DE102014110380B4

DE102014110380B4 - Batteriesteuerung mit Blockauswahl

Info

Publication number: DE102014110380B4
Application number: DE102014110380.7A
Authority: DE
Inventors: Philip Georg Brockerhoff
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: US20150028817A1; US9520613B2; CN104348226B; CN104348226A; DE102014110380A1

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Batterie (100), die mehrere Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) umfasst, wobei jeder der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) mindestens eine Batteriezelle (100) umfasst, um eine Blockspannung des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) bereitzustellen, wobei das Verfahren umfasst:
Auswählen einer ersten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N);
Koppeln der ersten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit Spannungsanschlüssen (101, 102) der Batterie (100), um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) entspricht;
Schätzen einer Last an der Batterie nach dem Koppeln der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit den Spannungsanschlüssen (101, 102);
Vergleichen der geschätzten Last mit einem Schwellenwert; wenn die geschätzte Last über dem Schwellenwert liegt, Auswählen einer zweiten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N), sodass die zweite Anzahl niedriger ist als die erste Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); und
Koppeln der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit den Spannungsanschlüssen der Batterie (100), um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) entspricht.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft die Steuerung einer Batterie und entsprechende Vorrichtungen und Verfahren.
Um Batterien mit einer bestimmten Ausgangsspannung bereitzustellen, ist es bekannt, mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen zu verwenden. Die Spannungen der einzelnen Batteriezellen summieren sich dann zu der Gesamtausgabe der Batterie.
Batterieanordnungen mit in Reihe geschalteten Batteriezielen sind beispielsweise beschrieben in der US 2012/0013304 A1 , der DE 10 2012 212 872 A1 , der DE 10 2011 054 146 A1 , der DE 10 2011 077 701 A1 , der JP 2013-094032 A und der US 2012/0319658 A1 .
Bei bestimmten Anwendungen ist eine relativ große Anzahl von Batteriezellen erforderlich, um den gewünschten Ausgangsspannungswert zu erreichen. Zum Beispiel können im Fall von Fahrzeugbatterien, die im Automotive-Feld, z.B. für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, verwendet werden, Ausgangsspannungen im Bereich von 350 V notwendig sein. Zu diesem Zweck können etwa 100 Lithiumionen-Batteriezellen jeweils mit einer Nennzellspannung von etwa 3,5 V in Reihe geschaltet werden.
Die tatsächliche Zellspannung einer Lithiumionen-Batteriezelle kann jedoch abhängig vom Ladezustand der Batteriezelle sehr unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann die Zellspannung bei voller Ladung etwa 4,0 V betragen und bei 30% Ladung auf etwa 2,5 V abnehmen. In dem oben erwähnten Beispiel einer aus 100 Batteriezellen gebildeten Batterie würde dies einer Schwankung der Ausgangsspannung zwischen 400 V und 250 V entsprechen.
Solche Spannungsschwankungen einer Batterie können durch geeignete Gestaltung und Dimensionierung von anderen Komponenten berücksichtigt werden, z.B. eines Elektromotors des Fahrzeugs oder Umrichters zur Versorgung des Elektromotors. Einerseits müssen die Komponenten in der Lage sein, mit der maximalen Ausgangsspannung der Batterie bei voller Batterieladung umzugehen. Andererseits müssen die Komponenten auch in der Lage sein, mit dem erhöhten Stromfluss umzugehen, wenn die maximale Ausgangsleistung bei niedriger Batterieladung und somit verringerter Ausgangsspannung der Batterie verwendet wird. Solche Dimensionierungs- und Gestaltungsanforderungen führen typischerweise zu erhöhten Herstellungskosten. Außerdem kann der Gesamtwirkungsgrad verringert werden. Zum Beispiel können Halbleiterkomponenten mit ausreichend hohen Durchbruchspannungen für die maximale Ausgangsspannung der Batterie verglichen mit Halbleiterkomponenten mit niedrigeren Durchbruchspannungen gleichzeitig höhere Verluste aufweisen, was zu einem Wirkungsgradverlust führen kann.
Das Problem schwankender Ausgangsspannung kann auch durch Verwendung eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers zur Stabilisierung der Ausgangsspannung angegangen werden. Ein solcher Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler müsste jedoch für die maximale Ausgangsspannung der Batterie dimensioniert werden, wodurch wieder beträchtliche Kosten entstehen können. Ferner erhöht die Benutzung eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers die Komplexität des Batteriesystems und kann zu erhöhten Kosten führen.
Dementsprechend werden Techniken benötigt, die eine effiziente Batterienutzung erlauben.
Die vorliegende Anmeldung offenbart ein Verfahren zum Steuern einer Batterie gemäß Anspruch 1. Weiterhin werden eine Batteriesteuerschaltung gemäß Anspruch 11 und ein Batteriesystem gemäß Anspruch 21 bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird somit ein Verfahren zum Steuern einer Batterie bereitgestellt. Die Batterie umfasst mehrere Batterieblöcke. Jeder der Batterieblöcke umfasst mindestens eine Batteriezelle zur Bereitstellung einer Blockspannung des Batterieblocks. Gemäß dem Verfahren wird eine erste Anzahl der Batterieblöcke ausgewählt, und die erste Anzahl der Batterieblöcke wird mit Spannungsanschlüssen der Batterie gekoppelt, um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen für die erste Anzahl von Batterieblöcken entspricht. Ferner wird eine zweite Anzahl der Batterieblöcke ausgewählt, und die zweite Anzahl von Batterieblöcken wird mit den Spannungsanschlüssen der Batterie gekoppelt, um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der zweiten Anzahl von Batterieblöcken entspricht.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung können andere Verfahren, Vorrichtungen oder Systeme bereitgestellt werden. Solche Ausführungsformen werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich sein.

1A, 1B und 1C zeigen schematisch einen Batterieblock gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt schematisch eine weitere Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Batteriesteuerverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Batteriesteuerverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Batteriesteuerverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Batteriesteuerverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Batteriesteuerverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Batteriesteuerverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Batteriesteuerverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
11 zeigt schematisch ein System mit einem Batterieverwaltungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele ausführlich mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele dienen und nicht als Beschränkung aufzufassen sind. Zum Beispiel können manche Ausführungsbeispiele mehrere Merkmale aufweisen, während andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen. Ferner können grundsätzlich Merkmale aus verschiedenen Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, sofern es nicht ausdrücklich anders erwähnt wird.
