DE102013021637A1 - Battery system for electric car, has switch arranged with switching state in which current flow is released along series connection of all controllable cells, and another switching state in which current flow is passed via bypass cell - Google Patents

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Sascha Schulte
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Abstract

The system (1) has a set of serially connectable battery cells (11, 12) i.e. lithium-ion cells, and two switches (3) are arranged for series connection of the battery cells. The switches are arranged at an input and output of terminals of each series (11') of the battery cells. The switch is arranged with a switching state (A) in which a current flow is released along the series connection of all controllable battery cells, and another switching state (B) in which current flow is passed through a bypass cell (4). An independent claim is also included for a method for operation of a battery system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, ein Betriebsverfahren für das Batteriesystem und ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug.The invention relates to a battery system, an operating method for the battery system and an electrically operated motor vehicle.

Batteriesysteme, die in Kraftfahrzeugen und/oder stationären Anlagen eingesetzt werden, bestehen üblicherweise aus mehreren in Reihe verschalteten Einzelzellen. Es ist auch üblich, Zellen symmetrisch parallel oder seriell zu verschalten, wobei Kombinationen möglich sind, bei denen entweder mehrere parallel verschaltete Einzelzellen seriell verbunden werden oder aber komplette, seriell verschaltete Blöcke parallel verbunden werden. Chemische Energiespeicher, auch Li-Ionen-Zellen, unterliegen der Alterung, die schneller fortschreitet, wenn einzelne Lastzyklen mit einer großen Leistungsabgabe gefahren werden als viele „kleinere” Teilzyklen mit gleichem aufsummierten Energieumsatz.Battery systems that are used in motor vehicles and / or stationary systems usually consist of several series-connected single cells. It is also common to connect cells symmetrically in parallel or in series, wherein combinations are possible in which either several parallel interconnected single cells are connected in series or complete, serially interconnected blocks are connected in parallel. Chemical energy storage devices, including Li-ion cells, are subject to aging, which progresses faster when individual load cycles are driven at a high power output than many "smaller" sub-cycles with the same accumulated energy expenditure.

Um Batterien mit hoher Zyklenzahl bereitzustellen, werden Hochleistungszellen mit angepasster Zellchemie verwendet. Diese haben als Nachteil eine geringe Kapazität, eignen sich also nur für kurzzeitige Lastpulse. Es sind daher Ansätze bekannt, die diese speziellen Hochleistungszellen (auch Lastzellen genannt) lediglich zur Abpufferung von Leistungsspitzen einsetzen, während die herkömmlichen Batteriezellen (Energiezellen genannt) zum Aufladen der Leistungszellen und zur Versorgung des Antriebs mit der „Grundlast” verwendet werden.To provide high cycle count batteries, high performance cells with adapted cell chemistry are used. These have a disadvantage as a low capacity, so are only suitable for short-term load pulses. There are therefore known approaches that use these special high-performance cells (also called load cells) only for buffering power peaks, while the conventional battery cells (called energy cells) are used to charge the power cells and to supply the drive with the "base load".

Die DE 10 2010 019 296 A1 betrifft ein Energieversorgungssystem für ein Elektrofahrzeug, das eine Traktionsbatterie und eine Ladebatterie aufweist. Die Traktionsbatterie ist eine Hochvoltbatterie, die eine hohe Leistungsabgabe und geringe Kapazität aufweist, während die Ladebatterie eine Niedervoltbatterie ist, die über eine hohe Kapazität aber nur geringe Leistungsabgabe verfügt. Die Ladebatterie ist hierbei über einen Gleichspannungswandler mit der Traktionsbatterie gekoppelt, um diese während der Leistungsentnahme nachzuladen, während die Traktionsbatterie unmittelbar den Antriebsmotor mit Energie versorgt. Bei der Traktionsbatterie kann es sich um eine Li-Ionen-Batterie handeln, während die Ladebatterie eine Bleibatterie ist.The DE 10 2010 019 296 A1 relates to a power supply system for an electric vehicle having a traction battery and a charging battery. The traction battery is a high-voltage battery that has a high power output and low capacity, while the charging battery is a low-voltage battery, which has a high capacity but low power output. The charging battery is in this case coupled via a DC-DC converter with the traction battery to reload during power extraction, while the traction battery directly supplies the drive motor with energy. The traction battery may be a Li-ion battery while the charging battery is a lead-acid battery.

