DE102014006772A1 - Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit zwei Spannungskreisen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriestrang (2) zur Bereitstellung einer ersten Spannung für einen ersten externen Spannungskreis (4), wobei der Batteriestrang eine Serienschaltung von Batteriezellen (9) zwischen einem zweipoligen Gesamtspannungsabgriff (6) aufweist, an welchen der erste Spannungskreis anschließbar ist, und wobei die Serienschaltung in Module (3) gleicher Zellenzahl gegliedert ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System bereitzustellen, welches für die Versorgung eines zweiten Spannungskreises (5) ausgelegt ist. Dazu ist mit dem zweiten Spannungskreis (5) ein Teilspannungsabgriff (12), gekoppelt, welcher dazu ausgelegt ist, über eine Koppelvorrichtung (7) alternierend jeweils ein Modul (3) auf den Teilspannungsabgriff (12) zu koppeln. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren für ein derartiges Batteriesystem sowie ein Kraftfahrzeug, welches ein derartiges Batteriesystem aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriestrang zur Bereitstellung einer ersten Spannung für einen ersten externen Spannungskreis sowie zur Bereitstellung einer zweiten Spannung für einen zweiten externen Spannungskreis. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Batteriesystems. Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Batteriesystem.
  • Kraftfahrzeuge, 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. Alternativ können auch zwei Batterien mit unterschiedlichen Spannungen vorhanden sein, insbesondere, wenn sich die Verbraucher in zwei Gruppen mit jeweils derselben Spannungsanforderung einteilen lassen.
  • Weiterhin offenbart die US 2013/0320772 A1 in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur flexiblen Konfiguration einer Anordnung von einzelnen Batteriezellen, um eine optimale Anpassung an die Anforderung des angeschlossenen Verbrauchers zu ermöglichen. Nachteilig an einem derartigen Verfahren ist der hohe, für seine Ausführung benötigte schaltungstechnische Aufwand.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welches eine einfache Struktur aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Das erfindungsgemäße Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Batteriestrang zur Bereitstellung einer ersten Spannung für einen ersten externen Spannungskreis, wobei der Batteriestrang eine Serienschaltung von Batteriezellen zwischen einem zweipoligen Gesamtspannungsabgriff aufweist, an welchem der erste Spannungskreis anschließbar ist, und wobei die Serienschaltung in Module gleicher Zellenzahl gegliedert ist. Weiterhin weist das Batteriesystem eine jeweilige Koppelvorrichtung für jedes Modul zur Kopplung des Moduls auf einen gemeinsamen zweipoligen Teilspannungsabgriff auf, an welchem ein zweiter externer Spannungskreis anschließbar ist, wobei jede Koppelvorrichtung dazu ausgelegt ist, wahlweise in Abhängigkeit von einem Steuersignal das ihr zugeordnete Modul auf den Teilspannungsabgriff zu koppeln. Weiterhin umfasst das Batteriesystem eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, alternierend eines der Module für eine Kopplung mit dem Teilspannungsabgriff auszuwählen und das entsprechende Steuersignal für die zugehörige Koppelvorrichtung bereitzustellen.
  • Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist den Vorteil auf, dass eine gleichmäßige Nutzung der Batteriezellen für zwei Spannungslagen verwendbar ist und somit die Notwendigkeit eines zusätzlichen DC/DC-Wandlers entfällt, wodurch eine Batterie für die gleichzeitige Bereitstellung zweier unterschiedlicher Spannungen benutzt werden kann. Dadurch ergibt sich eine Reduktion des benötigten Bauteileaufwands und insbesondere eine Reduktion des benötigten Bauvolumens beziehungsweise -gewichts. Basierend auf der Auswahl des jeweils aktiven Moduls durch die Steuereinrichtung kann eine gleichmäßige Lastverteilung auf alle Module erreicht werden, insbesondere ist eine Symmetrierung der einzelnen Module untereinander möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, ein alternierendes Koppeln der einzelnen Module für eine vorgegebene Aktivierungsdauer auf den Teilspannungsabgriff zu bewirken, vorzugsweise unter zyklischer Verwendung einer Sequenz mit vorbestimmter Aktivierungsdauer für jedes Modul, insbesondere unter zyklischer Verwendung einer Sequenz mit einer konstanten Aktivierungsdauer für jedes Modul. Hierdurch lässt sich ein besonders einfaches Betriebsverfahren realisieren.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Aktivierungsdauer in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen oder Zustand der Batteriezellen anzupassen, insbesondere von Stromstärke, Batteriezelltemperatur und/oder -alter. Dadurch kann beispielsweise auch bei wechselnden Stromanforderungen eine gleichmäßige Entladung beziehungsweise Ladung der einzelnen Module erreicht werden. Des Weiteren können beispielsweise Module, deren Zellen gerade infolge einer sehr hohen Strombelastung eine höhere Temperatur erreicht haben, in nachfolgenden Zyklen weniger stark belastet werden als die anderen Module.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Batteriesystem eine Zellüberwachungsvorrichtung mit einer Balancer-Funktionalität auf, welche dazu ausgelegt ist, einen Ladungsausgleich, insbesondere einen aktiven Ladungsausgleich, zwischen den Batteriezellen innerhalb des gesamten Batteriestrangs zu bewirken. Neben der primären Funktion des Ladungsausgleichs zwischen den einzelnen Batteriezellen ergibt sich hier der weitere Vorteil, dass verbleibende Abweichungen des Ladezustands der einzelnen Zellblöcke ebenfalls durch das Balancing beseitigt werden. Somit kann das Steuergerät lediglich für eine einfache grobe Lastverteilung auf die einzelnen Module ausgelegt sein, der Feinabgleich erfolgt dann durch den Balancer.
