DE102012205395A1 - Batteriesystem, Verfahren zum Laden von Batteriemodulen, sowie Verfahren zum Balancieren von Batteriemodulen - Google Patents

Batteriesystem, Verfahren zum Laden von Batteriemodulen, sowie Verfahren zum Balancieren von Batteriemodulen Download PDF

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Abstract

Es wird Batteriesystem (200, 300) offenbart, das eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen (201) aufweist, die mittels Ansteuerung selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können, wobei im aktivierten Zustand die Batteriemodulspannung eines jeweiligen Batteriemoduls (201) zu einer Ausgangsspannung der Batterie beiträgt und im deaktivierten Zustand das Batteriemodul (201) aus dem Strompfad der Batterie entkoppelt ist. Das Batteriesystem (200, 300) umfasst eine Schaltung zum Laden der Batteriemodule (201), die derartig gemäß einer in das Batteriesystem (200, 300) integrierten Schaltwandlertopologie (202, 301) angeordnete Bauelemente (203, 204, 206, 207, 208) aufweist, dass die Batteriemodule (201) geladen werden können, unabhängig davon, ob ein jeweiliges zu ladendes Batteriemodul (201) sich im aktivierten oder im deaktivierten Zustand befindet. Ferner werden ein Verfahren zum Laden von Batteriemodulen (201), ein Verfahren zum Balancieren von Batteriemodulen (201), sowie ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem (200, 300) offenbart.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein modulares Batteriesystem. Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Batteriesystem, das eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen aufweist, die mittels Ansteuerung selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können, wobei im aktivierten Zustand die Batteriemodulspannung eines jeweiligen Batteriemoduls zu einer Ausgangsspannung der Batterie beiträgt und im deaktivierten Zustand das Batteriemodul aus dem Strompfad der Batterie entkoppelt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zum Laden von Batteriemodulen und ein Verfahren zum Balancieren von Batteriemodulen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem.
  • Stand der Technik
  • Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einer solchen Batterie bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen. Außerdem ist es oft von Vorteil, die Batteriespannung variabel einstellen zu können, beispielsweise um die Batteriespannung an die Betriebssituation des Motors anzupassen.
  • Daher wurden in früheren Patentanmeldungen der Anmelderin Batteriesysteme vorgestellt, die einen oder mehrere Batteriemodulstränge aufweisen, deren einzelne Batteriemodule in dem Batteriemodulstrang jeweils selektiv zugeschaltet bzw. wieder deaktiviert werden können. Ein Beispiel für ein Batteriesystem mit einem solchen Batteriemodulstrang wird in 1 schematisch dargestellt. Gemäß 1 weist ein Batteriesystem 100 mehrere miteinander in Serie geschaltete Batteriemodule 101 auf, die den Batteriemodulstrang bilden. Jedes Batteriemodul 101 hat eine oder mehrere Batteriezellen 102, von denen in der Zeichnung pro Batteriemodul 101 lediglich eine dargestellt ist. Ferner werden in 1 nur zwei Batteriemodule 101 explizit gezeigt, in vielen Anwendungen umfasst ein Batteriemodulstrang jedoch mehr als zwei Batteriemodule 101, was in der Zeichnung durch Punkte angedeutet wird. Ein Batteriemodul 101 kann eine beliebige Anzahl von Batteriezellen 102 umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann jedes Batteriemodul 101 dieselbe Anzahl von Batteriezellen 102 aufweisen, jedoch kann gemäß anderen Ausführungsformen eines der Batteriemodule 101 eine unterschiedliche Anzahl von Batteriezellen 102 aufweisen im Vergleich zu den restlichen Batteriemodulen 101. Ferner weist jedes Batteriemodul 101 jeweils zwei Schaltelemente 103, 104 auf, wobei je nach Schaltstellung der Schaltelemente 103, 104 ein jeweiliges Batteriemodul aktiviert oder deaktiviert werden kann. So wird bei einer Schaltstellung, bei der das gemäß 1 obere Schaltelement 103 eines Batteriemoduls 101 sich im geschlossenen Zustand befindet, wohingegen das untere Schaltelement 104 sich im geöffneten Zustand befindet, ein jeweiliges Batteriemodul 101 dem Batteriemodulstrang zugeschaltet, so dass die Batteriemodulspannung des jeweiligen zugeschalteten bzw. aktivierten Batteriemoduls 101 zu einer Batteriespannung beiträgt, die an den beiden Terminals 105, 106 zur Verfügung steht. Wird dahingegen, gemäß einer anderen Schaltstellung, das obere Schaltelement 103 geöffnet und das untere Schaltelement 104 geschlossen, so wird das jeweilige Batteriemodul 101 deaktiviert. Genauer gesagt, im deaktivierten Zustand wird ein Batteriemodul 101 aus dem Strompfad der Batterie entkoppelt und elektrisch leitend überbrückt, so dass lediglich die restlichen, aktivierten Batteriemodule 101 zu der Batteriespannung beitragen und somit Batteriestrom und elektrische Energie liefern können.