Die DE 10 2011 014 811 A1 offenbart einen Antrieb für einen Omnibus, der eine elektrische Antriebsmaschine und zwei Batterien aufweist, wobei eine der Batterien (die so genannte Leistungsbatterie) eine höhere Leistungsdichte und geringere Energiedichte aufweist als die andere Batterie (Energiebatterie). Die beiden Batterien sind elektrisch parallel geschaltet. Die Energiebatterie hat einen größeren Innenwiderstand als die Leistungsbatterie und hat daher eine vergleichsweise hohe Spannungsstabilität, während die Leistungsbatterie einen sehr kleinen Innenwiderstand hat. Bei einer Leistungsanforderung von der Antriebsmaschine wird die Leistung zunächst von der Leistungsbatterie bereitgestellt, da aufgrund ihres geringen Innenwiderstands eine rasche Spannungsänderung auftritt.The DE 10 2011 014 811 A1 discloses a drive for a bus having an electric drive machine and two batteries, wherein one of the batteries (the so-called power battery) has a higher power density and lower energy density than the other battery (energy battery). The two batteries are electrically connected in parallel. The energy battery has a greater internal resistance than the power battery and therefore has a comparatively high voltage stability, while the power battery has a very low internal resistance. At a power demand from the prime mover, the power is first provided by the power battery, since a rapid voltage change occurs due to its low internal resistance.

Die Verwendung von separaten Leistungs- und Energiebatterien ist aufwändig und teuer. Auch die Verwendung zweier Zellblöcke mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung innerhalb einer Batterie ist aufwändig, da etwa komplizierte Lastverteilungsschaltungen benötigt werden. Außerdem muss stets eine gleiche Anzahl von Zellen beider Typen eingesetzt werden, um ein einheitliches Spannungsniveau bereitstellen zu können. In der Regel werden aber weniger Leistungszellen als Energiezellen benötigt, da Lastspitzen für gewöhnlich nur für einen vergleichsweise kurzen Zeitraum abgefragt werden.The use of separate power and energy batteries is complex and expensive. Also, the use of two cell blocks with different chemical composition within a battery is complex, since about complicated load distribution circuits are needed. In addition, an equal number of cells of both types must always be used in order to provide a uniform voltage level. As a rule, however, fewer power cells are required as energy cells, since peak loads are usually only interrogated for a comparatively short period of time.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriesystem zu schaffen, das es ermöglicht, eine ungleiche Anzahl typunterschiedlicher Zellen in demselben Batteriegehäuse einzusetzen und dabei eine optimale Ausnutzung jeder Batteriezelle bietet.Starting from this prior art, it is an object of the present invention to provide a battery system which makes it possible to use an unequal number of types of different cells in the same battery case, while offering optimum utilization of each battery cell.

Diese Aufgabe wird durch ein Batteriesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und mit einem Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen ausgeführt.This object is achieved by a battery system with the features of independent claim 1 and with an operating method with the features of claim 5. Further developments are each carried out in the subclaims.

Darüber hinaus ergibt sich die Aufgabe, ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug zu schaffen, das über eine größere Reichweite und eine höhere Maximalleistung verfügt als bekannte Elektrofahrzeuge.In addition, the object is to provide an electrically operated motor vehicle, which has a greater range and a higher maximum power than known electric vehicles.

Diese Aufgabe wird durch ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.This object is achieved by an electrically operated motor vehicle having the features of claim 10.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist in einer ersten Ausführungsform mehrere seriell verschaltbare Batteriezellen auf. Bei den Batteriezellen handelt es sich um eine erste Anzahl Zellen, die Leistungszellen sind, und um eine zweite Anzahl Zellen, die Energiezellen sind. In der seriellen Verschaltung aller Batteriezellen sind zwei oder mehr Umschalter angeordnet, die wenigstens eingangs und ausgangs an den Anschlüssen jeder Serie Leistungszellen angeordnet sind. Die Umschalter haben zumindest zwei Schaltzustände, einen ersten Schaltzustand, in dem ein Stromfluss entlang der Serienschaltung aller seriell schaltbaren Batteriezellen freigegeben ist und einen zweiten Schaltzustand, in dem der Stromfluss über einen Zellbypass geleitet wird.The battery system according to the invention has in a first embodiment, a plurality of serially interconnected battery cells. The battery cells are a first number of cells that are power cells and a second number of cells that are energy cells. In the serial connection of all battery cells, two or more switches are arranged, which are arranged at least at the entrance and exit at the terminals of each series power cells. The switches have at least two switching states, a first switching state in which a current flow along the series circuit of all series-switchable battery cells is enabled and a second switching state in which the current flow is conducted via a cell bypass.

„Jede Serie Leistungszellen” kann dabei jede Anzahl von Leistungszellen bedeuten, auch nur eine einzige. "Each series of power cells" can mean any number of power cells, even one.

Bei dem Zellbypass handelt es sich quasi um eine Umgehung der jeweiligen Batteriezelle, die durch eine elektrische Leitung, die parallel zu der jeweiligen Zelle verläuft, bereitgestellt wird. Leistungszellen im Sinne der Erfindung sind Batteriezellen, die eine gegenüber den Energiezellen höhere maximal abgebbare Stromstärke bei einer verringerten Energiedichte aufweisen; hierfür haben die Leistungszellen einen geringeren Innenwiderstand, wobei die Aktivschichten der Elektroden beispielsweise dünner ausgeführt werden und die Stromableiter dicker. Energiezellen hingegen sind für eine hohe Speicherkapazität optimiert; hierzu haben sie beispielsweise dickere Aktivmaterialschichten an den Elektroden und dünnere Stromableiter.The cell bypass is virtually a bypass of the respective battery cell, which is provided by an electrical line which runs parallel to the respective cell. Power cells in the sense of the invention are battery cells which have a higher power dissipation, which is higher than the energy cells, at a reduced energy density; For this purpose, the power cells have a lower internal resistance, wherein the active layers of the electrodes are made, for example, thinner and the current collector thicker. Energy cells, on the other hand, are optimized for high storage capacity; For this they have, for example, thicker layers of active material on the electrodes and thinner current conductors.

