DE102012208349A1

DE102012208349A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen der Ladezustände von Batteriemodulen einer Batterie

Info

Publication number: DE102012208349A1
Application number: DE201210208349
Authority: DE
Inventors: Hans Partes; Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Ladezustände von Batteriemodulen (220, 230) einer Batterie (100), wobei die Batteriemodule (220, 230) in mindestens einem Batteriemodulstrang angeordnet sind und jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassen und wobei die Batterie (100) mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Elektromotor (60) verbunden ist. Dabei wird während mindestens eines Entladevorganges der Batterie (100) mindestens ein erstes Batteriemodul (220) des Batteriestranges zur Erzeugung einer für den Betrieb des Elektromotors (60) verwendeten ersten Ausgangsspannung eingesetzt und dadurch entladen. Wenn für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers bzw. Elektromotors (60) eine gegenüber der ersten Ausgangsspannung höhere zweite Ausgangspannung der Batterie (60) benötigt wird, werden zusätzlich zu dem ersten Batteriemodul (220) geeignet viele weitere zweite Batteriemodule (230) des Batteriestranges zur Erzeugung der zweiten Ausgangsspannung der Batterie eingesetzt und dadurch entladen derart, dass am Ende des Ladevorganges das erste Batteriemodul (220) stärker als jedes der zweiten Batteriemodule (230) entladen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Einstellen der Ladezustände von jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassenden Batteriemodulen einer Batterie mit mindestens einem Batteriestrang, wobei die Batterie mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Elektromotor verbindbar ist. Auch betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer Batterie und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Batterie mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Elektromotor verbindbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem, wobei die Batterie des Batteriesystems mit dem Elektromotor des Fahrzeuges verbindbar ist.
Stand der Technik
In früheren Patentanmeldungen der Anmelderin werden Antriebssysteme, die jeweils ein Batteriesystem mit einer stufig einstellbaren Ausgangsspannung aufweisen und heute beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommen, beschrieben. Das Prinzipschaltbild eines solchen Antriebssystems 10 ist in der 1 dargestellt.
Ein Batteriesystem 101 umfasst eine Batterie 100, die an einen Gleichspannungszwischenkreis (nicht gekennzeichnet), der einen Kondensator umfasst, angeschlossen ist. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein von dem Batteriesystem 101 umfasster Pulswechselrichter 50, über den an drei Ausgängen jeweils mittels zwei schaltbaren Halbleiterventilen (nicht gekennzeichnet) und zwei Dioden (nicht gekennzeichnet) gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines dreiphasigen Elektromotors (elektrischen Antriebsmotors) 60 bereitgestellt werden. Die Kapazität des Kondensators 40 muss groß genug sein, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug ergibt sich eine hohe Kapazität im Bereich von mF.
Die Batterie 100 umfasst einen Batteriestrang 110 mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriemodulen, von denen in der Zeichnung nur zwei Batteriemodule 120, 130 dargestellt sind. Zwischen dem Batteriemodul 120 und einem positiven Pol 121 des Batteriestranges 110, der in diesem Fall ein positives Batterieterminal bildet, ist eine Lade- und Trenneinrichtung 140 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen dem Batteriemodul 130 und einem negativen Pol 131 des Batteriestranges 110, der in diesem Fall ein negatives Batterieterminal bildet, eine Trenneinrichtung 150 geschaltet werden. Die Trenn- und Ladeeinrichtungen 140, 150 sind jeweils dazu ausgebildet, die mittels einer Koppeleinrichtung (nicht dargestellt) an den Batteriestrang 110 koppelbaren Batteriemodule 120, 130 von den Batterieterminals 121, 131 abzutrennen, um die Batterieterminals 121, 131 spannungsfrei zu schalten.
In der 2 ist ein Antriebssystem 10 mit einem dreiphasigen Elektromotor (elektrischer Antriebsmotor) 60 dargestellt, der an ein Batteriesystem 101 mit einer Batterie 100 mit einer stufig einstellbaren Ausgangsspannung angeschlossen ist. Zwischen dem Elektromotor 60 und der Batterie 100 ist ferner ein entsprechender mehrphasiger Wechselrichter (mehrphasigen Umrichter) angeordnet, der in dem Batteriesystem 100 integriert ist und deswegen hier nicht separat dargestellt wird. Die Batterie 100 umfasst drei parallel geschaltete Batteriestränge 110, die jeweils ähnlich wie der in 1 dargestellte Batteriestrang aufgebaut sind. Die Batteriestränge 110 sind jeweils über ihrem positiven Pol 121 und dem im Batteriesystem 101 integrierten mehrphasigen Wechselrichter (nicht separat dargestellt) mit dem dreiphasigen Elektromotor 60 elektrisch verbunden. Verallgemeinert ausgedrückt, für einen n-phasigen (n > 2) Elektromotor würde die Batterie 100 entsprechend n parallel geschaltete Batteriestränge 110 umfassen. Jeder Batteriestrang 110 umfasst mehrere in Reihe geschaltete, zwischen seinem negativen Pol 131 und seinem positiven Pol 121 angeordnete Batteriemodule 120, 130, von denen in der Zeichnung pro Batteriestrang 110 nur zwei dargestellt worden sind.