Im Folgenden dargestellte Ausführungsbeispiele betreffen die Steuerung einer Batterie, die mit mehreren Batteriezellen ausgestattet ist. Zum Beispiel können die Batteriezellen als Lithiumionen-Batteriezellen implementiert sein. Es können jedoch auch andere Arten von Batteriezellen verwendet werden. Bei den dargestellten Implementierungen ist die Batterie in mehreren Batterieblöcken organisiert, die jeweils eine oder mehrere der Batteriezellen umfassen, um eine Blockspannung des Batterieblocks bereitzustellen.
Die Steuerung der Batterie kann speziell ein Auswählen einer ersten Anzahl oder Gruppe der Batterieblöcke und Koppeln der ersten Anzahl der Batterieblöcke mit Spannungsanschlüssen der Batterie umfassen, um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der ersten Anzahl von Batterieblöcken entspricht. Ferner kann die Steuerung der Batterie ein Auswählen einer zweiten Anzahl oder Gruppe der Batterieblöcke und Koppeln der zweiten Anzahl von Batterieblöcken mit den Spannungsanschlüssen der Batterie umfassen, um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der zweiten Anzahl von Batterieblöcken entspricht. Typischerweise sind die erste Anzahl von Batterieblöcken und die zweite Anzahl von Batterieblöcken mit Bezug auf mindestens einen Batterieblock verschieden. Das heißt, mindestens ein Batterieblock der ersten Anzahl ist nicht in der zweiten Anzahl enthalten oder mindestens ein Batterieblock der zweiten Anzahl ist nicht in der ersten Anzahl enthalten. Auf diese Weise kann die Batteriespannung durch Auswahl von Batterieblöcken effizient justiert werden. Die durch die ausgewählten Batterieblöcke produzierte Batteriespannung kann an eine elektrische Vorrichtung angelegt werden, die mit den Spannungsanschlüssen der Batterie verbunden ist. Als Alternative können die ausgewählten Batterieblöcke durch Anlegen einer Ladespannung an die Spannungsanschlüsse der Batterie geladen werden. In jedem Fall erlaubt die Auswahl eine Anpassung der Batterie an die aktuellen Betriebsbedingungen.
Die Auswahl der Batterieblöcke kann auf verschiedenen Kriterien basieren. Zum Beispiel kann die Batteriespannung nach Kopplung der ersten Anzahl von Batterieblöcken mit den Spannungsanschlüssen detektiert werden, und die Auswahl der zweiten Anzahl von Batterieblöcken kann abhängig von der detektierten Batteriespannung durchgeführt werden. Zu diesem Zweck kann die detektierte Batteriespannung mit einem Schwellenwert verglichen werden, und wenn die bestimmte Batteriespannung unter dem Schwellenwert liegt, kann die zweite Anzahl von Batterieblöcken höher als die erste Anzahl von Batterieblöcken gewählt werden. Ähnlich kann, wenn die bestimmte Batteriespannung über einem Schwellenwert liegt, die zweite Anzahl von Batterieblöcken kleiner als die erste Anzahl der Batterieblöcke gewählt werden.
Erfindungsgemäß wird eine Last an der Batterie nach dem Koppeln der ersten Anzahl von Batterieblöcken mit den Spannungsanschlüssen geschätzt, und die Auswahl der zweiten Anzahl von Batterieblöcken wird abhängig von der geschätzten Last durchgeführt. Zu diesem Zweck wird die geschätzte Last mit einem Schwellenwert verglichen, und wenn die geschätzte Last über dem Schwellenwert liegt, wird die zweite Anzahl von Batterieblöcken kleiner als die erste Anzahl der Batterieblöcke gewählt.
Ferner kann ein Ladestatus mindestens eines der Batterieblöcke detektiert werden, und die Auswahl der ersten Anzahl von Batterieblöcken und/oder der zweiten Anzahl von Batterieblöcken kann abhängig von dem detektierten Ladestatus durchgeführt werden. Weiterhin kann eine Blockspannung mindestens eines der Batterieblöcke detektiert werden, und die Auswahl der ersten Anzahl von Batterieblöcken und/oder der zweiten Anzahl von Batterieblöcken kann abhängig von der detektierten Blockspannung durchgeführt werden. Weiterhin kann ein Fehlerstatus mindestens eines der Batterieblöcke überwacht werden, und die Auswahl der ersten Anzahl von Batterieblöcken und/oder der zweiten Anzahl von Batterieblöcken kann abhängig von dem überwachten Fehlerstatus durchgeführt werden.
Die Batterieblöcke können über einen ersten Verbindungsknoten und einen zweiten Verbindungsknoten mindestens eines der Batterieblöcke in Reihe geschaltet werden. Aufgrund der Reihenschaltung entspricht eine Spannung zwischen den Spannungsanschlüssen der Batterie der Summe der Blockspannungen jedes einzelnen Batterieblocks, gemessen zwischen dem ersten und zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks. Abhängig davon, ob der oben erwähnte mindestens eine Batterieblock ausgewählt wird, d.h. zu der ersten Anzahl von Batterieblöcken oder der zweiten Anzahl von Batterieblöcken gehört, kann die Kopplung der Spannungsanschlüsse dann durch Umschalten zwischen Konfigurationen des Batterieblocks durchgeführt werden. Diese Konfigurationen des Batterieblocks können Folgendes umfassen: eine erste Konfiguration, in der eine Bypassverbindung zwischen dem ersten Verbindungsknoten und dem zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks offen ist und die mindestens eine Batteriezelle des Batterieblocks zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten geschaltet ist, und eine zweite Konfiguration, in der eine Bypassverbindung zwischen dem ersten Verbindungsknoten und dem zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks geschlossen ist und die mindestens eine Batteriezelle des Batterieblocks von dem ersten Verbindungsknoten und/oder dem zweiten Verbindungsknoten des Batterieblock getrennt ist. Anders ausgedrückt, kann in der ersten Konfiguration die mindestens eine Batteriezelle zwischen den ersten Verbindungknoten und den zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks geschaltet sein, während in der zweiten Konfiguration der erste Verbindungsknoten und der zweite Verbindungsknoten direkt verbunden sein können, ohne die mindestens eine Batteriezelle zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten zu schalten. Ferner kann vorübergehend ein Widerstand in Reihe mit den Batterieblöcken geschaltet werden, und das Umschalten des Batterieblocks zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration kann durchgeführt werden, während der Widerstand in Reihe geschaltet ist. In diesem Fall kann der Widerstand eine Dämpfung von Transientenspannungen bei der Durchführung des Umschaltens, während sich die Batterie unter Last befindet, bereitstellen.