Die ”Anschlüsse” stellen die elektrischen Kontaktierungen der jeweiligen Zellen dar, die evtl. durch ein Einzelzellgehäuse von außen abgegriffen werden können. Eine „Serie an Leistungszellen” kann eine bestimmte Anzahl an seriell verschalteten Leistungszellen umfassen, es kann sich jedoch auch um eine einzelne Leistungszelle handeln, wenn es zur Bereitstellung einer vorbestimmten Spitzenlast sinnvoll erscheint. Die Anschlüsse liegen hierbei jeweils an den „freien Enden” der Serienschaltung von Leistungszellen vor, an denen entweder der Spannungsabgriff der Serienschaltung aller Batteriezellen erfolgt oder die benachbarte Energiezelle angeschlossen ist. Wenn die Umschalter in ihrem ersten Schaltzustand vorliegen, befindet sich das Batteriesystem in seinem Spitzenlastzustand, in dem auch die Leistungszellen in den Zellverbund eingeschaltet sind, dabei ist eine hohe Stromstärke abgebbar. Das Batteriesystem hat auch einen Grundlastzustand, in dem nur die Energiezellen in den Zellverbund eingeschaltet sind und der Stromfluss durch die Leistungszellen unterbrochen ist und über den Zellbypass umgeleitet wird.The "connections" represent the electrical contacts of the respective cells, which can possibly be tapped by a single cell housing from the outside. A "series of power cells" may include a certain number of serially connected power cells, but it may also be a single power cell, if it makes sense to provide a predetermined peak load. The connections are in each case at the "free ends" of the series connection of power cells, where either the voltage tap of the series connection of all battery cells is carried out or the adjacent power cell is connected. When the change-over switches are in their first switching state, the battery system is in its peak load state, in which the power cells are also switched into the cell network, while a high current level can be emitted. The battery system also has a base load state where only the energy cells in the cell array are turned on and the power flow through the power cells is interrupted and redirected across the cell bypass.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Batteriesystem ein Batteriesteuergerät aufweisen, das jeweils operativ mit den Umschaltern verbunden ist. „Operativ” meint hierbei ”arbeitsmäßig”; „zur Ausführung eines Arbeitsvorgangs”.In another embodiment, the battery system may include a battery controller that is operatively connected to each of the switches. "Operative" means "working"; "To carry out a work process".

Alternativ oder zusätzlich können die Batteriezellen in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet sein. Es kann dabei auch zwischen allen Batteriezellen ein Umschalter angeordnet sein.Alternatively or additionally, the battery cells can be arranged in a common battery housing. It can also be arranged between all battery cells, a changeover switch.

„Operativ verbunden” bedeutet hierin, dass die Umschalter jeweils über eine Steuerleitung mit dem Batteriesteuergerät verbunden sind und mittels eines Schaltsignals des Batteriesteuergeräts umgeschaltet werden können; hierbei können beispielsweise Relais, Schütze oder Solid-State-Relais zum Einsatz kommen. Mit Umschaltern zwischen allen Batteriezellen, also auch zwischen den Energiezellen untereinander, ist ein weiterer Betriebsmodus des Batteriesystems möglich: Nach dem Einschalten der Leistungszellen in den Zeilverbund ist die Zahl der an der Stromleitung beteiligten Zellen um die Zahl der Leistungszellen erhöht. Um stets die gleiche Anzahl an Zellen in den Zeilverbund eingeschaltet zu haben, muss dann die gleiche Anzahl Energiezellen aus dem Zeilverbund ausgeschaltet werden. Dies kann durch die Umschalter zwischen den Energiezellen erreicht werden. Damit sich die Energiezellen gleichmäßig entladen kann vorgesehen werden, die aktiven/inaktiven Energiezellen periodisch umzuschalten."Operatively connected" herein means that the switches are each connected via a control line to the battery control unit and can be switched by means of a switching signal of the battery control unit; In this case, for example, relays, contactors or solid-state relays can be used. With switches between all battery cells, including between the energy cells with each other, another mode of operation of the battery system is possible: After switching the power cells in the Zeilverbund the number of cells involved in the power line is increased by the number of power cells. In order to always have the same number of cells in the Zeilverbund turned on, then the same number of energy cells must be turned off from the Zeilverbund. This can be achieved by the switch between the energy cells. In order to allow the energy cells to discharge evenly, it is possible to periodically switch over the active / inactive energy cells.