Alle Batteriemodule 120, 130 der Batterie 100 umfassen ferner eine (nicht dargestellte) Koppeleinrichtung, mittels der die Batteriemodule 120, 130 jeweils an den zugeordneten Batteriestrang 110 gekoppelt und von dem zugeordneten Batteriestrang 110 entkoppelt werden können.
Das in der 1 dargestellte Batteriesystem wird als Batteriedirektumrichter (Battery Direct Converter (BDC)) bezeichnet, und das in der 2 dargestellte Batteriesystem wird als Batteriedirektinverter (Batterie Direct Inverter (BDI)) bezeichnet.
In 3 ist eine herkömmliche Batterie 100 dargestellt, die genauso wie die Batterie aus der 1 aufgebaut ist. Gleiche Bezugszeichen wurden für gleiche Komponenten der Batterie 100 verwendet. In der 3 dargestellt sind auch vier der Batteriezellen 111, die von dem Batteriemodul 120 umfasst werden, und auch vier der Batteriezellen 111, die von dem Batteriemodul 130 umfasst werden. Dabei ist jeweils nur eine Batteriezelle pro Batteriemodul 120, 130 mit dem Bezugszeichen 111 versehen. In der 3 sind die Lade- und Trenneinrichtung 140 und die Trenneinrichtung 150 detaillierter dargestellt. Die Lade- und Trenneinrichtung 140 umfasst einen Trennschalter 141, der parallel zu der Reihenschaltung eines Ladeschalters 142 und eines Ladewiderstandes 143 gekoppelt ist. Ferner umfasst die Trenneinrichtung 150 einen Trennschalter 151.
Bei solchen herkömmlichen Batterien 100, wie die in den 1 bis 3 beispielhaft dargestellten, sind alle Batteriemodule 120, 130 beziehungsweise Batteriezellen 111 immer gleichmäßig am Lade- beziehungsweise Entladevorgang beteiligt.
In der 4 ist der Verlauf des in Prozent angegebenen gesamten Ladezustands LG einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie in Abhängigkeit von der in Stunden gemessenen Zeit t während eines Ladevorganges dargestellt. Mit „gesamter Ladezustand“ LG wird hier der Ladezustand der Batterie als Ganzes und nicht der Ladezustand der einzelnen Batteriemodule beziehungsweise der einzelnen Batteriezellen der Batterie bezeichnet. Dabei werden die Batteriemodule beziehungsweise die Batteriezellen der Batterie gleichmäßig an dem Ladevorgang beteiligt. In 4 sind auch der Verlauf der gemessenen Ausgangsspannung U der Batterie in Volt und der Verlauf des gemessenen Ladestroms zum Aufladen der Batterie in Ampere dargestellt. Dabei wird mit LGK die zeitabhängige Ladezustandskennlinie der Batterie, mit UK die zeitabhängige Ausgangsspannungskennlinie der Batterie und mit IK die zeitabhängige Kennlinie des Ladestroms zum Aufladen der Batterie bezeichnet. Nach 2,5 h ist der Ladestrom auf 0 A abgesunken und ein Ladezustand LG der Batterie von nominal 100 % erreicht. Nach 2,5 h wird folglich der Ladevorgang der Batterie abgebrochen, da die Batterie vollständig geladen ist. Die in der 4 dargestellten Verläufe sind aus A. Jossen, W. Weydanz: „Moderne Akkumulatoren richtig eingesetzt" bekannt.
In der 5 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter und bei herkömmlichen Batterien verwendeter Vorgang zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie, die mindestens einen Batteriestrang mit mehreren seriell geschalteten Batteriemodulen umfasst, stark vereinfacht dargestellt. Herkömmliche Batterien wurden beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt. Der in der 5 dargestellte Vorgang zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie betrifft eine herkömmliche Batterie (nicht gekennzeichnet) mit einem Batteriestrang (nicht gekennzeichnet), der beispielhaft vier Batteriemodule BM1, BM2, BM3 und BM4 umfasst.