  • Des Weiteren kann mit dem Teilspannungsabgriff eine Filtervorrichtung gekoppelt sein, welche dazu ausgelegt ist, bei Koppelvorgängen auftretende Transienten zu unterdrücken, insbesondere Spannungsspitzen und kurzzeitige Unterbrechungen zwischen zwei Schaltvorgängen. Dabei kann es sich um ein passives Netzwerk handeln, welches insbesondere mindestens einen Kondensator und/oder mindestens eine Drosselspule beinhaltet. Durch die Verwendung einer derartigen Filtervorrichtung kann insbesondere die Betriebssicherheit der an dem zweiten externen Spannungskreis angeschlossenen Verbraucher verbessert werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mit dem Teilspannungsabgriff eine Stabilisierungsvorrichtung zum Stabilisieren der zweiten Spannung gekoppelt, welche vorzugsweise einen Akkumulator oder einen Doppelschichtkondensator/Superkondensator aufweist. Eine derartige Stabilisierungsvorrichtung ist dazu geeignet, kurzzeitige Unterbrechungen infolge des Umschaltens zwischen zwei Modulen zu überbrücken, mit anderen Worten, es kann hier die Funktion einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) realisiert sein.
  • Eine derartige Stabilisierungsvorrichtung kann auch in Kombination mit der zuvor beschriebenen Filtervorrichtung vorliegen.
  • Bevorzugt kann ein Kraftfahrzeug ein derartiges Batteriesystem aufweisen, wodurch sich ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ergibt. Ebenfalls Teil der Erfindung ist ein Betriebsverfahren für ein Batteriesystem in einem Kraftfahrzeug, wobei das Batteriesystem einen Batteriestrang umfassend eine Serienschaltung von Batteriezellen zwischen einem zweipoligen Gesamtspannungsabgriff aufweist. Dabei ist die Serienschaltung in Module gleicher Zellenzahl gegliedert, und das Batteriesystem umfasst jeweils eine Koppelvorrichtung für jedes Modul zum wahlweisen Koppeln eines der Module mit einem gemeinsamen zweipoligen Teilspannungsabgriff.
  • Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren beinhaltet die Schritte Bereitstellen einer ersten Spannung durch den Batteriestrang sowie Auswählen eines der Module für eine Kopplung mit dem Teilspannungsabgriff und des Weiteren Bereitstellen eines Steuersignals für die zugeordnete Koppelvorrichtung durch eine Steuereinrichtung. Weiterhin erfolgt in Abhängigkeit von dem Steuersignal wahlweise Koppeln des ausgewählten Moduls auf den Teilspannungsabgriff durch die angesteuerte Koppelvorrichtung und hierdurch Bereitstellen einer zweiten Spannung an dem Gleichspannungsabgriff mittels des ausgewählten Moduls.
  • Zweckmäßigerweise erfolgt vor dem Koppeln eines ausgewählten Moduls auf den Teilspannungsabgriff ein Trennen eines nicht mehr ausgewählten Moduls von dem Gleichspannungsabgriff zur Vermeidung eines batterieinternen Kurzschlusses. Die Einhaltung der Bedingung nur maximal eines zu einem jeweiligen Zeitpunkt an den Gleichspannungsabgriff gekoppelten Moduls wird ein Zusammenwirken der Steuereinrichtung mit den Koppelvorrichtungen erreicht.
  • Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung detaillierter anhand der einzigen Fig. erläutert. Dabei zeigt die einzige Fig. eine vereinfachte schematische Darstellung eines Batteriesystems.
  • Ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 1 weist einen Batteriestrang 2 auf, welcher eine Serienschaltung von Batteriezellen 9 umfasst. In der Fig. sind die Batteriezellen durch Rechtecke mit den darin enthaltenen Symbolen „+” und „–” dargestellt, wobei die für eine Serienschaltung erforderlichen Zellverbindungselemente der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Die Serienschaltung aller Zellen 9 des Batteriestrangs 2 sind auf einem zweipoligen Gesamtspannungsabgriff 6 geführt, welcher eine Verbindung mit einem ersten externen Spannungskreis 4 ermöglicht. Dabei kann die Bemessungsspannung des ersten Spannungskreises 4 beispielsweise maximal 48 Volt betragen.
  • Der gesamte Batteriestrang 2 ist untergliedert in Module 3, welche jeweils die gleiche Zellenzahl aufweisen. Somit ist die Zellenzahl des Batteriestrangs 2 ein ganzzahliges Vielfaches der Zellenzahl eines Moduls 3. In der Fig. ist nur eines von drei gleich großen Modulen 3 hervorgehoben.
  • Bevorzugt kann eine Zellüberwachungsvorrichtung 8 vorhanden sein, welche Zugriff auf jede einzelne Batteriezelle 9 innerhalb des Batteriestrangs 2 hat. Insbesondere kann dabei eine Balancer-Funktionalität implementiert sein, welche den Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen 9 ermöglicht.
  • Jedem Modul 3 ist eine Koppelvorrichtung 7 zugeordnet, welche eine zweipolige Kopplung des jeweiligen Moduls 3 auf einen gemeinsamen zweipoligen Teilspannungsabgriff 12 ermöglicht. Dabei kann die Koppelvorrichtung 7 zum zweipoligen Koppeln eines Moduls 3 auf den gemeinsamen Teilspannungsabgriff 12 ein Paar von Trennschaltern aufweisen, welche vorzugsweise durch elektromechanische Schalter oder durch elektronische Schalter ausgebildet sind. Die Ansteuerung der Koppelvorrichtung 7 erfolgt dabei durch eine Steuereinrichtung 13, welche dazu ausgelegt ist, ein Modul 3 aus dem Batteriestrang 2 auszuwählen und dieses auf den Teilspannungsabgriff 12 über die zugehörige Koppelvorrichtung 7 zu koppeln.
  • Bevorzugt greift dazu die Steuereinrichtung 13 auf Daten zu, welche in der Zellspannungsüberwachungsvorrichtung 8 vorliegen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 13 auch konstruktiver Teil der Zellspannungsüberwachungsvorrichtung 8 sein, oder mit dieser gemeinsam auf einer Baugruppe realisiert sein.
  • In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann der Teilspannungsabgriff 12 direkt gekoppelt sein mit einem zweiten externen Spannungskreis 5. Dieser zweite Spannungskreis 5 kann beispielsweise eine Bemessungsspannung aufweisen, welche maximal 16 Volt beträgt. In der skizzierten Ausführungsform weist ein Modul 3 jeweils vier Batteriezellen 9 auf, der Batteriestrang 2 weist insgesamt 12 Batteriezellen 9 auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Teilspannungsabgriff 12 nicht direkt gekoppelt mit dem zweiten externen Spannungskreis 5. In diesem Fall erfolgt die Kopplung über einen zusätzlich dazwischengeschalteten Zwischenkreis 11, welcher in der Fig. durch einen Vierpol dargestellt ist. Beispielsweise kann der Zwischenkreis 11 eine Filtervorrichtung beinhalten, welche vorzugsweise Kondensatoren und/oder Drosselspulen umfasst.
  • Des Weiteren kann der Zwischenkreis 11 auch eine Stabilisierungsvorrichtung aufweisen, welche vorzugsweise einen Akkumulator oder einen Doppelschichtkondensator/Superkondensator umfasst.
  • Die Filtervorrichtung und Stabilisierungsvorrichtung können auch in beliebiger Reihenfolge miteinander kombiniert werden.
