgangsspannung des Batteriestrangs nur ein Teil der Batteriemodule verwendet und mit der Taktung angesteuert wird.
  • Ferner kann das Batteriesystem eine Mehrzahl von DC/DC-Wandlern umfassen, wobei die Batteriestränge des Batteriesystems jeweils ein derartiges zuschaltbares Batteriemodul aufweisen, das mit einem der DC/DC-Wandler betrieben, insbesondere mittels des DC/DC-Wandlers zugeschaltet, werden kann.
  • Bevorzugt weist dabei zumindest eines der mit einem der DC/DC-Wandler betreibbaren Batteriemodule eine Batteriezellenanzahl auf, die größer oder zumindest gleich der Anzahl der restlichen Batteriezellen des betreffenden Batteriestrangs ist.
  • Dadurch, dass die Batteriemodule bzw. Batteriestränge jeweils mit einem DC/DC-Wandler betrieben werden, kann die Entkopplung der Batteriestränge weiter verbessert werden.
  • Besonders bevorzugt wird jeweils nur genau ein Zellmodul pro Batteriestrang mit einem DC/DC-Wandler betrieben.
  • Anschaulich gesagt, es werden bei dieser besonders vorteilhaften Ausführungsform mehr Zellen als eigentlich zur Erreichung der gewünschten Ausgangsspannung notwendig in einem Strang verwendet, so dass im Normalfall immer nur ein Teil der vorhandenen Zeilen dem Strang zugeschaltet wird. Im Falle eines Zelldefekts ergeben sich so keine Änderungen für die Ausgangsspannung des Strangs und somit keine Auswirkungen auf die Betriebsstrategie der anderen parallel geschalteten Stränge.
  • Die Anzahl m der Zellen desjenigen Batteriemoduls, das mit einem DC/DC-Wandler betrieben wird, wird derart groß gewählt, so dass unter Berücksichtigung der Zelltoleranzen alle DC/DC-Wandler der parallel zu schaltenden Stränge dieselbe Ausgangsspannung erzeugen können.
  • Erfindungsgemäß kann die Anzahl m hinreichend groß gewählt werden, beispielsweise größer als die Anzahl n der restlichen Zellen des betreffenden Batteriestrangs.
  • Auf diese Weise werden die mit dem DC/DC-Wandler verschalteten Zellen besonders wenig belastet, was unter anderem deren Lebensdauer erhöht. Dieser Vorteil ergibt sich ferner im besonderen Maße, wenn erfindungsgemäß die DC/DC-Wandler als Tiefsetzsteller ausgebildet sind. Dadurch, dass ein DC/DC-Wandler hierbei nicht die gesamte Strangspannung schaltet, können vorteilhafterweise beispielsweise ein Schalter und Diode, die in dem DC/DC-Wandler angeordnet sind, nur auf lediglich relativ kleine Spannung ausgelegt sein. Dies gilt auch für die erfindungsgemäß verwendeten Induktivitäten. Somit ergibt sich eine erhebliche Aufwands- und Kostenersparnis.
  • Ein mit einem der DC/DC-Wandler betreibbares Batteriemodul kann am Ende eines Batteriestrangs angeordnet sein. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die DC/DC-Wandler jedoch jeweils am Anfang des Batteriestrangs oder in der Mitte angeordnet.
  • Erfindungsgemäß kann das Batteriesystem eine Lithium-Ionen-Batterie aufweisen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden auch ein Fahrzeug und eine Energiespeichereinrichtung zur Verfügung gestellt, die jeweils das erfindungsgemäße Batteriesystem aufweisen.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Batterie mit mehreren parallel geschalteten Batteriesträngen nach dem Stand der Technik,
  • 2 ein Batteriesystem mit mehreren in Reihe geschalteten Parallelschaltungen von Batteriemodulen nach dem Stand der Technik,
  • 3 ein Batteriemodul, das zuschaltbar und entkoppelbar ausgebildet ist, nach dem Stand der Technik,
  • 4 eine Parallelschaltung von durch Induktivitäten entkoppelten Batteriesträngen, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • 5 ein Prinzipschaltbild eines mittels eines DC/DC-Wandlers entkoppelbaren Batteriestranges eines erfindungsgemäßen Batteriesystems nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
  • 6 ein Prinzipschaltbild von durch Induktivitäten entkoppelten Batteriesträngen, bei denen jeweils nur das erste Batteriemodul als ein ansteuerbares Batteriemodul verwendet wird, nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 4 ist ein Batteriesystem 40 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Batteriesystem 40 weist mehrere parallele Batteriestränge 41 auf, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei explizit dargestellt sind. Jeder Batteriestrang 41 hat eine Vielzahl von Batteriemodulen 42, die jeweils gemäß einer Reihenschaltung angeordnet sind. Die Batteriemodule 42 können eine oder mehrere Batteriezellen 13 aufweisen, obwohl in der Figur jeweils nur eine Batteriezelle 13 dargestellt wird. Die Batteriezellen 13 können jeweils mittels von Schaltern S1, S2 dem jeweiligen Batteriestrang 41 zugeschaltet oder von dem Batteriestrang 41 abgetrennt werden. Ferner werden die Batteriestränge 41 erfindungsgemäß durch eine Mehrzahl von Induktivitäten L entkoppelt.