Der in der 5 dargestellte Vorgang zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie umfasst einen Entladevorgang EV und einen darauffolgenden Ladevorgang LV. Dabei werden die vier Batteriemodule BM1, BM2, BM3 und BM4 der Batterie gleichmäßig an dem Entladevorgang EV und an dem Ladevorgang LV beteiligt. In der 5 wird mit A der Zustand der Batterie vor dem Entladevorgang EV, mit B der Zustand der Batterie nach dem Entladevorgang EV und vor dem Ladevorgang LV, und mit C der Zustand der Batterie nach dem Ladevorgang LV bezeichnet. Mit LA, LB und LC werden ferner die Ladezustände der einzelnen Batteriemodule in den drei verschiedenen Batteriezuständen A, B und C bezeichnet, die rechts neben den einzelnen Batteriemodulen BM1, BM2, BM3 und BM4 jeweils in Prozent angegeben sind. Mit LGA, LGB und LGC werden die Ladezustände der Batterie als Ganzes in ihren drei verschiedenen Zuständen A, B und C bezeichnet. Die Werte für LGA, LGB und LGD sind dabei jeweils in Prozent angegeben, oben über den jeweils einem Batteriezustand A, B oder C entsprechenden Batteriemodulen BM1, BM2, BM3 und BM4.
Dabei sind alle vier Batteriemodule BM1, BM2, BM3, BM4 der Batterie und somit auch die Batterie als Ganzes vor dem Entladevorgang EV vollständig geladen. Folglich weisen die vier Batteriemodule BM1, BM2, BM3, BM4 vor dem Entladevorgang EV jeweils einen Ladezustand LA von 100 % auf. Die Batterie als Ganzes weist dadurch vor dem Entladevorgang EV auch einen Gesamtladezustand LGA von 100 % auf.
Während des Entladevorganges EV werden alle vier Batteriemodule BM1, BM2, BM3, BM4 gleichmäßig entladen und dadurch jeweils in einen Ladezustand LB von 70 % gebracht. Die Batterie als Ganzes weist dadurch nach dem Entladevorgang EV auch einen Gesamtladezustand LGB von 70 % auf.
Während des darauffolgenden Ladevorganges LV werden alle vier Batteriemodule BM1, BM2, BM3, BM4 gleichmäßig aufgeladen und dadurch jeweils in einen Ladezustand LC von 90 % gebracht. Die Batterie als Ganzes weist dadurch nach dem dem Entladevorgang EV folgenden Ladevorgang LV ebenfalls einen Gesamtladezustand LGC von 90 % auf.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Einstellen der Ladezustände der jeweils mindestens einen Batteriezelle umfassenden Batteriemodule einer Batterie bereitgestellt. Dabei sind die Batteriemodule in mindestens einem Batteriestrang der Batterie angeordnet, wobei die Batterie mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Elektromotor verbindbar ist.
Erfindungsgemäß wird während mindestens eines Entladevorganges der Batterie mindestens ein erstes Batteriemodul eines Batteriestranges zur Erzeugung einer für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Elektromotors verwendeten ersten Ausgangsspannung eingesetzt und dadurch entladen. Wenn für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers bzw. des Elektromotors eine gegenüber der ersten Ausgangsspannung höhere zweite Ausgangspannung der Batterie benötigt wird, werden zusätzlich zu dem ersten Batteriemodul geeignete bzw. hinreichend viele weitere zweite Batteriemodule des Batteriestranges zur Erzeugung der zweiten Ausgangsspannung der Batterie eingesetzt und dadurch derartig entladen, dass am Ende des Entladevorganges das erste Batteriemodul stärker als jedes der zweiten Batteriemodule entladen wurde.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Vorrichtung zum Einstellen der Ladezustände der jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassenden Batteriemodule einer Batterie mit mindestens einem Batteriestrang bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Elektromotor verbindbar ist. Dabei ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, während mindestens eines Entladevorganges der Batterie mindestens ein erstes Batteriemodul des Batteriestranges zur Erzeugung einer für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers, insbesondere einem Elektromotos verwendeten ersten Ausgangsspannung einzusetzen und dadurch zu entladen.