  • Ein Vorteil einer Anordnung gemäß 1 ist, dass auf diese Weise eine variable, wählbare Batteriespannung eingestellt werden kann. Beispielsweise kann bei hinreichend feiner Einteilung des Batteriemodulstrangs in eine Vielzahl von Batteriemodulen 101 und bei geeigneter Ansteuerung ein sinusförmiger Verlauf der Batteriespannung an den Terminals 105, 106 eingestellt werden. Wenn darüber hinaus mehrere Batteriemodulstränge verwendet werden, die jeweils angesteuert werden, eine sinusförmige Ausgangsspannung zu liefern, kann das Verfahren noch entsprechend optimiert werden. Beispielsweise können drei phasenversetzte Sinusspannungen erzeugt werden, so dass ein Dreiphasen-Elektromotor angesteuert werden kann, ohne dass ein zwischengeschalteter Wechselrichter erforderlich ist.
  • Nachteilig an einer derartigen modularen Anordnung ist jedoch, dass für ein Laden der Batteriezellen 102 typischerweise auch über die für die Zuschaltung und Überbrückung vorgesehenen Schalter 103, 104 geeignet bestätigt werden müssen, so dass jedes der Batteriemodule 101 in den Strompfad der Batterie zugeschaltet wird. Genauer gesagt, um beispielsweise aus einem Fahrzeug-Bordnetz ein Batteriemodul 101 zu laden, muss das jeweilige Batteriemodul 101, falls es sich vorher im deaktivierten Zustand befindet, wieder zugeschaltet werden. Ferner ist ein Laden der Batteriemodule 101 im Allgemeinen lediglich aus dem Fahrzeug-Bordnetz möglich. In der 1 wird der Batteriestrom I durch den doppelten Pfeil veranschaulicht, wobei je nachdem ob die Batterie gerade geladen wird oder entladen wird, der Strom I in die Batteriezellen hineinfließt bzw. den Batteriezellen entnommen wird. Auch muss für das Laden der Batterie die dafür notwendige Energie zunächst in das Fahrzeug-Bordnetz übertragen werden, um daraus dann die Zellen durch Zuschalten der jeweiligen Module laden zu können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem bereitgestellt, das eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen, die mittels Ansteuerung selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können, aufweist, wobei im aktivierten Zustand die Batteriemodulspannung eines jeweiligen Batteriemoduls zu einer Ausgangsspannung der Batterie beiträgt und im deaktivierten Zustand das Batteriemodul aus dem Strompfad der Batterie entkoppelt ist. Das Batteriesystem umfasst ferner eine Schaltung zum Laden der Batteriemodule, die derartig gemäß einer in das Batteriesystem integrierten Schaltwandlertopologie angeordnete Bauelemente aufweist, dass die Batteriemodule geladen werden können, unabhängig davon, ob ein jeweiliges zu ladendes Batteriemodul sich im aktivierten oder im deaktivierten Zustand befindet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Laden von Batteriemodulen, welche mittels Ansteuerung selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können, offenbart, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Verwendung der in dem erfindungsgemäßen Batteriesystem angeordneten Schaltung zum Laden von Batteriemodulen.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Balancieren von Batteriemodulen eines Batteriesystems, welche mittels Ansteuerung selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können, bereitgestellt. Verfahrensgemäß wird zum Balancieren der Batteriemodule eine Schaltung verwendet, die gemäß einer in das Batteriesystem integrierten Schaltwandlertopologie angeordnete Bauelemente aufweist.