Zum Umschalten zwischen den Konfigurationen kann mindestens ein Batterieblock mit einer Schalteranordnung versehen sein. Mittels der Schalteranordnung kann die mindestens eine Batteriezelle des Batterieblocks selektiv zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten geschaltet werden. Die Schalteranordnung kann zum Beispiel einen ersten Schalter, der zwischen den ersten Verbindungsknoten und die mindestens eine Batteriezelle geschaltet ist, und einen zweiten Schalter, der zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten geschaltet ist, umfassen. Die erste Konfiguration kann dann dem entsprechen, dass der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter offen ist, um die mindestens eine Batteriezelle zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten zu schalten. Die zweite Konfiguration kann dann dem entsprechen, dass der erste Schalter offen ist und der zweite Schalter geschlossen ist, um den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten zu verbinden, ohne die mindestens eine Batteriezelle zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten zu schalten.
Somit kann ein selektives Schalten der mindestens einen Batteriezelle zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten verwendet werden, um auszuwählen zwischen der ersten Konfiguration, bei der die Spannung zwischen dem ersten Verbindungsknoten und dem zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks der durch die mindestens eine Batteriezelle des Batterieblocks bereitgestellten Spannung entspricht, und der zweiten Konfiguration, bei der die Spannung zwischen dem ersten Verbindungsknoten und dem zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks aufgrund der direkten Verbindung zwischen dem ersten Verbindungsknoten und dem zweiten Verbindungsknoten im Wesentlichen null ist. Da in der zweiten Konfiguration die mindestens eine Batteriezelle nicht zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks geschaltet ist, kann ferner ein Kurzschluss oder eine Entladung der mindestens einen Batteriezelle vermieden werden.
Durch Umschalten zwischen den verschiedenen Konfigurationen des Batterieblocks kann die Ausgangsspannung der Batterie, gemessen an der Reihenschaltung der Batterieblöcke, auf effiziente Weise angepasst werden. Insbesondere kann durch Umschalten des Batterieblocks aus der ersten Konfiguration in die zweite Konfiguration die Ausgangsspannung der Batterie verringert werden und durch Umschalten des Batterieblocks aus der zweiten Konfiguration in die erste Konfiguration kann die Ausgangsspannung der Batterie vergrößert werden. Dies kann zum Beispiel verwendet werden, um die Ausgangsspannung zu verkleinern, wenn die Batterie voll geladen ist, oder um die Ausgangsspannung zu vergrößern, wenn die Batterie bis zu einem gewissen Grad entladen ist, um dadurch die Gesamtschwankungen der Ausgangsspannung zu verringern. Bei bestimmten Implementierungen kann ein Umschalten zwischen den verschiedenen Konfigurationen des Batterieblocks auch verwendet werden, um den Batterieblock zu überbrücken, d.h. eine Bypassverbindung um den Batterieblock herzustellen, wenn sich zeigt, dass der Batterieblock defekt ist. Der Betrieb der Batterie kann dann ohne diesen Batterieblock fortgesetzt werden.
Bei bestimmten Implementierungen kann der Batterieblock auch einen parallel mit der mindestens einen Batteriezelle geschalteten Kondensator umfassen. Der Kondensator kann eine Dämpfung von Spannungstransienten bei Durchführung des Umschaltens zwischen den Konfigurationen, während sich die Batterie unter Last befindet, bereitstellen.
Bei manchen Implementierungen kann der Batterieblock auch eine mit der mindestens einen Batteriezelle in Reihe geschaltete Sicherung umfassen. Die Sicherung kann dabei helfen, Sicherheitsanforderungen einzuhalten, wie sie z.B. im Automotive-Sektor auferlegt werden.
Bei manchen Implementierungen können mehrere der Batterieblöcke oder sogar alle Batterieblöcke mit der Schalteranordnung versehen sein. In diesem Fall kann jeder dieser mehreren Batterieblöcke auf die oben beschriebene Weise durch Umschalten zwischen den verschiedenen Konfigurationen gesteuert werden. In diesem Fall können auch der zusätzliche Kondensator und/oder die Sicherung in diesen Batterieblöcken vorgesehen sein. Indem mehrere oder sogar alle Batterieblöcke mit der Schalteranordnung versehen sind, kann eine feinere Granularität der Einstellung der Ausgangsspannung der Batterie bereitgestellt werden. Ferner wird es auch möglich, zwischen den verschiedenen Batterieblöcken, die zur Ausgangsspannung der Batterie beitragen sollen, auszuwählen, um dadurch die Auslastung der verschiedenen Batterieblöcke auszubalancieren.
Bei manchen Implementierungen kann eine Batteriesteuerschaltung zur Implementierung der obigen Funktionalitäten bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann die Batteriesteuerschaltung eine Steuerung zur Durchführung der Auswahl von Batterieblöcken umfassen. Ferner kann die Batteriesteuerschaltung auch die Schalteranordnung umfassen. Die Batteriesteuerschaltung kann zum Beispiel innerhalb eines Batteriemanagementsystems implementiert sein. Somit kann die Umschaltsteuerung effizient zusammen mit anderen Batteriemanagementfunktionalitäten, z.B. Ladesteuerung und/oder Zellbalancing, effizient implementiert werden.
Im Folgenden werden Strukturen, Funktionalitäten und Funktionsweisen von Vorrichtungen, Systemen und Verfahren, die auf den oben skizzierten Konzepten basieren, unter Bezugnahme auf beispielhafte Implementierungen näher erläutert.
1A, 1B und 1C zeigen schematisch beispielhafte Strukturen von Batterieblöcken, die verwendet werden können, um die obigen Batteriesteuerungskonzepte zu implementieren. In jedem Fall ist der Batterieblock mit einer Batteriezelle 10 versehen, die unter Verwendung einer Schalteranordnung 20 selektiv zwischen einen ersten Verbindungsknoten 11 und einen zweiten Verbindungsknoten 12 des Batterieblocks gekoppelt werden kann. Die Batteriezelle 10 liefert eine Zellspannung V_c. Es versteht sich, dass wie in 1A, 1B und 1C dargestellt eine einzige Batteriezelle 10 vorgesehen sein kann oder dass auch mehrere Batteriezellen in dem Batterieblock vorgesehen sein können, z.B. mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Batteriezellen, um dadurch an den Verbindungsknoten 11, 12 des Batterieblocks eine gewünschte Blockspannung und Ausgangsleistung zur Verfügung zu stellen.