Ferner ist die Vorrichtung weiter dazu ausgebildet, wenn für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers, insbesondere einem Elektromotor eine gegenüber der ersten Ausgangsspannung höhere zweite Ausgangsspannung der Batterie erforderlich ist, zusätzlich zu dem ersten Batteriemodul geeignet viele weitere zweite Batteriemodule des Batteriestranges zur Erzeugung der zweiten Ausgangsspannung der Batterie einzusetzen und dadurch zu entladen derart, dass am Ende des Entladevorganges das erste Batteriemodul stärker als jedes der zweiten Batteriemodule entladen ist.
Die Erfindung betrifft insbesondere sowohl Batterien, die in einem Battriedirektkonverter (BDC) betrieben werden und an einen Gleichspannungskreis eines Wechselrichters angeschlossen sind, als auch Batterien, die in einem Batteriedirektumrichter (BDI) betrieben werden und an ihrem Ausgang direkt ein dreiphasiges Wechselspannungssystem bereitstellen.
Dies bedeutet unter anderem, dass wenn die Batterie mit einem Batteriedirektkonverter (BDC) betrieben wird, die Batterie über einen zwischengeschalteten Wechselrichter mit dem Elektromotor verbunden ist. Ferner, in einem Fall, in dem die Batterie in einem Batteriedirektumrichter (BDI) betrieben wird, kann der zwischengeschaltete Wechselrichter entfallen, wobei die Batterie direkt mit dem elektrischen Verbraucher bzw. mit dem Elektromotor verbunden ist.
Als besonders vorteilhaft erweist sich, die einzelnen Batteriemodule eines Batteriestranges einer herkömmlichen Batterie (BDI oder BDC) im Betrieb nicht gleichmäßig zu entladen, sondern einzelne Batteriemodule des Batteriestranges zunächst stärker zu belasten und somit schneller zu entladen als andere Batteriemodule des Batteriestranges.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist auf ein Verfahren gerichtet, bei dem ein Batteriemodul permanent zur Versorgung eines anschließbaren elektrischen Verbrauchers benutzt wird, während andere Module nur kurzzeitig an den Verbraucher angeschlossen werden. Im Zusammenhang mit dem Betrieb einer elektrischen Maschine kann vorgesehen werden, dass jeweils nur ein Strang permanent für den Antrieb benutzt wird und die anderen nur kurzzeitig zugeschaltet werden.
Insbesondere werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren alle Batteriemodule des Batteriestranges vor dem Beginn des Entladevorganges vollständig aufgeladen. Erfindungsgemäß wird ferner das erste Batteriemodul während des Entladevorganges vorzugsweise vollständig entladen.
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung bereitgestellt, mittels denen die einzelnen Batteriemodule einer herkömmlichen Batterie (BDI oder BDC) derartig entladen und anschließend wieder aufgeladen werden, dass bei einer teilentladenen Batterie nach einer möglichst kurzen Ladezeit wieder ein hoher Ladezustand der Batterie erreicht wird. Dabei wird von der Eigenschaft Gebrauch gemacht, dass ein vollständig entladenes Batteriemodul beziehungsweise eine vollständig entladene Batteriezelle schneller auf einen Ladezustand von insbesondere 60 % bis 70 % des Ladezustandes eines vollständig geladenen Batteriemodus beziehungsweise Batteriezelle gebracht werden kann, während die anschließende Aufladung des Batteriemoduls beziehungsweise der Batteriezelle auf einen Ladezustand von 100 % eine deutlich längere Zeit benötigt. Diese Tatsache ist aus der Darstellung aus der 4 zu erkennen.
Einfach ausgedrückt, es werden bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das mindestens eine erste Batteriemodul und die zweiten Batteriemodule während mindestens eines Ladevorganges, der dem mindestens einen Entladevorgang folgt, derartig aufgeladen, dass am Ende des Ladevorganges die zweiten Batteriemodule jeweils stärker als das erste Batteriemodul aufgeladen sind und insbesondere das erste Batteriemodul einen Ladezustand ausweist, der 60 % bis 70 % des Ladezustandes eines vollständig aufgeladenen Batteriemoduls beträgt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zumindest während eines dem mindestens einen Ladevorgang folgenden weiteren Ladevorganges ein anderes Batteriemodul der Batterie als während des mindestens einen Ladevorganges als erstes Batteriemodul eingesetzt.
Anders ausgedrückt wird erfindungsgemäß beim nächsten Entlade-Ladezyklus ein anderes Batteriemodul des Batteriedirektkonverters (BDC) oder des Batteriedirektumrichters (BDI) als während des vorherigen Entlade-Ladezyklus tiefer entladen als alle anderen. Dadurch werden die einzelnen Batteriemodule gleichmäßig belastet.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mindestens einem Batteriestrang mit mehreren jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassenden Batteriemodulen und einer integrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule der Batterie, wobei die Batterie mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Elektromotor verbindbar ist.