In einer noch weiteren Ausführungsform können die Batteriezellen jeweils eine Strom- und Spannungsmessstelle aufweisen, die zur Messwerterfassung mit dem Batteriesteuergerät verbunden ist. Das Batteriesteuergerät kann einen Fahrzustandseingang haben, der mit einem Fahrzustandsgeber verbindbar ist.In yet another embodiment, the battery cells may each comprise a current and voltage measuring point, which is connected to the battery control device for measured value detection. The battery control device may have a drive state input that is connectable to a drive state transmitter.

Die Strom- und Spannungsmessung jeder Einzelzelle ermöglicht es, den Zustand jeder einzelnen Zelle genau zu bestimmen. Die Messwerte können vom Batteriesteuergerät anhand vorbestimmter Kriterien verarbeitet werden, um optimale Schaltzeitpunkte für die Einzelzellen zu bestimmen. Neben den Messwerten der Zellen können vom Batteriesteuergerät jedoch auch fahrzeugbezogene Informationen, etwa Informationen zu Fahrpedalstellung, Beladung, Lastzustand der Antriebsmaschine etc. verarbeitet werden, die dem Batteriesteuergerät über den Fahrzustandseingang zur Verfügung gestellt werden.The current and voltage measurement of each single cell makes it possible to precisely determine the state of each individual cell. The measured values can be processed by the battery control unit based on predetermined criteria in order to determine optimum switching times for the individual cells. In addition to the measured values of the cells, however, vehicle-related information, such as information about accelerator pedal position, load, load state of the drive machine, etc., which are made available to the battery control device via the driving state input, can also be processed by the battery control device.

Darüber hinaus können die Leistungszellen zumindest in einer Raumrichtung eine kleinere Abmessung haben als die Energiezellen, wodurch auf gleichem Bauraum mehr Leistungszellen als Energiezellen untergebracht werden können. Vorteilhaft sind die Batteriezellen in einer flächigen Quaderbauform realisiert, wobei die Leistungszellen die gleichen Höhen-/Breitenabmaße wie die Energiezellen haben und sich lediglich hinsichtlich ihrer Dicke von den Energiezellen unterscheiden: so können beide Zelltypen beispielsweise auf die gleiche Befestigungsschiene innerhalb des Gehäuses montiert werden. Durch die platzsparende Bauform der Leistungszellen können mehr Batteriezellen in den Zellverbund eingeschaltet werden als beim Einsatz von lediglich Energiezellen. Hierdurch kann der ganze Zellverbund mit einer höheren Spannung betrieben werden, wodurch bei gleichem Strom höhere Leistungen verfügbar sind.In addition, the power cells can have a smaller dimension than the energy cells, at least in one spatial direction, so that more power cells than energy cells can be accommodated in the same installation space. Advantageously, the battery cells are realized in a flat cuboid design, wherein the power cells have the same height / width dimensions as the energy cells and differ only in their thickness of the energy cells: so both cell types can be mounted, for example on the same mounting rail within the housing. Due to the space-saving design of the power cells, more battery cells can be switched into the cell network than when using only energy cells. As a result, the entire cell network can be operated with a higher voltage, whereby higher powers are available at the same power.

Bei den Leistungszellen kann es sich etwa um Lithium-Ionen-Zellen oder auch um Kondensatoren handeln, die noch höhere Spitzenströme als elektrochemische Leistungszellen abgeben können. Bei den Energiezellen kann es sich beispielsweise um bleibasierte Zellen handeln. Die genannten Zellen sind nur beispielhaft aufgeführt und beschränken die Erfindung nicht, wenn andere Zelltypen, die die beschriebenen Eigenschaften aufweisen, geeignet erscheinen, können auch diese verwendet werden.The power cells may be, for example, lithium-ion cells or else capacitors which can deliver even higher peak currents than electrochemical power cells. The energy cells may, for example, be lead-based cells. Said cells are given by way of example only and do not limit the invention, if other cell types having the described properties appear suitable, these too can be used.

Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren weist in einer ersten Ausführungsform zumindest die folgenden Schritte auf:

  • a) In den ersten Schaltzustand Versetzen der Umschalter, die eingangs und ausgangs an den Anschlüssen jeder Serie an Leistungszellen vorliegen,
  • b) dadurch Freigeben eines Stromflusses entlang der Serienschaltung aller seriell schaltbaren Batteriezellen,
  • c) dadurch in einen Spitzenlastzustand Versetzen des Batteriesystems.
The operating method according to the invention has, in a first embodiment, at least the following steps:
  • a) In the first switching state, the changeover switches present at the input and output at the terminals of each series of power cells,
  • b) thereby enabling a current flow along the series connection of all serially switchable battery cells,
  • c) thereby putting the battery system into a peak load condition.