  • Die dargestellten Ausführungsformen sind beispielhaft für ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit zwei Spannungskreisen, insbesondere ohne die Verwendung eines externen DC/DC-Wandlers. Dabei ist das Batteriesystem nicht auf die Versorgung von zwei Spannungskreisen beschränkt. So können basierend auf dem gleichen Prinzip gleichzeitig auch drei Spannungskreise versorgt werden. Somit kann auf eine einfache Weise eine Mehrspannungsbatterie mit geschalteten Spannungs-Modulen ohne leistungselektronischen Zusatzaufwand zur Versorgung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes mit verschiedenen Spannungslagen realisiert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriesystem
    2
    Batteriestrang
    3
    Modul
    4
    Erster Spannungskreis
    5
    Zweiter Spannungskreis
    6
    Gesamtspannungsabgriff
    7
    Koppelvorrichtung
    8
    Zellüberwachungsvorrichtung
    9
    Batteriezellen
    11
    Zwischenkreis
    12
    Teilspannungsabgriff
    13
    Steuereinrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2013/0320772 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Batteriesystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit – einem Batteriestrang (2) zur Bereitstellung einer ersten Spannung für einen ersten externen Spannungskreis, wobei der Batteriestrang eine Serienschaltung von Batteriezellen (9) zwischen einem zweipoligen Gesamtspannungsabgriff (6) aufweist, an welchen der erste Spannungskreis anschließbar ist, und wobei die Serienschaltung in Module (3) gleicher Zellenzahl gegliedert ist, – einer jeweiligen Koppelvorrichtung (7) für jedes Modul zur Kopplung des Moduls auf einen gemeinsamen zweipoligen Teilspannungsabgriff (5), an welchen ein zweiter externer Spannungskreis (5) anschließbar ist, wobei jede Koppelvorrichtung dazu ausgelegt ist, wahlweise in Abhängigkeit von einem Steuersignal das ihr zugeordnete Modul auf den Teilspannungsabgriff zu koppeln, und – einer Steuereinrichtung (13), welche dazu ausgelegt ist, alternierend eines der Module für eine Kopplung mit dem Teilspannungsabgriff auszuwählen und das entsprechende Steuersignal für die zugehörige Koppelvorrichtung bereitzustellen.
  2. Batteriesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) dazu ausgelegt ist, ein alternierendes Koppeln der einzelnen Module (3) für eine vorgegebene Aktivierungsdauer auf den Teilspannungsabgriff (12) zu bewirken, vorzugsweise unter zyklischer Verwendung einer Sequenz mit konstanter Aktivierungsdauer für jedes Modul.
  3. Batteriesystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) dazu ausgelegt ist, die Aktivierungsdauer in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen oder Zustand der Batteriezellen (9) anzupassen, insbesondere von Stromstärke, Batteriezelltemperatur oder -alter.
  4. Batteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass des Weiteren eine Zellüberwachungsvorrichtung (8) mit einer Balancer-Funktionalität vorhanden ist, welche dazu ausgelegt ist, einen Ladungsausgleich, insbesondere einen aktiven Ladungsausgleich, zwischen den Batteriezellen (9) innerhalb des gesamten Batteriestrangs (2) zu bewirken.
  5. Batteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Teilspannungsabgriff (12) eine Filtervorrichtung gekoppelt ist, welche dazu ausgelegt ist, bei Koppelvorgängen auftretende Transienten zu unterdrücken, insbesondere Spannungsspitzen und kurzzeitige Unterbrechungen zwischen zwei Schaltvorgängen.
  6. Batteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Teilspannungsabgriff (12) eine Stabilisierungsvorrichtung zum Stabilisieren der zweiten Spannung gekoppelt ist, welche vorzugsweise einen Akkumulator oder einen Doppelschichtkondensator/Superkondensator aufweist.
  7. Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Betriebsverfahren für ein Batteriesystem (1) in einem Kraftfahrzeug, wobei das Batteriesystem einen Batteriestrang (2) umfassend eine Serienschaltung von Batteriezellen (9) zwischen einem zweipoligen Gesamtspannungsabgriff (6) aufweist, wobei die Serienschaltung in Module (3) gleicher Zellenzahl gegliedert ist, und wobei das Batteriesystem jeweils eine Koppelvorrichtung (7) für jedes Modul zum wahlweise Koppeln eines der Module mit einem gemeinsamen zweipoligen Teilspannungsabgriff (5) umfasst, mit den Schritten – Bereitstellen einer ersten Spannung durch den Batteriestrang (2), – Auswählen eines der Module (3) für eine Kopplung mit dem Teilspannungsabgriff (12) und Bereitstellen eines Steuersignals für die zugeordnete Koppelvorrichtung (7) durch eine Steuereinrichtung (13), und – in Abhängigkeit von dem Steuersignal wahlweise Koppeln des ausgewählten Moduls (3) auf den Teilspannungsabgriff (12) durch die angesteuerte Koppelvorrichtung (7) und hierdurch Bereitstellen einer zweiten Spannung an dem Teilspannungsabgriff mittels des ausgewählten Moduls.
DE102014006772.6A 2014-05-08 2014-05-08 Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit zwei Spannungskreisen Withdrawn DE102014006772A1 (de)

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