Erfindungsgemäß ist die Batterie insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie. Dabei ist die Ausgestaltung der Batterie an die durch den elektrischen Verbraucher bedingten Voraussetzungen anzupassen.
Ferner betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem, wobei die Batterie des Batteriesystems mit dem Elektromotor des Fahrzeuges verbunden ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Antriebssystem mit einem Batteriesystem mit einer stufig einstellbaren Ausgangsspannung, wobei das Batteriesystem eine Batterie mit einem Batteriestrang und einen Pulswechselrichter umfasst,
2 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Antriebssystem mit einem Batteriesystem mit einer stufig einstellbaren Ausgangsspannung, wobei das Batteriesystem eine Batterie mit drei Batteriesträngen und einen mehrphasigen Pulswechselrichter umfasst,
3 eine Batterie mit einem Batteriestrang gemäß dem Stand der Technik, wobei im Vergleich zu 1 die von der Batterie umfasste Lade- und Trenneinrichtung und eine weitere von der Batterie umfasste Trenneinrichtung detailliert dargestellt werden,
4 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellte und während eines Ladevorganges vorkommende Verläufe eines Ladestroms für eine Batterie gemäß dem Stand der Technik sowie Verläufe eines entsprechenden Ladezustandes und einer entsprechenden Ausgangsspannung dieser Batterie,
5 ein schematisch dargestellter und aus dem Stand der Technik bekannter Vorgang zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer herkömmlichen Batterie,
6 ein Antriebssystem mit einem Batteriesystem mit einer Batterie mit drei Batteriesträngen und einer Vorrichtung zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule der Batterie nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Batterie mit einem entsprechenden mehrphasigen, in dem Batteriesystem integrierten Pulswechselrichter verbunden ist, und
7 ein schematisch dargestellter Vorgang zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
6 zeigt ein Antriebssystem 10 mit einem dreiphasigen elektrischen Antriebsmotor 60, der an einem Batteriesystem 101 mit einer Batterie 100 über einen entsprechenden mehrphasigen Wechselrichter (mehrphasigen Umrichter), der in dem Batteriesystem 101 integriert und deswegen nicht separat dargestellt ist, angeschlossen ist.
Die Batterie 100 umfasst drei parallel geschaltete Batteriestränge 110. Jeder Batteriestrang 110 umfasst zwischen seinem negativen Pol 131 und seinem positiven Pol 121 mehrere in Reihe geschaltete Batteriemodule, von denen pro Batteriestrang 110 jeweils nur ein erstes Batteriemodul 220 und ein zweites Batteriemodul 230 dargestellt sind. Alle Batteriemodule 220, 230 der Batterie 100 umfassen eine (nicht dargestellte) Koppeleinrichtung, mittels der die Batteriemodule 220, 230 jeweils an den zugeordneten Batteriestrang 110 gekoppelt und von dem zugeordneten Batteriestrang 110 entkoppelt werden können. Die Entkopplung erfolgt dabei mittels einer Vorrichtung 200, die entsprechende Ansteuersignale an die Koppeleinrichtungen der Batteriemodule 220, 230 gibt. Die Vorrichtung 200 ist beisüielsweise ein Steuergerät, insbesondere ein Batteriesteuergerät.
Die Batteriestränge 110 sind jeweils an ihrem positiven Pol 121 mit dem dreiphasigen Elektromotor 60 über den entsprechenden, im Batteriesystem 101 integrierten mehrphasigen Wechselrichter (nicht separat dargestellt) elektrisch verbunden. Für einen n-phasigen (n > 2) Elektromotor würde die Batterie 100 entsprechend n parallel geschaltete Batteriestränge 110 umfassen.
Die Einstellung der Ladezustände der Batteriemodule 220, 230 der drei Batteriestränge 110 der Batterie 100 ist mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 200 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung durchführbar. Alle ersten Batteriemodule 220 der Batterie 100 sind jeweils über die Anschlüsse 221 und 250 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 200 elektrisch verbunden. Alle zweiten Batteriemodule 230 der Batterie 100 sind jeweils über die Anschlüsse 250 und 231 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 200 elektrisch verbunden.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 200 wird zunächst mindestens ein erstes Batteriemodul 220 pro Batteriestrang 110 für den Betrieb des Antriebssystems 10 mittels des Elektromotors 60 permanent genutzt, während alle anderen zweiten Batteriemodule 230 nur dann kurzzeitig eingeschaltet werden, wenn der Betriebszustand des Antriebssystems 10 eine höhere Ausgangsspannung der Batterie 100 erfordert.
