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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 8. Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
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Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, weisen eine Batterie auf, welche eine Serienschaltung vieler einzelner Batteriezellen umfassen kann. Die durch die Serienschaltung zur Verfügung gestellte Spannung ist nicht für alle Verbraucher gleichermaßen geeignet. Daher kann zur Anpassung der Spannung an den jeweiligen Verbraucher zwischen Batterie und Verbraucher ein Spannungswandler zwischengeschaltet sein. Des Weiteren kann ein Wechselrichter vorhanden sein, welcher die zur Verfügung gestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung umformt.
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In diesem Zusammenhang offenbart die
WO 2013/124079 A1 ein Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, wobei die einzelnen Energiespeichermodule in die Serienschaltung eingefügt oder überbrückt werden können.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, welche eine gleichmäßige Ausnutzung aller Batteriezellen eines Batteriestrangs ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Batteriestrang zur Bereitstellung von Energie, welcher eine Serienschaltung von einzelnen Batteriezellen zwischen zwei Anschlusspunkten aufweist, sowie eine mit der Anzahl der Batteriezellen korrelierten Anzahl von Koppelvorrichtungen, welche dazu ausgelegt sind, entweder eine Ihnen jeweils zugeordnete Batteriezelle elektrisch in die Serienschaltung einzubinden oder stattdessen eine elektrische Überbrückung der ihnen jeweils zugeordneten Batteriezelle bereitzustellen. Weiterhin umfasst die Schaltungsanordnung eine Steuervorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die Koppelvorrichtungen anzusteuern, um einen vorgegebenen Spannungsverlauf an den Anschlusspunkten nachzuformen, sowie des Weiteren aktuelle und/oder historische Zustandsdaten jeder Batteriezelle bereitzustellen und diese zum Ansteuern der Koppelvorrichtungen mit einzubeziehen.
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Durch die Einbeziehung von beispielsweise Ladezustand, Zellspannung oder Temperatur der Batteriezelle kann der Leistungsfluss durch die einzelnen Batteriezellen optimiert werden. Bevorzugt kann eine Batteriezelle, für die ein erhöhter Innenwiderstand ermittelt wurde, in den Phasen mit geringerer Strombelastung betrieben werden. Des Weiteren kann eine Batteriezelle, welche in der Vergangenheit durch Über- oder Unterschreitung eines betriebssicherheitsrelevanten Parameters, beispielsweise der maximalen Ladespannung oder der minimalen Entladespannung, aufgefallen ist, dauerhaft als gesperrt zu markieren und diese aus dem Serienschaltungsverbund herauszunehmen. Auf diese Weise wird eine höhere Betriebssicherheit erreicht. Die Verfügbarkeit des Energiespeichers kann somit durch redundante Auslegung gesteigert werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Schaltungsanordnung weist an den Anschlusspunkten des Batteriestrangs eine Umpolvorrichtung zur Erzeugung einer Spannung mit einer wechselbaren Polarität auf. Dabei ist die Polarität der erzeugten Spannung durch die Steuervorrichtung einstellbar.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, neben aktuellen Betriebsparametern jeder Batteriezelle, vorzugsweise den Ladezustand jeder Batteriezelle oder der Zellenspannung jeder Batteriezelle, auch eine kumulierte Gesamtbelastung jeder einzelnen Batteriezelle auszuwerten. So kann beispielsweise ein Wert oder eine Gruppe von Werten für jede einzelne Batteriezelle hinterlegt sein, welche Ströme für welche Zeitdauer über die Batteriezellen geflossen sind. Auf diese Weise ist es möglich, eine gleichmäßige Beanspruchung aller Batteriezellen zu erzielen, so kann beispielsweise eine Batteriezelle, welche in der Phase einer hohen Stromentnahme aktiv in der Serienschaltung eingebunden war, zum Ausgleich in einer Phase geringerer Stromentnahme aktiviert werden. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Verteilung der Lasten auf alle Zellen entsprechend Ihrer individuellen Leistungsfähigkeit möglich.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung eine Koppelvorrichtung mit jeweils einem Koppelpfade zum Einbinden der jeweiligen Batteriezellen sowie jeweils einem Überbrückungspfad zum Überbrücken der jeweiligen Batteriezellen auf, wobei sowohl der Koppelpfad als auch der Überbrückungspfad in geschlossenem Zustand einen ohmschen Widerstand von 5 mΩ nicht überschreiten. Vorzugsweise ist dieser Widerstand maximal 2 mΩ, insbesondere maximal 0,5 mΩ. Beispielsweise kann dieser Widerstand durch ein elektronisches Halbleiterbauelement, insbesondere einen MOSFET-Transistor gegeben sein.