Die Leistungszellen werden erfindungsgemäß immer nur in Betriebszuständen hoher Last aktiviert bzw. in den Zellverbund eingeschaltet. Damit wird die Spitzenlast der diesbezüglich empfindlichen Energiezellen gesenkt, da bei mehr aktiven Zellen die Summenspannung steigt, wodurch die erforderliche Stromstärke zum Bereitstellen einer bestimmten Leistung sinkt. In Zuständen geringer Last werden die Leistungszellen wieder aus dem Zellverbund ausgeschaltet, um ihre geringe Kapazität nicht unnötig zu entleeren, da in diesem Zustand die Energiezellen ohne „Unterstützung” durch die Leistungszellen betrieben werden können.According to the invention, the power cells are always activated or switched into the cell network only in high load operating states. Thus, the peak load of the energy cells sensitive thereto is lowered, since with more active cells, the sum voltage increases, thereby reducing the current required to provide a certain power. In low load conditions, the power cells are again turned off the cell array so as not to unnecessarily drain their low capacitance, since in this state the power cells can be operated without "support" by the power cells.

In einer weiteren Ausführungsform kann vor dem Schritt a) der Schritt a') Ausgeben eines ersten Schaltsignals durch das Batteriesteuergerät und Weiterleiten an die Umschalter, die am Eingang und am Ausgang der Anschlüssen jeder Serie an Leistungszellen vorliegen, ausgeführt werden.In a further embodiment, prior to step a), step a ') may be performed by the battery control device outputting a first switching signal and forwarding to the switches present at the input and output of the terminals of each series of power cells.

Im Schritt a') kann/können ferner ein Signal des Fahrzustandseingangs und/oder der Messwerte der Strom- und Spannungsmessstellen der Batteriezellen anhand vorbestimmter Kriterien durch das Batteriesteuergerät verarbeitet werden und bei Vorliegen vorbestimmter Bedingungen kann das erste Schaltsignal ausgegeben werden. Kriterien, die zum Betätigen der Umschalter führen, können hierbei wiederholbar im Batteriesteuergerät hinterlegt werden, wobei die Betriebsweise im Hinblick auf eine bestmögliche Ausnutzung der Einzelzellkapazitäten optimiert werden kann.In step a '), a signal of the driving state input and / or the measured values of the current and voltage measuring points of the battery cells can also be processed on the basis of predetermined criteria by the battery control device and in the presence of predetermined conditions, the first switching signal can be output. Criteria which lead to the actuation of the changeover switch can hereby be stored repeatedly in the battery control device, wherein the mode of operation can be optimized with regard to the best possible utilization of the individual cell capacities.

Ferner kann das Betriebsverfahren folgende Schritte umfassen:

  • d) Ausgeben eines zweiten Schaltsignals durch das Batteriesteuergerät und Weiterleiten an zumindest einen Umschalter zwischen den Energiezellen, dadurch in den ersten Schaltzustand Überführen des Umschalters zwischen den Energiezellen,
  • e) nach einer vorbestimmten Zeitdauer Wegfallen des zweiten Schaltsignals, dadurch in den zweiten Schaltzustand Überführen des Umschalters zwischen den Energiezellen,
  • f) Fortlaufend Ausführen der Schritte d) und e).
Further, the method of operation may include the steps of:
  • d) outputting a second switching signal by the battery control device and forwarding to at least one switch between the energy cells, thereby in the first switching state transferring the switch between the energy cells,
  • e) after a predetermined period of time, elimination of the second switching signal, thereby in the second switching state transferring the switch between the energy cells,
  • f) Continuously performing steps d) and e).

Durch das fortlaufend nacheinander Ausführen der Schritte d) und e) werden periodisch Energiezellen in den Zellverbund ein- und ausgeschaltet, wodurch die Belastung gleichmäßiger auf die Gesamtheit der Energiezellen verteilt wird. Bei normaler oder schwacher Last sind lediglich die Energiezellen aktiv, bei Spitzenlast werden die Leistungszellen dauerhaft aktiviert, die Energiezellen aber in schnell wechselnder Folge zu- und abgeschaltet.By successively performing steps d) and e), energy cells are periodically switched on and off in the cell network, whereby the load is distributed more uniformly over the entirety of the energy cells. At normal or low load, only the energy cells are active, at peak load the power cells are permanently activated, but the energy cells are switched on and off in a rapidly changing sequence.

Vorteilhaft können im Schritt d) jeweils gleich viele Umschalter zwischen den Energiezellen in den ersten Schaltzustand überführt werden wie im Schritt a) Umschalter, die eingangs und ausgangs an Anschlüssen jeder Serie an Leistungszellen vorliegen. In Summe sind dann immer gleich viele Batteriezellen aktiv, wodurch die Leerlauf-Summenspannung des Batteriesystems stets gleich ist, unabhängig davon, in welchem Schaltzustand sich die Umschalter befinden.Advantageously, in step d) in each case the same number of changeover switches between the energy cells can be converted into the first switching state as in step a) changeover switches which are present at the input and output at terminals of each series of power cells. In sum, then always the same number of battery cells are active, whereby the idle-total voltage of the battery system is always the same, regardless of the switching state in which the switches are.