Bei dem Beispiel von 1A umfasst die Schalteranordnung einen ersten Schalter S1 und einen zweiten Schalter S2. Der erste Schalter S1 ist zwischen den ersten Verbindungsknoten 11 und die Batteriezelle 10 geschaltet. Der zweite Schalter S2 ist zwischen den ersten Verbindungsknoten 11 und den zweiten Verbindungsknoten 12 geschaltet. Wenn der erste Schalter S1 geschlossen ist, wird die Batteriezelle des Batterieblocks zwischen den ersten Verbindungsknoten 11 und den zweiten Verbindungsknoten 12 geschaltet. Wenn der erste Schalter S1 offen ist, wird die Batteriezelle 11 des Batterieblocks nicht zwischen den ersten Verbindungsknoten 11 und den zweiten Verbindungsknoten 12 des Batterieblocks geschaltet. Wenn der zweite Schalter S2 geschlossen ist, werden der erste Verbindungsknoten 11 und der zweite Verbindungsknoten 12 des Batterieblocks direkt verbunden, um dadurch eine Bypassverbindung zwischen dem ersten Verbindungsknoten 11 und dem zweiten Verbindungsknoten 12 herzustellen. Wenn der zweite Schalter S2 offen ist, wird diese Bypassverbindung unterbrochen.
Es ist ersichtlich, dass die Schalteranordnung 20 verwendet werden kann, um den Batterieblock zwischen einer ersten Konfiguration und einer zweiten Konfiguration umzuschalten. Bei der ersten Konfiguration ist der erste Schalter S1 geschlossen und der zweite Schalter S2 offen, um dadurch die Batteriezelle 10 zwischen den ersten Verbindungsknoten 11 und den zweiten Verbindungsknoten 12 zu schalten und die Bypassverbindung zu unterbrechen. Bei der zweiten Konfiguration ist der erste Schalter S1 offen und der zweite Schalter S2 geschlossen, um dadurch den ersten Verbindungsknoten 11 und den zweiten Verbindungsknoten 12 über die Bypassverbindung zu verbinden, ohne die Batteriezelle 10 zwischen den ersten Verbindungsknoten 11 und den zweiten Verbindungsknoten 12 zu schalten. In der ersten Konfiguration ist die Batteriezelle 10 zwischen den ersten Verbindungsknoten 11 und den zweiten Verbindungsknoten 12 gekoppelt, so dass die Zellspannung V_C der Batteriezelle 10 an dem ersten und zweiten Verbindungsknoten 11, 12 zur Verfügung gestellt wird, z.B. zur Versorgung einer elektrischen Vorrichtung oder zum Laden der Batteriezelle 10. In der zweiten Konfiguration ist die Batteriezelle 10 nicht mit dem ersten und zweiten Verbindungsknoten 11, 12 verbunden, so dass Entladung der Batteriezelle 10 durch die geschlossene Bypassverbindung vermieden wird. Ferner kann die Ladung der abgetrennten Batteriezelle 10 gespart werden oder die abgetrennte Batteriezelle 10 kann anderweitig geschützt werden, z.B. falls ein Fehler in dem Batterieblock erfasst wird.
Bei dem Beispiel von 1B weist der Batterieblock eine Struktur auf, die im Allgemeinen ähnlich zu der von 1A ist. Die Schalteranordnung 20 stellt jedoch einen zusätzlichen ersten Schalter S1' bereit, der zwischen den zweiten Verbindungsknoten 12 und die Batteriezelle 10 geschaltet ist. Der zusätzliche erste Schalter S1' kann in der zweiten Konfiguration geöffnet werden, um dadurch die Batteriezelle 10 sowohl von dem ersten Verbindungsknoten 11 als auch von dem zweiten Verbindungsknoten 12 zu trennen. Dies kann einen besseren Schutz der Batteriezelle 10 ermöglichen.
Bei dem Beispiel von 1C weist der Batterieblock eine Struktur auf, die im Allgemeinen ähnlich zu der von 1A ist. Statt jedoch den ersten Schalter S1 bereitzustellen, der zwischen die Batteriezelle 10 und den ersten Verbindungsknoten 11 geschaltet ist, stellt die Schalteranordnung 20 von 1C jedoch den ersten Schalter S1' bereit, der zwischen die Batteriezelle 10 und den zweiten Verbindungsknoten 12 geschaltet ist. In der ersten Konfiguration ist der erste Schalter S1' geschlossen und der zweite Schalter S2 offen, um dadurch die Batteriezelle 10 zwischen den ersten Verbindungsknoten 11 und den zweiten Verbindungsknoten 12 zu schalten und die Bypassverbindung zu unterbrechen. In der zweiten Konfiguration ist der erste Schalter S1' offen und der zweite Schalter S2 geschlossen, um dadurch den ersten Verbindungsknoten 11 und den zweiten Verbindungsknoten 12 über die Bypassverbindung zu verbinden, ohne die Batteriezelle 10 zwischen den ersten Verbindungsknoten 11 und den zweiten Verbindungsknoten 12 zu schalten.
2 zeigt schematisch eine Batterie 100. Die Batterie 100 kann zum Beispiel zur Implementierung einer Fahrzeugbatterie verwendet werden, die einen Elektromotor eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit Strom versorgt. Für den letzteren Zweck kann eine Ausgangsspannung V_o der Batterie 100 durch eine bekannte Art von Umrichter geleitet werden. Aufgrund der schaltbaren Konfiguration von Batterieblöcken können die Schwankungen der Ausgangsspannung V_o jedoch auf effiziente Weise begrenzt werden, so dass der Umrichter auf kosteneffiziente Weise implementiert werden kann.
Wie dargestellt, ist die Batterie 100 in mehreren Batterieblöcken 100-1, 100-2, ..., 100-N organisiert. Jeder der Batterieblöcke umfasst seinerseits eine oder mehrere Batteriezellen 110. Die Batteriezellen 110 können zum Beispiel als Lithiumionen-Batteriezellen implementiert sein. Die Anzahl der Batteriezellen 110 in jedem Batterieblock 100-1, 100-2, ..., 100-N kann zehn sein, und die Gesamtzahl der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N kann 16 sein.