Die vollständig entladenen beziehungsweise stark entladenen ersten Batteriemodule 220, die für den Betrieb des Antriebssystems 10 mittels des Elektromotors 60 permanent eingesetzt wurden, lassen sich bei einem anschließenden Ladevorgang schnell wieder auf insbesondere circa 60 % bis 70 % ihrer Gesamtkapazität aufladen. Damit kann die Zeit, die benötigt wird, um den Energieinhalt der Batterie 100 um einen vorbestimmten Betrag zu erhöhen, deutlich verkürzt werden.
Das Antriebssystem 10 mit dem Elektromotor 60 ist beispielhaft gewählt. Die Erfindung kann auch mit einem anderen elektrischen Verbraucher. Das mit der Batterie verbindbar ist, realisiert werden.
In der 7 ist ein bei herkömmlichen Batterien einsetzbarer erfindungsgemäßer Vorgang zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie (Ladestrategie) nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung stark schematisiert dargestellt. Solche herkömmliche Batterien (BDI, BDC) wurden beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt. Dabei ist der erfindungsgemäße Vorgang zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie beispielhaft für einen Batteriedirektumrichter (BDC) mit drei Batteriesträngen mit jeweils vier Batteriemodulen stark schematisiert dargestellt.
Die Anwendung eines erfindungsgemäßen Vorganges zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie ist ferner für Batteriedirektumrichter (BDC) und Batteriedirektinverter (BDI) mit einer beliebigen Anzahl von Batteriemodulen möglich. Ein herkömmlicher Batteriedirektumrichter (BDC) wurde in der 1 dargestellt. Ein herkömmlicher Batteriedirektinverter (BDI) wurde in der 2 dargestellt.
Der in der 7 dargestellte Vorgang zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie betrifft eine herkömmliche Batterie (nicht gekennzeichnet) mit einem Batteriestrang (nicht gekennzeichnet), der beispielhaft vier Batteriemodule BM1, BM2, BM3 und BM4 umfasst. Alle vier Batteriemodule BM1, BM2, BM3 und BM4 umfassen auch hier jeweils eine nicht dargestellte Koppeleinrichtung, mittels der die Batteriemodule BM1, BM2, BM3, BM4 jeweils an dem zugeordneten Batteriestrang gekoppelt und von dem zugeordneten Batteriestrang entkoppelt werden können. Die Kopplung bzw. Entkopplung wird mittels der Vorrichtung 200 durchgeführt.
Der dargestellte erfindungsgemäße Vorgang zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie (die erfindungsgemäße Ladestrategie) umfasst einen erfindungsgemäßen Entladevorgang EV1 und einen darauffolgenden erfindungsgemäßen Ladevorgang LV1. Dabei werden die vier Batteriemodule BM1, BM2, BM3 und BM4 der Batterie unterschiedlich an dem Entladevorgang EV1 und an dem Ladevorgang LV1 beteiligt.
In der 7 werden mit A1 der Zustand der Batterie vor dem Entladevorgang EV1, mit B1 der Zustand der Batterie nach dem Entladevorgang EV1 und vor dem Ladevorgang LV1 und mit C1 der Zustand der Batterie nach dem Ladevorgang LV1 bezeichnet. Mit LA1, LB1 und LC1 werden ferner die Ladezustände der einzelnen Batteriemodule in den drei verschiedenen Batteriezuständen A1, B1 und C1 bezeichnet, welche in Prozent rechts neben den einzelnen Batteriemodulen BM1, BM2, BM3 und BM4 angegeben sind. Mit LGA1, LGB1 und LGC1 werden die Ladezustände der Batterie als Ganzes in ihren drei verschiedenen Zuständen A1, B1 und C1 bezeichnet und jeweils oben über die einem Batteriezustand A1, B1 oder C1 entsprechenden Batteriemodule BM1, BM2, BM3 und BM4 in Prozent angegeben.
Dabei sind alle vier Batteriemodule BM1, BM2, BM3, BM4 der Batterie und somit auch die Batterie als Ganzes vor Beginn des Entladevorgangs EV1 vollständig geladen. Deswegen weisen die vier Batteriemodule BM1, BM2, BM3, BM4 vor dem Entladevorgang EV1 jeweils einen Ladezustand LA1 von 100 % auf. Die Batterie als Ganzes weist dadurch vor dem Entladevorgang EV1 auch einen Gesamtladezustand LGA1 von 100 % auf.