Das erfindungsgemäße elektrisch betriebene Kraftfahrzeug weist ein oder mehrere erfindungsgemäße Batteriesystem(e) auf. Die durch das Batteriesystem erreichten Vorteile führen dazu, dass das Kraftfahrzeug neben einer vergleichsweise hohen Reichweite auch eine hohe Spitzenleistung hat, die zu einer verbesserten Beschleunigungsdynamik beiträgt.The electrically powered motor vehicle according to the invention has one or more battery systems according to the invention. The advantages achieved by the battery system mean that the motor vehicle not only has a comparatively long range but also a high peak power, which contributes to improved acceleration dynamics.

Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.These and other advantages are set forth by the following description with reference to the accompanying figures. The reference to the figures in the description is to facilitate understanding of the subject matter. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein erstes Schaltschema eines Teils des Batteriesystems, 1 a first circuit diagram of a part of the battery system,

2 ein zweites Schaltschema eines Teils des Batteriesystems. 2 a second circuit diagram of a part of the battery system.

Ein Teil des erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 ist in den Schaltschemata der 1 und 2 gezeigt, wobei das Batteriesteuergerät und dessen operative Verbindung mit den Umschaltern 3 nicht gezeigt ist. Es ist eine Mehrzahl an Batteriezellen 11, 12 gezeigt, wobei die in der Abbildung oberen Zellen eine Serie 11' der Leistungszellen 11 ist und die in der Abbildung unten dargestellten Zellen eine Serie 12' der Energiezellen 12. Eine Energiezelle 12 ist dabei eine Batteriezelle, die im Hinblick auf maximale Energiedichte entwickelt wurde, während eine Leistungszelle 11 eine hohe maximal abgebbare Stromstärke aufweist, jedoch nur eine vergleichsweise geringe Kapazität aufweist. Die Energiezellen 12 des Batteriesystems sind dafür ausgelegt, die Grundlast eines Verbrauchers, beispielsweise eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, decken zu können, während die Leistungszellen 11 für Spitzenlast vorbehalten sind.A part of the battery system according to the invention 1 is in the schematics of 1 and 2 shown, wherein the battery control unit and its operative connection with the switches 3 not shown. It is a plurality of battery cells 11 . 12 shown in the figure above Cells a series 11 ' the power cells 11 and the cells shown in the picture below are a series 12 ' the energy cells 12 , An energy cell 12 is a battery cell that has been designed for maximum energy density while a power cell 11 has a high maximum outputable current, but has only a comparatively small capacity. The energy cells 12 of the battery system are designed to cover the base load of a consumer, such as an electrically powered motor vehicle, while the power cells 11 reserved for peak loads.

Wird von einem Verbraucher nur Grundlast angefordert, sind die Leistungszellen 11 nicht am Stromfluss beteiligt, die Umschalter 3, die sich zwischen zwei benachbarten Leistungszellen 11 und einer an eine Leistungszelle 11 benachbarten Energiezelle 12 befinden, befinden sich in ihrem zweiten Schaltzustand B, in dem der Stromfluss nicht seriell durch die jeweils benachbarte Batteriezelle 11, 12 geleitet wird, sondern über den Zellbypass 4. Im Betriebszustand „Spitzenlast” werden die Umschalter 3, die zwischen den Leistungszellen 11 untereinander, zwischen einer Leistungszelle 11 und der benachbarten Energiezelle 12 und der Kontaktierung der Reihenschaltung, quasi deren „freiem Ende” angeordnet sind, in ihren ersten Schaltzustand A überführt, wodurch ein Stromfluss seriell durch die Leistungszellen 11 ermöglicht wird, und in kurzer Zeit eine vergleichsweise große Energiemenge abgegeben werden kann.If only a base load is requested by a consumer, the power cells are 11 not involved in the flow of electricity, the switches 3 that is between two adjacent power cells 11 and one to a power cell 11 neighboring energy cell 12 are located in their second switching state B, in which the current flow is not serially through the respective adjacent battery cell 11 . 12 but via the cell bypass 4 , In the operating state "peak load", the switches 3 that is between the power cells 11 between each other, between a power cell 11 and the neighboring energy cell 12 and the contacting of the series circuit, quasi their "free end" are arranged, transferred to its first switching state A, whereby a current flow in series through the power cells 11 is possible, and in a short time a comparatively large amount of energy can be delivered.

Die Umschalter 3 können in einer nicht gezeigten Ausführungsform mittels eines Schaltsignals eines Batteriesteuergeräts hin betätigt werden, wobei das Signal durch das Batteriesteuergerät aus Strom-/Spannungsmesswerten der Batteriezellen 11, 12 und/oder aus einer Fahrzustandsinformation bestimmt werden kann.The switches 3 can be operated in a non-illustrated embodiment by means of a switching signal from a battery control unit, the signal through the battery control unit from current / voltage measurements of the battery cells 11 . 12 and / or can be determined from a driving status information.