Bei der dargestellten Implementierung sind die Batteriezellen 110 in jedem Batterieblock 100-1, 100-2, ..., 100-N in Reihe geschaltet, so dass sich durch die einzelnen Batteriezellen 110 bereitgestellte Zellspannungen V_c auf eine Gesamtblockspannung V_B aufsummieren. Die Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N sind zwischen einem ersten Ausgangsspannungsanschluss 101 und einem zweiten Ausgangsspannungsanschluss 102 der Batterie 100 in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung wird über einen ersten Verbindungsknoten 111 und einen zweiten Verbindungsknoten 112 jedes Batterieblocks 100-1, 100-2, ..., 100-N erzielt. Insbesondere ist der erste Verbindungsknoten 111 des ersten Batterieblocks 100-1 der Reihenschaltung mit dem ersten Ausgangsspannungsanschluss 101 verbunden, und der zweite Verbindungsknoten 112 des ersten Batterieblocks 100-1 ist mit dem ersten Verbindungsknoten 111 des nächsten Batterieblocks 100-2 der Reihenschaltung verbunden. Dies wird bis zum letzen Batterieblock 100-N der Reihenschaltung fortgesetzt. Der zweite Verbindungsknoten 112 des letzten Batterieblocks 100-N der Reihenschaltung ist mit dem zweiten Ausgangsspannungsanschluss 102 der Batterie 100 verbunden.
Zusätzlich wird durch einen Kondensator 150, der mit der Reihenschaltung der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N parallel geschaltet ist, zwischen dem ersten Ausgangsspannungsanschluss 101 und dem zweiten Ausgangsspannungsanschluss 102 eine Zwischenschaltung gebildet. Die Zwischenschaltung kann auf bekannte Weise als temporärer Energiespeicher verwendet werden.
Jeder der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N ist ferner mit einer Schalteranordnung versehen. Die Schalteranordnung kann verwendet werden, um selektiv die Batteriezellen 110 des Batterieblocks 100-1, 100-2, ..., 100-N zwischen den ersten Verbindungsknoten 111 und den zweiten Verbindungsknoten 112 des Batterieblocks 100-1, 100-2, ..., 100-N zu schalten.
Bei dem dargestellten Beispiel umfasst die Schalteranordnung einen ersten Schalter S1 und einen zweiten Schalter S2. Der erste Schalter S1 ist zwischen den ersten Verbindungsknoten 111 und die Batteriezellen 110 geschaltet. Der zweite Schalter S2 ist zwischen den ersten Verbindungsknoten 111 und den zweiten Verbindungsknoten 112 geschaltet. Wenn der erste Schalter S1 geschlossen ist, werden die Batteriezellen 110 des Batterieblocks 100-1, 100-2, ..., 100-N zwischen den ersten Verbindungsknoten 111 und den zweiten Verbindungsknoten 112 geschaltet. Wenn der erste Schalter S1 offen ist, werden die Batteriezellen 110 des Batterieblocks 100-1, 100-2, ..., 100-N nicht zwischen den ersten Verbindungsknoten 111 und den zweiten Verbindungsknoten 112 des Batterieblocks 100-1, 100-2, ..., 100-N geschaltet. Wenn der zweite Schalter S2 geschlossen ist, werden der erste Verbindungsknoten 111 und der zweite Verbindungsknoten 112 des Batterieblocks 100-1, 100-2, ..., 100-N direkt verbunden, um dadurch den Batterieblock 100-1, 100-2, ..., 100-N in der Reihenschaltung von Batterieblöcken 100-1, 100-2, ..., 100-N zu überbrücken, d.h. eine Bypassverbindung um den Batterieblock 100-1, 100-2, ..., 100-N auszubilden. Wenn der zweite Schalter S2 offen ist, wird diese Bypassverbindung unterbrochen. Es ist ersichtlich, dass die Struktur der Schalteranordnung im Allgemeinen der Schalteranordnung 20 des Beispiels von 1A ähnlich ist. Es versteht sich jedoch, dass auch eine Struktur der Schalteranordnung verwendet werden könnte, wie sie in 1B oder 1C dargestellt ist. Außerdem könnten sich die Strukturen der Schalteranordnungen auch zwischen den einzelnen Batterieblöcken 100-1, 100-2, ..., 100-N unterscheiden.
Wie oben erwähnt, kann die Schalteranordnung verwendet werden, um den Batterieblock 100-1, 100-2, ..., 100-N zwischen einer ersten Konfiguration und einer zweiten Konfiguration umzuschalten. Bei der ersten Konfiguration ist der erste Schalter S1 geschlossen und der zweite Schalter S2 offen, um dadurch die Batteriezellen 110 zwischen den ersten Verbindungsknoten 111 und den zweiten Verbindungsknoten 112 zu schalten und die Bypassverbindung zu unterbrechen. Bei der zweiten Konfiguration ist der erste Schalter S1 offen und der zweite Schalter S2 geschlossen, um dadurch den ersten Verbindungsknoten 111 und den zweiten Verbindungsknoten 112 über die Bypassverbindung zu verbinden, ohne die Batteriezellen 110 zwischen den ersten Verbindungsknoten 111 und den zweiten Verbindungsknoten 112 zu schalten. Die ersten Schalter S1 und die zweiten Schalter S2 der Batterieblöcke werden durch Steuersignale CS1-1, CS2-2, CS1-2, CS2-2, ..., CS1-N, CS2-N gesteuert. Dementsprechend kann jeder der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N einzeln zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration umgeschaltet werden. Die Steuersignale CS1-1, CS2-2, CS1-2, CS2-2, ..., CS1-N, CS2-N können durch ein Batteriemanagementsystem bereitgestellt werden.
Wie weiterhin dargestellt, können die Schalteranordnungen der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N auf der Basis von Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) implementiert sein. Insbesondere kann ein erster MOSFET zur Implementierung des ersten Schalters S1 und ein zweiter MOSFET zur Implementierung des zweiten Schalters S2 verwendet werden. Da die Schalteranordnungen auf der Ebene der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N implementiert sind, werden die Durchbruchsspannungsanforderungen der MOSFETs durch die maximale Blockspannung V_B des Batterieblocks 100-1, 100-2, ..., 100-N bestimmt, die signifikant kleiner als die maximale Ausgangsspannung V_o der Batterie 100 ist. Dementsprechend können die Schalteranordnungen auf kosteneffiziente Weise unter Verwendung von Niederspannungs-MOSFET-Technologie implementiert werden. Die Verwendung von Niederspannungs-MOSFET-Technologie kann auch erlauben, durch Verwendung von MOSFETs mit geringem Durchlasswiderstand geringe Stromverluste zu erzielen. Bei bestimmten Implementierungen können die Schalter S1 und S2 auch durch eine Parallelschaltung von zwei oder mehr MOSFETs implementiert sein, um dadurch den effektiven Durchlasswiderstand der Schalter S1 und S2 weiter zu verringern. Die effektiven Durchlasswiderstände der Schalter S1 und S2 können zum Beispiel im Bereich von 2 mΩ oder weniger, vorzugweise weniger als 1 mΩ, liegen.