Während des Entladevorganges EV wird das Batteriemodul BM1 stärker als die anderen Batteriemodule BM2, BM3 und BM4 entladen und dadurch in einen Ladezustand LB1 von 10 % gebracht. Die anderen drei Batteriemodule BM2, BM3 und BM4 werden gleichmäßig entladen und dadurch jeweils in einen Ladezustand LB1 von 90 % gebracht. Die Batterie als Ganzes weist dadurch nach dem Entladevorgang EV1 einen Gesamtladezustand LGB1 von 70 % auf.
Während des darauffolgenden Ladevorganges LV1 wird das Batteriemodul BM1 derartig aufgeladen, dass das Batteriemodul am Ende des Ladevorganges schwächer als die anderen Batteriemodule BM2, BM3 und BM4 aufgeladen ist. Das Batteriemodul BM1 wird dabei in einen Ladezustand LC1 von 75 % und die anderen drei Batteriemodule BM2, BM3 und BM4 werden in einen unterschiedlichen Ladezustand LC1 von 95 % gebracht. Die Batterie als Ganzes weist dadurch nach dem dem Entladevorgang ELV1 folgenden Ladevorgang LV1 einen Gesamtladezustand LGC1 von 90 % auf. Dabei kann das Batteriemodul BM1 während des erfindungsgemäßen Ladevorgangs LV1 mit dem maximalen zulässigen Ladestrom aufgeladen werden, während bei dem aus dem Stand der Technik bekannten und in der 5 dargestellten Vorgang zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie, bei dem alle vier Batteriemodule gleichmäßig entladen und aufgeladen werden, eine so hohe Spannung der Batteriemodule während des Ladevorganges jeweils erreicht wird, dass der Ladestrom begrenzt werden muss, wodurch sich der Ladevorgang verlängert.
Der erfindungsgemäße Vorgang zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie ist mittels einer entsprechenden erfindungsgemäßen Vorrichtung 200 zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie durchführbar. Alle für die Umsetzung eines erfindungsgemäßen Vorganges beziehungsweise Verfahrens zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie erforderlichen Komponenten sind bereits in einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie enthalten.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen der Ladezustände der Batteriemodule einer Batterie wie sie beispielsweise in 1 oder 2 dargestellt ist, wird lediglich in die Ansteuerung eingegriffen, die üblicherweise mittels Software eines Steuergerätes ähnlich der Vorrichtung 200 realisiert ist und mit der die Halbleiterventile der Koppeleinrichtungen der Batteriemodule herkömmlicher, wie beispielsweise in den 1 und 2 dargestellter, Batterien angesteuert werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird insbesondere die Möglichkeit eröffnet, die einzelnen Batteriemodule herkömmlicher Batterien, wie solche, die beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt sind, in einer sehr einfachen und dadurch auch sehr kostengünstigen Weise unterschiedlich stark an den erforderlichen Lade- und Entladevorgängen zu beteiligen.
Dabei kann in einfachster Weise auch eine Batterie, die lediglich einen Batteriestrang mit wenigstens zwei Batteriemodulen sowie geeignete Mittel zur Kopplung bzw. Entkopplung der Batteriemodule aufweist, so zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern eingesetzt werden, dass ein vorgebbares Batteriemodul stärker entladen wird als das andere bzw. die anderen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Jossen, W. Weydanz: „Moderne Akkumulatoren richtig eingesetzt“ [0010]

Claims

Verfahren zum Einstellen der Ladezustände von Batteriemodulen (220, 230) einer Batterie (100), wobei die Batteriemodule (220, 230) in mindestens einem Batteriemodulstrang angeordnet sind und jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassen und wobei die Batterie (100) mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Elektromotor (60) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass während mindestens eines Entladevorganges der Batterie (100) mindestens ein erstes Batteriemodul (220) eines Batteriestranges (110) zur Erzeugung einer für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers, insbesondere des Elektromotors (60) verwendeten ersten Ausgangsspannung eingesetzt und dadurch entladen wird und dass, wenn für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers, insbesondere des Elektromotors (60) eine gegenüber der ersten Ausgangsspannung höhere zweite Ausgangspannung der Batterie (100) benötigt wird, zusätzlich zu dem ersten Batteriemodul (220) geeignet viele weitere zweite Batteriemodule (230) des Batteriestranges (110) zur Erzeugung der zweiten Ausgangsspannung der Batterie (100) eingesetzt und dadurch entladen werden derart, dass am Ende des Entladevorganges das erste Batteriemodul (220) stärker als jedes der zweiten Batteriemodule (230) entladen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Batteriemodul (220) während des Entladevorganges vollständig entladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei alle Batteriemodule (220, 230) des Batteriestranges (110) vor dem Beginn des Entladevorganges vollständig aufgeladen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während mindestens eines Ladevorganges, der dem mindestens einen Entladevorgang folgt, das erste Batteriemodul (220) und die zweiten Batteriemodule (230) derartig aufgeladen werden, dass am Ende des Ladevorganges die zweiten Batteriemodule (230) jeweils stärker als das erste Batteriemodul (220) aufgeladen sind und insbesondere, dass das erste Batteriemodul (220) einen Ladezustand ausweist, der 60 % bis 70 % des Ladezustandes eines vollständig aufgeladenen Batteriemoduls (220, 230) beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest während eines dem mindestens einen Ladevorgang folgenden weiteren Ladevorganges ein anderes Batteriemodul als während des mindestens einen Ladevorganges als erstes Batteriemodul eingesetzt wird.