  • In 5 ist ein Prinzipschaltbild eines mittels eines DC/DC-Wandlers entkoppelbaren beispielhaften Batteriestranges 50 eines erfindungsgemäßen Batteriesystems nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird das erste Batteriemodul 51 des Batteriestrangs 50 mit einem DC/DC-Wandler 52 betrieben. Die restlichen Batteriemodule bzw. Batteriezellen des Batteriestrangs 50 werden nicht mit dem DC/DC-Wandler 52 betrieben. Der DC/DC-Wandler 52 weist im Wesentlichen die Induktivität L, die Diode D und den Schalter S1 auf. Das Batteriesystem weist eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) zum Ansteuern des Batteriemoduls 51 bzw. zum Ansteuern des DC/DC-Wandlers 52 auf. Für das Batteriemodul 51 ist eine Anzahl m an Zellen vorgesehen, wobei m = n sein kann, aber nicht muss. Der Fachmann versteht, dass die Erfindung nicht auf eine bestimmte Art von DC/DC-Wandlern beschränkt ist.
  • In 6 ist ein Prinzipschaltbild von durch Induktivitäten entkoppelten Batteriesträngen 61 eines Batteriesystems 60 nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Bei den Batteriesträngen 61 weist wird jeweils nur das erste Batteriemodul 62 als ein ansteuerbares Batteriemodul verwendet. Die Batteriestränge 61 werden durch Induktivitäten L1 und L2 entkoppelt. Der Strom für jeden Batteriestrang 61 kann somit jeweils durch Taktung individuell eingestellt werden, so dass die Batteriestränge 61 je nach ihrer Leistungsfähigkeit betrieben werden können und das Problem der Ausgleichsströme vermieden wird.
  • Der Fachmann erkennt, dass die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen kann die Erfindung auch auf andere Weise geeignet angepasst und modifiziert werden innerhalb des Rahmens, der durch die unabhängigen Ansprüche definiert ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009028977 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Batteriesystem (40), das eine Steuereinrichtung und eine Mehrzahl von parallel geschalteten Batteriesträngen (11, 41, 50) aufweist, von denen jeder jeweils eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen (30, 51) umfasst, wobei eines oder mehrere Batteriemodule (30, 51) zumindest eines ersten Batteriestrangs (11, 41, 50) dazu ausgebildet sind, mittels Ansteuerung durch die Steuereinrichtung zu dem Batteriestrang (11, 41, 50) zuschaltbar zu sein, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (40) ferner dazu eingerichtet ist, durch Taktung zumindest eines der zuschaltbaren Batteriemodule (30, 51) des ersten Batteriestrangs (11, 41, 50) eine vorbestimmte oder gewählte Ausgangsspannung des ersten Batteriestrangs (11, 41, 50) einstellen zu können.
  2. Batteriesystem (40) nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der zuschaltbaren Batteriemodule (30, 51) von einem der Batteriestränge (11, 41, 50) ferner dazu ausgebildet ist, mittels Ansteuerung durch die Steuereinrichtung von dem jeweiligen Batteriestrang (11, 41, 50) entkoppelbar zu sein, derart, dass im entkoppelten Zustand des Batteriemoduls (30, 51) dessen Batteriemodulspannung nicht zur Ausgangsspannung des Batteriestrangs (11, 41, 50) beiträgt in der Reihenschaltung des jeweiligen Batteriestrangs (11, 41, 50).
  3. Batteriesystem (40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Parallelschaltung der Mehrzahl von Batteriesträngen (11, 41, 50) mittels von parallel geschalteten Induktivitäten ausgebildet ist, wobei jeder von den Batteriesträngen (11, 41, 50) jeweils einer Induktivität (L, L1, L2) zugeordnet ist.
  4. Batteriesystem (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Mehrzahl von DC/DC-Wandlern (52) umfasst, wobei die Batteriestränge (11, 41, 50) des Batteriesystems (40) jeweils ein derartiges zuschaltbares Batteriemodul (30, 51) aufweisen, das mit einem der DC/DC-Wandler (52) betrieben, insbesondere mittels des DC/DC-Wandlers (52) zugeschaltet, werden kann.
  5. Batteriesystem (40) nach Anspruch 4, wobei zumindest eines der mit einem der DC/DC-Wandler (52) betreibbaren Batteriemodule (30, 51) eine Batteriezellenanzahl (m) aufweist, die größer oder zumindest gleich der Anzahl (n) der restlichen Batteriezellen des betreffenden Batteriestrangs (11, 41, 50) ist.
  6. Batteriesystem (40) nach Anspruch 4 oder 5, wobei zumindest eines der mit einem der DC/DC-Wandler (52) betreibbaren Batteriemodule (30, 51) am Ende eines Batteriestrangs (11, 41, 50) angeordnet ist.
  7. Batteriesystem (40) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei zumindest einer der DC/DC-Wandler (52) als Tiefsetzsteller ausgebildet ist.
  8. Verfahren zum Ansteuern von Batteriemodulen (30, 51) eines Batteriesystems (40), das eine Mehrzahl von parallel geschalteten Batteriesträngen (11, 41, 50) mit jeweils einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen (30, 51) aufweist, wobei zumindest ein Batteriemodul (30, 51) einem der Batteriestränge (11, 41, 50) mittels Ansteuerung wechselweise dem Batteriestrang (11, 41, 50) zugeschaltet oder von dem Batteriestrang (11, 41, 50) entkoppelt wird gemäß einer Taktung, so dass dadurch eine vorbestimmte oder gewählte Ausgangsspannung des Batteriestranges (11, 41, 50) eingestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei bei zumindest einem Batteriestrang (11, 41, 50) dessen Batteriemodule (30, 51) derart angesteuert werden, dass zur Erzeugung der vorbestimmten oder gewählten Ausgangsspannung des Batteriestrangs (11, 41, 50) nur ein Teil der Batteriemodule (30, 51) verwendet und mit der Taktung angesteuert wird.
  10. Fahrzeug oder Energiespeichereinrichtung, aufweisend das Batteriesystem (40) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
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