Eine andere Betriebsweise des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist in 2 gezeigt. Grundgedanke hierbei ist, dass stets eine gleiche Zahl an Batteriezellen 11, 12 am Stromfluss beteiligt sein soll, da eine Veränderung der Zellanzahl auch die Leerlaufsummenspannung des Batteriesystems beeinflusst und evtl. nachgeschaltete Spannungswandler erfordert. Ganz links in 2 befindet sich das Batteriesystem in seinem Grundlastzustand, wobei die Schalter 3 zwischen den Leistungszellen 11 und der an die Leistungszelle 11 angrenzenden Energiezelle in ihrem zweiten Schaltzustand B vorliegen. Wird das Batteriesystem in den Spitzenlastzustand versetzt, so werden die Umschalter 3 der Leistungszellen 11 jeweils in den ersten Schaltzustand versetzt, um sie in den Zellverbund einzuschalten. Gleichzeitig wird der Stromfluss durch zwei der Energiezellen 12 getrennt, indem die zugeordneten Umschalter 3 in den zweiten Schaltzustand versetzt werden, um den Stromfluss über dem Zellbypass 4 zu leiten, was in der mittigen Teilabbildung gezeigt ist. Damit alle Energiezellen 12 gleichmäßig belastet werden, wird vorgeschlagen über die Umschalter 3 die am Stromfluss beteiligten Energiezellen periodisch zu wechseln, was in der rechten Teilabbildung gezeigt ist. In der mittigen Teilabbildung sind die beiden unteren Energiezellen 12 aktiv, während bei der rechten Teilabbildung die beiden oberen Energiezellen 12 in den Zellverbund eingeschaltet sind.Another mode of operation of the battery system according to the invention is in 2 shown. The basic idea here is that always an equal number of battery cells 11 . 12 should be involved in the flow of electricity, since a change in the number of cells also affects the idle-total voltage of the battery system and may require downstream voltage converter. Far left in 2 the battery system is in its base load condition, with the switches 3 between the power cells 11 and the to the power cell 11 adjacent energy cell in its second switching state B are present. When the battery system is put into the peak load state, the changeover switches become 3 the power cells 11 each set in the first switching state to turn them into the cell network. At the same time, the current flow through two of the energy cells 12 disconnected by the associated switches 3 be placed in the second switching state to the flow of current through the cell bypass 4 to direct what is shown in the central part illustration. So that all energy cells 12 evenly loaded, is proposed via the switch 3 To periodically change the energy cells involved in the current flow, which is shown in the right part of the figure. In the middle part of the picture are the two lower energy cells 12 active, while in the right part of the figure, the two upper energy cells 12 are turned on in the cell network.

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Claims (10)