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In einer weiteren Ausführung weist die Schaltungsanordnung einen Koppelpfad sowie einen Überbrückungspfad auf, wobei der Spannungsabfall über einen Koppel- bzw. Überbrückungspfad im stromdurchflossenen Zustand nicht größer ist als 0,7 V, vorzugsweise nicht größer als 0,4 V, insbesondere nicht größer als 0,2 V.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Einbindung einer Batteriezelle in den Batteriestrang beispielsweise durch eine Halbbrückenanordnung mit vorzugsweise MOSFET-Transistoren realisiert sein. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung kann zur Verringerung des Spannungsabfalls während einer Rückwärtsleitendphase einer in einem MOSFET-Transistor prinzipbedingt vorhandenen Inversdiode eine weitere Schottky-Diode parallel geschaltet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Verluste durch die Verwendung von Synchrongleichrichtern anstelle von Schottky-Dioden noch weiter reduziert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, eine Wechselspannung bereitzustellen, wobei die Wechselspannung einen stufigen Verlauf aufweist. Die Momentanwerte dieser Wechselspannung basieren dabei auf ganzzahligen Vielfachen der Spannung einer einzelnen Batteriezelle. Mit anderen Worten ist die bereitgestellte Wechselspannung aus der Summe einzelner Rechteckspannungen zusammengesetzt, wobei die Anzahl der Einzelspannungen gleich der Anzahl der in dem Batteriestrang vorhandenen Batteriezellen ist, und die einzelnen Rechteckspannungen einen Wert von entweder Null oder dem Wert der Batteriezellenspannung annehmen können. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, eine Wechselspannung bereitzustellen, welche in ihrem Verlauf beispielsweise einer Sinus-Welle folgt. Dabei wird mit steigender Batteriezellenzahl eine feinere Auflösung erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform können jeweils ein Batteriestrang sowie eine Umpolvorrichtung wie zuvor beschrieben insgesamt dreifach vorhanden sein, wobei die drei Stränge an einem gemeinsamen Sternpunkt angeordnet sind. Dabei ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, ein 3-Phasen-System mit drei jeweils um 120 Grad phasenverschobenen Wechselspannungen zu erzeugen. Mit dieser Anordnung ist beispielsweise ein Elektromotor, insbesondere ein Drehstromasynchronmotor oder ein Drehstromsynchronmotor direkt ansteuerbar. Beispielsweise kann in einem solchen System ein separater Umrichter zur Speisung des Elektroantriebs vollständig entfallen. Mit anderen Worten eine Antriebsstromrichterfunktionalität ist bereits in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel integriert.
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Im Folgenden wird ein Verfahren vorgestellt, nach welchem eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung betreibbar ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit lässt sich dabei das im Folgenden am Beispiel einer einphasigen Anordnung beschriebene Verfahren auch auf eine beliebige mehrphasige Anordnung übertragen.
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Zunächst wird ein Spannungswert bereitgestellt, welcher beispielsweise aus der Anforderung eines Verbrauchers resultiert. Abhängig von diesem Spannungswert wird eine entsprechende Anzahl von Batteriezellen ermittelt, welche benötigt wird, um den vorgegebenen Spannungswert zu erreichen. Weiterhin wird festgelegt, welche Batteriezellen anschließend belastet werden sollen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden hierbei aktuelle Zustandsdaten jeder einzelnen Batteriezelle ausgewertet, um eine entsprechende Auswahl der Batteriezellen zu treffen. Bei den Zustandsdaten der Batterie kann es sich dabei beispielsweise um eine Zelltemperatur oder eine Zellspannung oder auch einen Ladezustand handeln, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden historische Zustandsdaten per Batteriezellen ausgewertet, beispielsweise kann die aktive Betriebszeit jeder einzelnen Zelle ausgewertet werden oder auch das zeitliche Integral des Gesamtstroms, welcher über jeder einzelne Batteriezelle geflossen ist. In einer weiteren Ausführungsform können sowohl aktuelle als auch historische Zustandsdaten für die Auswahl der zu aktivierenden Batteriezellen benutzt sein. Nach der Auswahl der Batteriezellen, welche in der Serienschaltung aktiv eingebunden sein sollen, werden die Koppelvorrichtungen zum Schließen oder Öffnen eines Koppelpfades zum Einbinden der jeweiligen Batteriezellen und eines Überbrückungspfades zum Überbrücken der jeweiligen Batteriezellen angesteuert.