Verfahren zum Einstellen der Ladezustände von Batteriemodulen (220, 230) einer Batterie (100), wobei die Batteriemodule (220, 230) in mindestens einem Batteriemodulstrang angeordnet sind und jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassen und wobei die Batterie (100) mit einem elektrischen Verbraucher verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass während mindestens eines Entladevorganges der Batterie (100) ein erstes Batteriemodul (220) eines Batteriestranges (110) mit dem elektrischen Verbraucher verbunden wird und dadurch entladen wird und dass, zusätzlich zu dem ersten Batteriemodul (220) geeignet viele weitere zweite Batteriemodule (230) des Batteriestranges (110) mit dem elektrischen Verbraucher verbunden werden und dadurch entladen werden derart, dass am Ende des Entladevorganges das erste Batteriemodul (220) stärker als jedes der zweiten Batteriemodule (230) entladen ist.
Vorrichtung (200) zum Einstellen der Ladezustände von Batteriemodulen (220, 230) einer Batterie (100), wobei die Batteriemodule (220, 230) in mindestens einem Batteriemodulstrang angeordnet sind und jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassen und wobei die Batterie (100) mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Elektromotor (60) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (200) dazu ausgebildet ist, während mindestens eines Entladevorganges der Batterie (100) mindestens ein erstes Batteriemodul (220) des Batteriestranges (110) zur Erzeugung einer für den Betrieb des Elektromotors (60) verwendeten ersten Ausgangsspannung einzusetzen und dadurch zu entladen, und dass die Vorrichtung (200) weiter dazu ausgebildet ist, wenn für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers, insbesondere einem Elektromotors (60) eine gegenüber der ersten Ausgangsspannung höhere zweite Ausgangspannung der Batterie (100) erforderlich ist, zusätzlich zu dem ersten Batteriemodul (220) geeignet viele weitere zweite Batteriemodule (230) des Batteriestranges (110) zur Erzeugung der zweiten Ausgangsspannung der Batterie (100) einzusetzen und dadurch zu entladen derart, dass am Ende des Entladevorganges das erste Batteriemodul (220) stärker als jedes der zweiten Batteriemodule (230) entladen ist.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung (200) weiter dazu ausgebildet ist, das erste Batteriemodul (220) während des Entladevorganges vollständig zu entladen.
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Vorrichtung (200) weiter dazu ausgebildet ist, alle Batteriemodule (220, 230) des Batteriestranges (110) vor dem Beginn des Entladevorganges vollständig aufzuladen.
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Vorrichtung (200) weiter dazu ausgebildet ist, während mindestens eines Ladevorganges, der dem mindestens einen Entladevorgang folgt, das erste Batteriemodul (220) und die zweiten Batteriemodule (230) derartig aufzuladen, dass am Ende des Ladevorganges die zweiten Batteriemodule (230) jeweils stärker als das erste Batteriemodul (220) aufgeladen sind und insbesondere, dass das erste Batteriemodul (220) einen Ladezustand aufweist, der 60 % bis 70 % des Ladezustandes eines vollständig aufgeladenen Batteriemoduls (220, 230) beträgt.
Batteriesystem (101) mit einer Batterie (100) mit mindestens einem Batteriestrang (110) mit mehreren jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassenden Batteriemodulen (220, 230) und einer Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Batterie (100) mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Elektromotor (60) verbindbar ist.
Fahrzeug mit einem Batteriesystem (101) nach Anspruch 11, wobei die Batterie (100) des Batteriesystems (101) mit dem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Elektromotor (60) des Fahrzeuges verbunden ist.