Batteriesystem (1), das eine Mehrzahl seriell verschaltbarer Batteriezellen (11, 12) aufweist, eine erste Anzahl Zellen, die Leistungszellen (11) sind, und eine zweite Anzahl Zellen, die Energiezellen (12) sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der seriellen Verschaltung aller Batteriezellen (11, 12) zumindest zwei Umschalter (3) angeordnet sind, die zumindest eingangs und ausgangs an den Anschlüssen jeder Serie (11') an Leistungszellen (11) angeordnet sind, wobei die Umschalter (3) zumindest zwei Schaltzustände aufweisen, – einen ersten Schaltzustand (A), in dem ein Stromfluss entlang der Serienschaltung aller seriell schaltbaren Batteriezellen (11, 12) freigegeben ist und – und einen zweiten Schaltzustand (B), in dem der Stromfluss über einen Zellbypass (4) geleitet wird.Battery system ( 1 ), which a plurality of serially connectable battery cells ( 11 . 12 ), a first number of cells, the power cells ( 11 ), and a second number of cells, the energy cells ( 12 ), characterized in that in the serial connection of all battery cells ( 11 . 12 ) at least two switches ( 3 ) arranged at least at the entrance and exit at the terminals of each series ( 11 ' ) on power cells ( 11 ), the switches ( 3 ) have at least two switching states, - a first switching state (A), in which a current flow along the series connection of all series-switchable battery cells ( 11 . 12 ) and - and a second switching state (B) in which the flow of current through a cell bypass ( 4 ). Batteriesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Batteriesystem (1) ein Batteriesteuergerät (2) aufweist, mit dem die Umschalter (3) jeweils operativ verbunden sind und/oder – die Batteriezellen (11, 12) in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet sind und/oder – zwischen allen Batteriezellen (11, 12) ein Umschalter angeordnet ist.Battery system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that - the battery system ( 1 ) a battery control device ( 2 ), with which the switches ( 3 ) are each operatively connected and / or - the battery cells ( 11 . 12 ) are arranged in a common battery housing and / or - between all battery cells ( 11 . 12 ) A switch is arranged. Batteriesystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Batteriezellen (11, 12) jeweils eine Strom- und Spannungsmessstelle aufweisen, die zur Messwerterfassung mit dem Batteriesteuergerät (2) verbunden ist, und/oder – das Batteriesteuergerät einen Fahrzustandseingang aufweist, der mit einem Fahrzustandsgeber verbindbar ist.Battery system ( 1 ) according to claim 2, characterized in that - the battery cells ( 11 . 12 ) each have a current and voltage measuring point, which is used for measured value acquisition with the battery control unit ( 2 ), and / or - the battery control device has a driving state input that is connectable to a driving state sensor. Batteriesystem (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Leistungszellen (11) in zumindest einer Raumrichtung eine kleinere Abmessung haben als die Energiezellen (12) und/oder – die Leistungszellen (11) Li-Ion-Zellen oder Kondensatoren sind und/oder die Energiezellen (12) bleibasierte Zellen.Battery system ( 1 ) according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that - the power cells ( 11 ) have a smaller dimension in at least one spatial direction than the energy cells ( 12 ) and / or - the power cells ( 11 ) Li-ion cells or capacitors and / or the energy cells ( 12 ) lead-based cells. Betriebsverfahren eines Batteriesystems (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Schritte: a) in den ersten Schaltzustand (A) Versetzen der Umschalter (3), die eingangs und ausgangs der Anschlüsse jeder Serie (11') Leistungszellen (11) vorliegen, b) dadurch Freigeben eines Stromflusses entlang der Serienschaltung aller seriell schaltbaren Batteriezellen (11, 12), c) dadurch in einen Spitzenlastzustand Versetzen des Batteriesystems (1).Operating method of a battery system ( 1 ) according to at least one of claims 1 to 4, comprising the steps: a) in the first switching state (A) putting the changeover switch ( 3 ), the input and output of the connectors of each series ( 11 ' ) Power cells ( 11 b) thereby enabling a current flow along the series connection of all series-connectable battery cells ( 11 . 12 c) thereby putting it in a peak load state of the battery system ( 1 ). Betriebsverfahren nach Anspruch 5, wobei vor dem Schritt a) der Schritt a') Ausgeben eines ersten Schaltsignals durch das Batteriesteuergerät und Weiterleiten an die Umschalter (3), die eingangs und ausgangs an den Anschlüssen jeder Serie (11') an Leistungszellen (11) vorliegen, ausgeführt wird.Operating method according to claim 5, wherein prior to step a), step a ') outputting a first switching signal by the battery control device and forwarding to the switches ( 3 ), the input and output at the terminals of each series ( 11 ' ) on power cells ( 11 ), is carried out. Betriebsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei im Schritt a') – anhand vorbestimmter Kriterien Verarbeiten eines Signals des Fahrzustandseingangs und/oder der Messwerte der Strom- und Spannungsmessstellen der Batteriezellen (11, 12) durch das Batteriesteuergerät und bei Vorliegen vorbestimmter Bedingungen Ausgeben des ersten Schaltsignals, ausgeführt wird.Operating method according to claim 5 or 6, wherein in step a ') - based on predetermined criteria processing of a signal of the driving state input and / or the measured values of the current and voltage measuring points of the battery cells ( 11 . 12 ) is performed by the battery control device and in the presence of predetermined conditions outputting the first switching signal. Betriebsverfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, umfassend den Schritt: d) Ausgeben eines zweiten Schaltsignals durch das Batteriesteuergerät und Weiterleiten an zumindest einen Umschalter (3) zwischen den Energiezellen (12), dadurch in den ersten Schaltzustand Überführen des Umschalters (3) zwischen den Energiezellen (12) e) nach einer vorbestimmten Zeitdauer Wegfallen des zweiten Schaltsignals, dadurch in den zweiten Schaltzustand Überführen des Umschalters (3) zwischen den Energiezellen (12), f) fortlaufend Ausführen der Schritte d) und e).Operating method according to at least one of Claims 5 to 7, comprising the step of: d) outputting a second switching signal by the battery control device and forwarding to at least one changeover switch ( 3 ) between the energy cells ( 12 ), thereby in the first switching state transfer of the switch ( 3 ) between the energy cells ( 12 ) e) after a predetermined period of time omission of the second switching signal, thereby in the second switching state transfer of the switch ( 3 ) between the energy cells ( 12 f) continuously performing steps d) and e). Betriebsverfahren nach Anspruch 8, wobei in dem Schritt d) jeweils gleich viele Umschalter (3) zwischen den Energiezellen (12) in den ersten Schaltzustand überführt werden wie im Schritt a) Umschalter (3) eingangs und ausgangs der Anschlüsse jeder Serie (11') Leistungszellen (11).Operating method according to claim 8, wherein in the step d) in each case the same number of switches ( 3 ) between the energy cells ( 12 ) are converted into the first switching state as in step a) switch ( 3 ) input and output of the connectors of each series ( 11 ' ) Power cells ( 11 ). Elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, das zumindest ein Batteriesystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem ein Batteriesystem (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.Electrically operated motor vehicle, which has at least one battery system, characterized in that the battery system is a battery system ( 1 ) according to at least one of claims 1 to 4.
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