Durch individuelles Umschalten der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration kann die Ausgangsspannung V_o der Batterie 100 auf effiziente Weise eingestellt werden. Wenn insbesondere sich ein Batterieblock 100-1, 100-2, ..., 100-N in der ersten Konfiguration befindet, trägt seine Blockspannung V_B zu der Ausgansspannung V_o der Batterie 100 bei, während in der zweiten Konfiguration der Batterieblock 100-1, 100-2, ..., 100-N überbrückt wird und seine Blockspannung V_B nicht zu der Ausgangsspannung V_o der Batterie 100 beiträgt. Durch Umschalten eines oder mehrerer der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N aus der ersten Konfiguration in die zweite Konfiguration kann dementsprechend die Ausgangsspannung V_o der Batterie 100 verringert werden, während ein Umschalten eines oder mehrerer der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N aus der zweiten Konfiguration in die erste Konfiguration verwendet werden kann, um die Ausgangsspannung V_o der Batterie 100 zu vergrößern.
Zum Beispiel kann bei dem obigen Beispiel der Verwendung von 16 Batterieblöcken 100-1, 100-2, ..., 100-N, die jeweils mit zehn Lithiumionen-Batteriezellen 110 mit maximaler Zellspannung V_c von 4,0 V bei voller Ladung versehen sind, jeder voll geladene Batterieblock 100-1, 100-2, ..., 100-N 40 V zu der Ausgangsspannung V_o der Batterie 100 beitragen. Wenn die Batterie 100 voll geladen ist, ist es deshalb möglich, eine Nennausgangsspannung V_o von 400 V zu erzeugen, indem man zehn der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N in die erste Konfiguration schaltet und die anderen Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N in die zweite Konfiguration schaltet. Während sich die Batterie 100 entlädt und die Zellspannungen V_c abnehmen, können mehr Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N in die erste Konfiguration geschaltet werden, so dass keine entsprechende Abnahme der Ausgangsspannung V_o auftritt. Wenn die Batterie 100 fast entladen ist und die Zellspannungen V_c bis auf etwa 2,5 V abgenommen haben, können alle Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N in die erste Konfiguration geschaltet werden, um immer noch die Nennausgangsspannung V_o von 400 V zu erhalten.
Bei manchen Implementierungen kann das Umschalten zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N durchgeführt werden, während sich keine Last an der Batterie 100 befindet. Wenn zum Beispiel die Batterie 100 verwendet wird, um einen Elektromotor eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit elektrischem Strom zu versorgen, kann die Leistung des Elektromotors vorübergehend auf null verringert werden, und das Umschalten kann durchgeführt werden, während die Leistung des Elektromotors null ist. Da das Umschalten in einem kurzen Zeitraum von einigen wenigen Millisekunden durchgeführt werden kann, kann eine solche Steuerung für den Bediener des Fahrzeugs unbemerkbar implementiert werden. Die Durchführung des Umschaltens, während sich keine Last an der Batterie 100 befindet, vermeidet Probleme aufgrund von Transientenspannungen.
Bei manchen Implementierungen kann das Umschalten zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N durchgeführt werden, während sich Last an der Batterie 100 befindet. In diesem Fall können Transientenspannungen verringert werden, indem man die Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N mit einem Kondensator 115 zum Dämpfen solcher Transientenspannungen versieht. Wie in 1 dargestellt, kann der Kondensator 115 mit den Batteriezellen 110 des Batterieblocks 100-1, 100-2, ..., 100-N parallel geschaltet werden.
Bei manchen Implementierungen kann auch eine zusätzliche Dämpfungsschaltung vorgesehen werden, um eine Dämpfung von Transientenspannungen beim Umschalten zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N, während eine Last an der Batterie 100 anliegt, zu erreichen. Eine entsprechende Implementierung ist in 3 schematisch dargestellt.
Die Implementierung von 3 entspricht im Allgemeinen der Implementierung von 3, und ähnliche Elemente wurden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Für Einzelheiten bezüglich solcher Elemente wird auf die entsprechende Beschreibung in Verbindung mit 2 verwiesen.
Bei der Implementierung von 3 ist eine zusätzliche Dämpfungsschaltung 120 vorgesehen. Die Dämpfungsschaltung 120 ist dazu ausgestaltet, ein selektives Verbinden eines Widerstands 121, 122 in Reihe mit den Batterieblöcken 100-1, 100-2, ..., 100-N zu ermöglichen. Bei dem dargestellten Beispiel wird dies erreicht, indem die Dämpfungsschaltung 120 zwischen den ersten Batterieblock 100-1 der Reihenschaltung und den ersten Ausgangsspannungsanschluss 101 der Batterie 100 geschaltet wird.
Die Dämpfungsschaltung 120 der dargestellten Implementierung ist mit einem ersten Widerstand 121, einem zweiten Widerstand 122, einem ersten Schalter S3 und einem zweiten Schalter S4 versehen. Der erste Widerstand 121 und der zweite Widerstand 122 können im Wesentlichen denselben Widerstandswert aufweisen, z.B. etwa 0,2 Ω. Wie bei den Schalteranordnungen der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N können der erste Schalter S3 und der zweite Schalter S4 der Dämpfungsschaltung 120 unter Verwendung von MOSFET-Technologie implementiert werden. Die Durchbruchsspannungsanforderungen des ersten Schalters S3 und des zweiten Schalters S4 der Dämpfungsschaltung werden bestimmt durch die maximale Blockspannung V_B des Batterieblocks 100-1, mit dem die Dämpfungsschaltung verbunden ist. Folglich ist eine kosten- und verlusteffiziente Implementierung unter Verwendung von Niederspannungs-MOSFET-Technologie möglich.