  • Ferner wird gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, das einen Elektromotor und das erfindungsgemäße Batteriesystem aufweist, wobei das erfindungsgemäße Batteriesystem in einem Antriebsstrang des Elektromotors angeordnet ist.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Batteriemodule bzw. die Batteriezellen der Batteriemodule auf eine besondere Art und Weise geladen werden können, wobei die Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik ohne ein Aktivieren, das heißt Zuschalten von einzelnen Batteriemodulen, auskommt. Insbesondere wird es ermöglicht, dass die Zellmodule geladen werden können, ohne dass dabei Energie aus dem Fahrzeug-Bordnetz bezogen werden muss.
  • Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass im Batteriesystem zusätzliche Mittel bereitgestellt werden, um die Batteriemodule zu laden, wie in dem unabhängigen Anspruch 1 beschrieben wird. Dafür sind zusätzlich zum vorhandenen herkömmlichen Strompfad der Batteriemodule, der anschaulich gesagt zeitweise durch Deaktivierung der Batteriemodule umgelenkt werden kann, Bauelemente gemäß einer in das Batteriesystem integrierten Schaltwandlertopologie vorgesehen. Das Batteriesystem wird erfindungsgemäß derart modifiziert, dass es insbesondere als Schaltwandler ausgebildet ist bzw. Merkmale oder Funktionen eines Schaltwandlers aufweist zum Zwecke des Ladens der Batteriemodule.
  • Auch kann erfindungsgemäß mittels der verwendeten Schaltwandlertopologie Energie aus dem Fahrzeug-Bordnetz auf die einzelnen Zellmodule übertragen werden, ohne auf ein Aktivieren oder Zuschalten der einzelnen Batteriemodule angewiesen zu sein, wodurch sich eine höhere Flexibilität für modular aufgebaute Batteriesysteme ergibt.
  • Die Erfindung kann vorteilhaft insbesondere bei Batteriesystemen angewandt werden, deren Batteriemodule zwei Schaltelemente aufweisen, die jeweils derart angeordnet sind, dass bei einer ersten Schaltstellung der Schaltelemente ein jeweiliges Batteriemodul aktiviert ist und bei einer zweiten Schaltstellung der Schaltelemente das jeweilige Batteriemodul deaktiviert ist. Jedoch ist die Erfindung nicht auf ein solches Batteriemodul beschränkt. Stattdessen wird gemäß anderen Ausführungsbeispielen die erfindungsgemäße Schaltwandlertopologie bei Batteriemodulen eingesetzt, die auf eine andere Weise aktiviert bzw. zugeschaltet und wieder deaktiviert werden können.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen eines oder mehrere der Batteriemodule jeweils einen sekundärseitigen Teilschaltkreis der Schaltwandtopologie auf, deren Ausgangsspannung der Batteriemodulspannung eines jeweiligen Batteriemoduls entspricht. So kann beispielsweise bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der sekundärseitige Teilschaltkreis derart aufgebaut sein, dass er einem sekundärseitigen Teilschaltkreis eines herkömmlichen Schaltwandlers entspricht, wobei ein Ausgangkondensator durch eine oder mehrere Batteriezellen des Batteriemoduls ersetzt wird.
  • Die Erfindung ist nicht beschränkt auf eine besondere Form von Schaltwandlern. Bevorzugterweise wird ein Sperrwandler (Englisch: flyback converter) verwendet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung befindet sich ein Schalter zum Generieren einer Taktung des Schaltwandlers bzw. einer Taktung der Schaltwandlertopologie auf einer Primärseite der Schaltwandlerschaltung.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Schaltwandlertopologie mit ihrer Primärseite mit einem Terminal der Batterie verbunden. Dies hat den Vorteil, dass auch eigentlich abgeschaltete Zellmodule aus dem Fahrzeugbordnetz geladen werden können und ein Balancing zwischen den Zellmodulen, insbesondere während inaktiver Phasen (z. B. geparkter Zustand), ermöglicht wird. Dazu werden die Batteriemodule, aus denen Energie entnommen werden soll, eingeschaltet.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit durch die Taktung eines Schalters aktivierten Batteriemodulen Energie entnommen und vorteilhaft auf alle Batteriemodule, einschließlich der deaktivierten Batteriemodule, gleichmäßig zurückverteilt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Schaltwandler verwendet, der eine galvanische Trennung aufweist. Besonders vorteilhaft kann der primärseitige Teilschaltkreis der Schaltwandlertopologie galvanisch getrennt von den Batteriemodulen angeordnet werden. Mittels der galvanischen Trennung wird insbesondere ermöglicht, eine Isolation zwischen ladendem Netz, beispielsweise einem 220-V-Haushaltsnetz, und dem Fahrzeugnetz sicherzustellen.