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Bei Batteriezellen, welche bereits in der Serienschaltung eingebunden sind und welche nicht daraus entfernt werden sollen, bleibt ein Koppelpfad geschlossen und ein Überbrückungspfad geöffnet. Für eine Batteriezelle, welche bisher nicht in der Serienschaltung eingefügt war und die nun integriert werden soll, wird zunächst der Überbrückungspfad geöffnet und danach der Koppelpfad geschlossen. Für eine Batteriezelle, die aus dem Serienzellverbund herausgenommen werden soll, wird zunächst der Koppelpfad geöffnet und danach der Überbrückungspfad geschlossen. Bei einer Batteriezelle, die bisher nicht Teil der Serienschaltung war und auch nun nicht zur Serienschaltung hinzugefügt werden soll, bleibt der Überbrückungspfad geschlossen und der Koppelpfad geöffnet.
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Die zuvor beschriebenen Schritte werden zyklisch wiederholt. in einer Ausgestaltung wird dabei das Verfahren mit einem festen Zeitintervall äquidistant abgearbeitet. in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Intervall dynamisch verändert, beispielsweise dadurch, dass immer eine bestimmte Ladungsmenge aus den Batteriezellen entnommen oder in diese zurückgespeist wird, bevor der nächste Auswerte- und Schaltzyklus angestoßen wird.
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Ein Kraftfahrzeug kann eine der zuvor beschriebenen Schaltungsanordnungen aufweisen. insbesondere kann eine Antriebsbatterie vorhanden sein, welche dreiteilig ausgeführt ist. Dabei sind die einzelnen Batteriezellen in der zuvor beschriebenen Art und Weise in drei an einem gemeinsamen Sternpunkt betriebenen Strängen jeweils mit einer Umpolvorrichtung ausgestattet, wobei mithilfe einer Steuervorrichtung eine dreiphasige Wechselspannung erzeugt wird. Dabei kann ein Elektromotor, insbesondere ein Drehstromasynchronmotor oder ein Drehstromsynchronmotor direkt aus dem erzeugten Dreiphasenwechselspannungssystem gespeist werden.
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Im Folgenden ist die Erfindung detaillierter anhand der Figuren erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Batteriestrangs,
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2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften zeitlichen Abfolge und
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3 eine schematische Darstellung einer Umpolvorrichtung.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit acht Batteriezellen 1a bis 1h, welche zwischen zwei Anschlusspunkten 4 und 5 in Serie schaltbar sind. Jeder der acht Batteriezellen ist eine elektrische Überbrückung 0a bis 0h zugeordnet, welche dazu ausgelegt ist, den Strom an der Batteriezelle vorbeizuführen. Dabei ist jede elektrische Überbrückung 0a bis 0h jeweils mit dem Minuspol der zugehörigen Batteriezelle 1a bis 1h elektrisch gekoppelt. Die Pluspole der Batteriezellen 1a bis 1h sind jeweils mit einer Koppelvorrichtung 2a bis 2h verbunden, wobei die Koppelvorrichtung jeweils einen Weg herstellt vom Minuspol der darüber angeordneten Batteriezelle zum Pluspol der zugeordneten Batteriezelle, oder alternativ vom Minuspol der darüber angeordneten Batteriezelle zu dem der Batteriezelle zugeordneten elektrischen Überbrückungsweg 0a bis 0h. Mit anderen Worten zeigt 1 einen Umschalter von dem Minuspol einer darüber liegenden Batteriezellen, welcher entweder eine Verbindung aufweist zu dem Pluspol der aktiven Batteriezelle oder alternativ zu dem zugehörigen elektrischen Überbrückungspfad. Somit sind die Minuspole der nachfolgend genannten Batteriezellen permanent mit folgenden elektrischen Überbrückungen gekoppelt: 1a mit 0a, 1b mit 0b, 1c mit 0c, 1d mit 0d, 1e mit 0e, 1f mit 0f, 1g mit 0g und 1h mit 0h.
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Zusätzlich ist 0h elektrisch gekoppelt mit dem Anschlusspunkt 5. Ausgehend von dem Anschlusspunkt 4 stellt die Koppelvorrichtung 2a eine elektrische Verbindung her zu der Überbrückung 0a. Weiterhin sind elektrisch gekoppelt 0a mit 0b, 0b mit 0c, 0c mit 0d, 0d mit 0e und 0e mit 0f sowie 0f mit 0g. Im Gegensatz zu den Koppelvorrichtungen 2a bis 2g, welche alle auf elektrische Überbrückung der einzelnen Batteriezellen 1a bis 1g eingestellt sind, stellt die Koppelvorrichtung 2h eine elektrische Verbindung zwischen dem Minuspol der Batteriezelle 1g und dem Pluspol der Batteriezelle 1h her. Somit befindet sich nur die Batteriezelle 1h im Serienstromkreis, die übrigen Batteriezellen 1a bis 1g sind in der Serienschaltung überbrückt.