Bei der Dämpfungsschaltung 120 ist ein Knoten 125 zwischen dem ersten Schalter S3 und dem zweiten Schalter S4 der Dämpfungsschaltung 120 mit dem ersten Ausgangsspannungsanschluss 101 der Batterie 100 verbunden. Der Knoten 125 ist auch mit dem ersten Verbindungsknoten 111 des Batterieblocks 100-1 verbunden. Der erste Widerstand 121 liegt über dem zweiten Schalter S4 der Dämpfungsschaltung 120 zwischen dem Knoten 125 und dem zweiten Verbindungsknoten 112 des Batterieblocks 100-1. Der zweite Widerstand 122 ist über den ersten Schalter S3 der Dämpfungsschaltung 120 zwischen den Knoten 125 und einen dritten Verbindungsknoten 113 des Batterieblocks 100-1 geschaltet. Der dritte Verbindungsknoten 113 des Batterieblocks 100-1 befindet sich zwischen dem ersten Schalter S1 des Batterieblocks 100-1 und den Batteriezellen 110 des Batterieblocks 100-1. Der erste Schalter S3 und der zweite Schalter S4 der Dämpfungsschaltung 120 werden durch Steuersignale CS3 bzw. CS4 gesteuert. Ähnlich wie die Steuersignale CS1-1, CS2-2, CS1-2, CS2-2, ..., CS1-N, CS2-N, können die Steuersignale CS3 und CS4 von dem Batteriemanagementsystem bereitgestellt werden.
Abhängig davon, ob der Batterieblock 100-1 in der Reihenschaltung der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N überbrückt wird oder nicht, kann selektiv entweder der erste Widerstand 121 oder der zweite Widerstand 122 zu dieser Reihenschaltung hinzugefügt werden. Wenn insbesondere der Batterieblock 100-1 überbrückt wird, kann die Dämpfungsschaltung 120 betrieben werden, um selektiv durch Öffnen des zweiten Schalters S4 der Dämpfungsschaltung 120 und Schließen des ersten Schalters S3 der Dämpfungsschaltung 120 den ersten Widerstand 121 mit dem zweiten Verbindungsknoten 112 des Batterieblocks 100-1 zu verbinden. In diesem Fall werden beide Schalter S1 und S2 des Batterieblocks 100-1 geöffnet, so dass der erste Widerstand 121 über den zweiten Verbindungsknoten 112 des Batterieblocks 100-1 mit dem ersten Verbindungsknoten 111 des nächsten Batterieblocks 100-2 der Reihenschaltung verbunden wird. Wenn der Batterieblock 100-1 nicht überbrückt wird, kann die Dämpfungsschaltung 120 betrieben werden, um selektiv durch Öffnen des ersten Schalters S3 der Dämpfungsschaltung 120 und Schließen des zweiten Schalters S4 der Dämpfungsschaltung 120 den zweiten Widerstand 122 mit dem dritten Verbindungsknoten 113 des Batterieblocks 100-1 zu verbinden. Auch in diesem Fall werden beide Schalter S1 und S2 des Batterieblocks 100-1 geöffnet, so dass der zweite Widerstand 122 über den dritten Verbindungsknoten 113 mit den Batteriezellen 110 des Batterieblocks 100-1 verbunden ist. Wenn keiner der Widerstände 121 und 122 mit der Reihenschaltung der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N verbunden werden soll, werden der erste Schalter S3 und der zweite Schalter S4 der Dämpfungsschaltung 120 geöffnet, so dass der erste Ausgangsspannungsanschluss 101 der Batterie 100 mit dem ersten Verbindungsknoten 111 des Batterieblocks 100-1 verbunden wird, wie bei der Implementierung von 2.
Beim Umschalten der Konfiguration einer oder mehrerer der Batteriezellen 100-1, 100-2, ..., 100-N, während die Batterie 100 unter Last ist, kann der Widerstand 121 oder 122 vorübergehend mit den Batteriezellen 100-1, 100-2, ..., 100-N in Reihe geschaltet werden, um dadurch Transientenspannungen zu dämpfen. Die Schalter S3 und S4 der Dämpfungsschaltung 120 können auch zur effizienten Vorladung des Kondensators 150 in der Zwischenschaltung verwendet werden.
Zusätzlich sieht die Implementierung von 3 außerdem in jedem der Batterieblöcke 100-1, 100-2, ..., 100-N eine Sicherung 116 vor. Die Sicherung 116 kann dabei helfen, bestimmte Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, die zum Beispiel für Automotive-Anwendungen auferlegt werden. Die Sicherung 116 kann zum Beispiel Kurzschlüsse oder eine Tiefentladung der Batteriezellen 110 verhindern und dadurch das Risiko einer Überhitzung oder sogar Explosion der Batterie 100 verringern.
4 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Steuern einer Batterie, z.B. der oben erwähnten Batterie 100. Die Schritte des Verfahrens können z.B. ausgeführt werden durch eine geeignet konfigurierte Steuerung einer Batteriesteuerschaltung, die z.B. in einem Batteriemanagementsystem implementiert ist. Bei dem Verfahren wird davon ausgegangen, dass die Batterie mit mehreren Batterieblöcken versehen ist, von welchen zumindest ein Teil mindestens selektiv mit Spannungsanschlüssen der Batterie gekoppelt werden können, z.B. unter Verwendung von Schalteranordnungen wie oben erläutert. Jeder Batterieblock umfasst typischerweise eine oder mehrere Batteriezellen, um eine Blockspannung des Batterieblocks bereitzustellen.
Bei Schritt 410 wird eine erste Anzahl der Batterieblöcke ausgewählt. Zum Beispiel kann, wenn die Batterie voll geladen oder nahezu voll geladen ist, diese erste Anzahl von Batterieblöcken weniger als alle Batterieblöcke in der Batterie umfassen. Ähnlich kann, wenn die Batterie der Entladung nahe ist, die erste Anzahl der Batterieblöcke alle Batterieblöcke der Batterie umfassen.
Bei Schritt 420 wird die erste Anzahl der Batterieblöcke mit den Spannungsanschlüssen der Batterie gekoppelt, um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der ersten Anzahl von Batterieblöcken entspricht. Zu diesem Zweck kann die ausgewählte erste Anzahl von Batterieblöcken in die oben erwähnte erste Konfiguration geschaltet werden, während andere Batterieblöcke in die oben erwähnte zweite Konfiguration geschaltet werden können. Auf diese Weise kann eine Reihenschaltung der ausgewählten Batterieblöcke zwischen den Spannungsanschlüssen der Batterie gebildet werden, während andere Batterieblöcke überbrückt werden, und somit nicht zu der Batteriespannung beitragen.