  • Das Laden der einzelnen Batteriezellenmodule kann dabei direkt erfolgen, das heißt, auch ohne Verwendung der Batterieterminals oder ohne Energie aus bereits geladenen, aktivierten Batteriemodulen zu entnehmen.
  • Dem Schaltwandler können auf der Primärseite typischerweise eine Leistungsfaktor-Korrekturstufe (Englisch: Power Factor Correction) und ein Gleichrichter nachgeschaltet sein.
  • Die erfindungsgemäßen Batteriezellen sind bevorzugt Lithium-Ionen-Batteriezellen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einem modular aufgebauten Batteriemodulstrang gemäß dem Stand der Technik,
  • 2 eine schematische Prinzipdarstellung eines Batteriesystems mit einer integrierten Schaltwandlertopologie gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
  • 3 eine schematische Prinzipdarstellung eines Batteriesystems mit einer integrierten Schaltwandlertopologie gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein direktes Laden der Batteriemodule erfolgen kann.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 2 ist eine schematische Prinzipdarstellung eines Batteriesystems 200 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Vergleich zu dem Batteriesystem in 1 ist die Schaltung jedes Batteriemoduls 201 um Bauelemente ergänzt, die gemäß einer Schaltwandlertopologie 202 angeordnet sind. Genauer gesagt wird zu jedem Batteriemodul 201 eine Serienschaltung aus einer Diode 203 und einer Induktivität 204 parallel geschaltet. Die erfindungsgemäße Parallelschaltung der Diode 203 und der sekundären Induktivität 204 sind Bauelemente eines sekundärseitigen Teilschaltkreises 209 der Schaltwandlertopologie 202, die in das Batteriesystem 200 integriert ist, um eine flexible und vom Schaltzustand der Batteriemodule 201 weitestgehend unabhängige Aufladung der Batteriemodule 201 zu ermöglichen. Der Schaltwandler, das heißt, die Schaltwandlertopologie 202 weist eine galvanische Trennung 208 auf, die beispielsweise durch den Luftspalt eines Speichertransformators oder eine Spule implementiert sein kann. Der primärseitige Teilschaltkreis 205 der Schaltwandlertopologie 202 weist eine primäre Induktivität 206 auf und wird durch den Schalter 207 getaktet, um Energie aus dem primärseitigen Teilschaltkreis 205 auf die sekundärseitigen Teilschaltkreise 209, die in den Batteriemodulen 201 angeordnet sind, zu übertragen. Auf diese Weise kann elektrische Energie von dem Terminal 105 der Batterie entnommen werden, welche über die galvanische Trennung 208 hinweg auf die Batteriemodule 201 gleichmäßig übertragen werden kann. Alternativ dazu wird die Energie zum Laden der Batteriemodule 201 dem Fahrzeug-Bordnetz entnommen, beispielsweise indem die Energie aus dem Fahrzeug-Bordnetz über die Batterieterminals 105, 106 eingespeist wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine Aufladung der Batteriemodule 201 erfolgt und gleichzeitig alle Batteriemodule 201 deaktiviert sind. Gemäß einer Variante dieser Ausführungsform weist die Schaltwandlertopologie 202 genau einen Primärkreis 205 auf. Gemäß anderen Varianten erfolgt die Aufteilung der Schaltwandlertopologie 202 auf eine andere Art und Weise, wobei die Schaltwandlertopologie 202 mehrere Primärkreise 205 aufweist.
  • Die Anordnung gemäß dem Batteriesystem 200 gemäß 2 ermöglicht insbesondere ein besonders flexibles Balancing der Batteriemodule 201.