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Die in 1 durch einen Umschalter symbolisierte Koppelvorrichtung kann in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung beispielsweise durch eine Halbleiterschaltung, insbesondere eine Halbbrückenschaltung, welche beispielsweise mit MOSFET-Transistoren realisiert ist, ausgebildet sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften zeitlichen Abfolge. Die Darstellung verdeutlicht den Zusammenhang zwischen einem vorgegebenen Spannungswert und einer zugehörigen Schaltungsanordnung, mit welcher der gewünschte Spannungswert erreicht wird. Das Diagramm zeigt einen sinusförmigen Spannungsverlauf über einer Zeitachse, wobei die Amplitude der Sinusspannung mit einer achtfachen Zellenspannung Ucell angegeben ist. Auf der positiven Halbwelle dieser Sinusspannung sind ausgewählte Spannungswerte hervorgehoben und ihre zugehörige Koppelvorrichtungskonfiguration grafisch dargestellt. Die ausgewählten Spannungen betragen nacheinander eine, vier, acht und wieder eine Einheit(en) bezogen auf eine Zellenspannung Ucell
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Die Konfiguration der ersten Spannungseinstellung 1Ucell entspricht genau der Darstellung in 1. Der zweite Spannungswert 4Ucell weist Koppelvorrichtungen 2a bis 2d auf, welche auf die elektrischen Überbrückungen 0a bis 0d geschaltet sind. Die Koppelvorrichtungen 2e bis 2h hingegen sind auf die Pluspole der jeweiligen Batteriezellen 1e bis 1h gekoppelt. Für einen Spannungswert von 8Ucell, welcher gerade im Scheitel der Sinusspannung liegt, sind alle Koppelvorrichtungen 2a bis 2h auf die jeweiligen Pluspole der Batteriezellen 1a bis 1h gekoppelt. Im fallenden Ast der positiven Halbwelle der Sinusspannung wird der Spannungswert 4Ucell dadurch erreicht, dass die Koppelvorrichtungen 2a, 2d, 2f und 2h auf die jeweiligen Pluspole der Batteriezellen 1a, 1d, 1f und 1h gekoppelt sind, sowie die Koppelvorrichtungen 2b, 2c, 2e und 2g auf die jeweiligen elektrischen Überbrückungen 0b, 0c, 0e und 0g gekoppelt sind. Der letzte Spannungswert 1Ucell wird erreicht durch Konfiguration der Koppelvorrichtung 2b derart, dass der Minuspol der Batteriezelle 1a mit dem Pluspol der Batteriezelle 1b verbunden wird. Die Koppelvorrichtungen 2a, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g und 2h koppeln auf die elektrischen Überbrückungen 0a, 0c, 0d, 0e, 0f, 0g und 0h.
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2 ist weiterhin zu entnehmen, dass die Position der ein- und ausgeschalteten Batteriezellen nicht relevant ist, solange die Summenspannung dem Sollwert entspricht. Somit kann ein „wear-leveling”, also eine gleichmäßige Verteilung der Lasten auf alle Zellen, erzielt werden.
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3 umfasst die bereits aus 1 bekannte Batteriestranganordnung zwischen den beiden Anschlusspunkten 4 und 5. Weiterhin weist die Darstellung in 3 eine Umpolvorrichtung 3 auf, welche dazu ausgelegt ist, die zwischen den Anschlusspunkten 4 und 5 bereitgestellte variable Gleichspannung in eine Spannung mit variabler Polarität umzusetzen, welcher dann zwischen den Anschlusspunkten 6 und 7 bereitstellbar ist.
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Im dargestellten Fall besteht eine elektrische Kopplung zwischen den Anschlusspunkten 4 und 7 sowie eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlusspunkten 5 und 6. Somit ergibt sich an dem Anschlusspunkt 7 eine positive und an dem Anschluss 6 eine negative Polarität. Die in diesem Zustand nicht bestehende elektrische Kopplung zwischen dem Anschlusspunkt 4 und dem Anschlusspunkt 6 ist durch ein offenes Schaltersymbol dargestellt, ebenso die nicht bestehende Verbindung zwischen den Anschlusspunkten 5 und 7. Durch die Hinzunahme von vier Schaltelementen der Umpolvorrichtung 3 gegenüber der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist somit das Alternieren der Spannungspolarität an den Anschlusspunkten 6 und 7 möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 0a bis 0h
- elektrische Überbrückungen
- 1a bis 1h
- Batteriezellen
- 2a bis 2h
- Koppelvorrichtungen
- 3
- Umpolvorrichtung
- 4, 5, 6, 7
- Anschlusspunkte
- Ucell
- Zellenspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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