  • In der 3 ist eine schematische Prinzipdarstellung eines Batteriesystems 300 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu der Ausführungsform in 2 werden bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung die Batteriemodule 201 direkt geladen, beispielsweise ohne Hinzunahme des Fahrzeug-Bordnetzes. Die Ausführungsform gemäß 3 eignet sich besonders dafür, die Batteriemodule 201 beispielsweise über ein 220V-Haushaltsnetz aufzuladen, da der primärseitige Teilschaltkreis 302 der Schaltwandlertopologie 301 mittels der galvanischen Trennung 208 von der restlichen Schaltung des Batteriesystems 300 und von den Batteriemodulen 202 galvanisch getrennt angeordnet ist. So kann die Energie aus einem externen Netz oder dem 220V-Haushaltsnetz direkt in den primärseitigen Teilschaltkreis 302 eingespeist werden. Typischerweise weist die Eingangsstufe 303, die dem primärseitigen Teilschaltkreis 302 vorgeschaltet ist, eine Leistungsfaktor-Korrekturstufe und einen Gleichrichter auf.

Claims (11)

  1. Batteriesystem (200, 300), aufweisend eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen (201), die mittels Ansteuerung selektiv aktivierbar oder deaktivierbar ausgebildet sind, derart, dass im aktivierten Zustand die Batteriemodulspannung eines jeweiligen Batteriemoduls (201) zu einer Ausgangsspannung der Batterie beiträgt und im deaktivierten Zustand das Batteriemodul (201) aus dem Strompfad der Batterie entkoppelt ist, gekennzeichnet dadurch, dass das Batteriesystem (200, 300) eine Schaltung zum Laden der Batteriemodule (201) umfasst, die derartig gemäß einer in das Batteriesystem (200, 300) integrierten Schaltwandlertopologie (202, 301) angeordnete Bauelemente (203, 204, 206, 207, 208) aufweist, dass die Batteriemodule (201) geladen werden können, unabhängig davon, ob ein jeweiliges zu ladendes Batteriemodul (201) sich im aktivierten oder im deaktivierten Zustand befindet.
  2. Batteriesystem (200, 300) nach Anspruch 1, wobei jedes der Batteriemodule (201) zwei Schaltelemente (103, 104) aufweist, die jeweils derart angeordnet sind, dass bei einer ersten Schaltstellung der Schaltelemente (103, 104) ein jeweiliges Batteriemodul (201) aktiviert ist und bei einer zweiten Schaltstellung (103, 104) der Schaltelemente das jeweilige Batteriemodul (201) deaktiviert ist.
  3. Batteriesystem (200, 300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eines oder mehrere der Batteriemodule (201) jeweils einen sekundärseitigen Teilschaltkreis (209) der Schaltwandlertopologie (202, 301) aufweisen, deren Ausgangsspannung der Batteriemodulspannung eines jeweiligen Batteriemoduls (201) entspricht.
  4. Batteriesystem (200, 300) nach Anspruch 3, wobei die Schaltwandlertopologie (202, 301) eine galvanische Trennung (208) aufweist.
  5. Batteriesystem (200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein primärseitiger Teilschaltkreis (205, 302) der Schaltwandlertopologie (202, 301) galvanisch getrennt von den Batteriemodulen (201) angeordnet ist.
  6. Batteriesystem (200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltwandlertopologie (202, 301) primärseitig mit einem Terminal (105) der Batterie verbunden ist.
  7. Batteriesystem (200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem (200, 300) ferner eine Leistungsfaktor-Korrekturstufe und einen Gleichrichter aufweist, die eingangsseitig mit der Primärseite (301) der Schaltwandlertopologie (202, 301) gekoppelt sind.
  8. Batteriesystem (200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltwandlertopologie (202, 301) als Sperrwandler ausgebildet ist.
  9. Verfahren zum Laden von Batteriemodulen (201) eines Batteriesystems (200, 300), welche mittels Ansteuerung selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können, gekennzeichnet durch die Verwendung der in dem Batteriesystem (200, 300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordneten Schaltung zum Laden von Batteriemodulen (101).
  10. Verfahren zum Balancieren von Batteriemodulen (201) eines Batteriesystems (200, 300), welche mittels Ansteuerung selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können, dadurch gekennzeichnet, dass zum Balancieren der Batteriemodule (201) eine Schaltung verwendet wird, die gemäß einer in das Batteriesystem (200, 300) integrierten Schaltwandlertopologie (202, 301) angeordnete Bauelemente (203, 204, 206, 207, 208) aufweist.
  11. Kraftfahrzeug, das einen Elektromotor und das Batteriesystem (200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, wobei das Batteriesystem (200, 300) in einem Antriebsstrang des Elektromotors angeordnet ist.
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