Bei Schritt 430 wird eine zweite Anzahl der Batterieblöcke ausgewählt. Wenn sich zum Beispiel die Batterie nach Schritt 420 weiter entladen hat, kann die zweite Anzahl von Batterieblöcken kleiner als die erste Anzahl von Batterieblöcken sein. Ähnlich kann, wenn die Batterie nach Schritt 420 weiter entladen wurde, die zweite Anzahl von Batterieblöcken größer als die erste Anzahl von Batterieblöcken sein. Die erste und zweite Anzahl können verschiedene Größen aufweisen. Die erste und zweite Anzahl können jedoch auch dieselbe Größe aufweisen, aber mindestens einen unterschiedlichen Batterieblock umfassen.
Bei Schritt 440 wird die zweite Anzahl von Batterieblöcken mit den Spannungsanschlüssen der Batterie gekoppelt, um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der zweiten Anzahl von Batterieblöcken entspricht. Zu diesem Zweck kann die ausgewählte zweite Anzahl von Batterieblöcken in die oben erwähnte erste Konfiguration geschaltet werden, während andere Batterieblöcke in die oben erwähnte zweite Konfiguration geschaltet werden können. Auf diese Weise kann eine Reihenschaltung der ausgewählten Batterieblöcke zwischen den Spannungsanschlüssen der Batterie gebildet werden, während andere Batterieblöcke überbrückt werden und somit nicht zu der Batteriespannung beitragen.
5 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Verfahrens zum Steuern einer Batterie, z.B. der oben erwähnten Batterie 100. Die Schritte des Verfahrens können z.B. ausgeführt werden durch eine geeignet konfigurierte Steuerung einer Batteriesteuereinheit, die z.B. in einem Batteriemanagementsystem implementiert ist.
Wie durch Schritt 510 veranschaulicht, wird bei dem Verfahren davon ausgegangen, dass eine Ausgangsspannung aus mehreren Batterieblöcken der Batterie erhalten wird, die über einen ersten Verbindungsknoten und einen zweiten Verbindungsknoten jedes Batterieblocks in Reihe geschaltet sind, etwa so wie es für die Ausgangsspannung V_o der Batterie 100 erläutert wurde. Die Ausgangsspannung kann zum Beispiel als Eingangsparameter dem Batteriemanagementsystem bereitgestellt werden.
Zusätzlich kann das Verfahren wie durch Schritt 520 veranschaulicht, auch optional das Erhalten von durch die einzelnen Batterieblöcke bereitgestellten Blockspannungen, wie etwa der in Verbindung mit 2 und 3 erläuterten Blockspannungen V_B, umfassen.
Wie durch Schritt 530 veranschaulicht, können die Batteriespannung und/oder die Blockspannungen dann z.B. durch Vergleich mit Schwellenwerten ausgewertet werden.
Wie durch Schritt 540 veranschaulicht, kann ein Batterieblock ausgewählt werden. Dies kann zum Beispiel auf der Basis der Auswertung(en) von Schritt 530 bewerkstelligt werden.
Bei Schritt 550 wird für mindestens einen der Batterieblöcke ein selektives Schalten mindestens einer Batteriezelle zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks gesteuert. Dieser mindestens eine Batterieblock kann zum Beispiel im Schritt 540 ausgewählt werden. Der Steuerprozess kann auch anderweitig von der Auswertung von Schritt 530 abhängen. Zum Beispiel kann abhängig von der Ausgangsspannung der Batterie die mindestens eine Batteriezelle zwischen die Verbindungsanschlüsse des Batterieblocks geschaltet werden oder der Batterieblock kann überbrückt werden. Der Steuerprozess kann auch von anderen Eingangsparametern abhängen, z.B. von einem Fehlerzustand eines oder mehrerer Batterieblöcke oder einer Last an der Batterie. Bei Automotive-Anwendungen kann eine solche Last zum Beispiel aus einem Fahrzustand des Fahrzeugs bestimmt werden.
Durch Bezugnahme auf in 6 bis 9 dargestellten Flussdiagramme werden nun beispielhafte Steuerprozesse, die die selektive Verbindung der Batteriezellen umfassen, näher erläutert.
Bei dem Steuerprozess von 6 wird die Konfiguration eines Batterieblocks abhängig von der Ausgangsspannung der Batterie umgeschaltet. Der Steuerprozess von 6 kann zum Beispiel verwendet werden, wenn die Batterie entladen wird und die Zellspannungen abnehmen.
Wie durch Schritt 610 veranschaulicht, kann die Ausgangsspannung bestimmt werden. Zusätzlich können, wie durch Schritt 620 veranschaulicht, auch die individuellen Blockspannungen bestimmt werden.
Bei Schritt 630 wird geprüft, ob die Ausgangsspannung unter einem Schwellenwert liegt. Wenn dies der Fall ist, wie durch den Zweig „J“ veranschaulicht, wird das Verfahren mit Schritt 640 fortgesetzt.
Bei Schritt 640 können einer oder mehrere der Batterieblöcke ausgewählt werden. Die Auswahl wird aus Batterieblöcken vorgenommen, bei denen die Batteriezellen nicht zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten geschaltet sind, d.h. die überbrückt sind. Zum Beispiel kann die Auswahl auf Basis der im Schritt 620 erhaltenen Blockspannungen vorgenommen werden. Die Blockspannungen könnten verwendet werden, um einen Ladezustand jedes Batterieblocks zu bestimmen, und es könnte der Batterieblock mit dem höchsten Ladezustand ausgewählt werden. Als Alternative oder zusätzlich kann die Auswahl auch auf einem Vergleich der Blockspannungen mit einer Differenz zwischen der Ausgangsspannung und einer Nennausgangsspannung der Batterie basieren. Im letzteren Fall könnte ein Batterieblock ausgewählt werden, der eine Blockspannung aufweist, die nahe bei dieser Differenz liegt.
Bei Schritt 650 werden die Batteriezellen des ausgewählten Batterieblocks bzw. der ausgewählten Batterieblöcke zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks geschaltet. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung vergrößert werden, um näher an ihrem Nennwert zu sein.
Wenn die Prüfung von Schritt 630 zeigt, dass die Ausgangsspannung nicht unter dem Schwellenwert liegt, kann das Verfahren mit Schritt 660 voranschreiten, wie durch den Zweig „N“ gezeigt.
Bei Schritt 660 werden die Konfigurationen der Batterieblöcke beibehalten.
Auch bei dem Steuerprozess von 7 wird die Konfiguration eines Batterieblocks abhängig von der Ausgangsspannung der Batterie umgeschaltet. Der Steuerprozess von 7 kann zum Beispiel verwendet werden, wenn die Batterie geladen wird und die Zellspannungen zunehmen.
Wie durch Schritt 710 veranschaulicht, kann die Ausgangsspannung bestimmt werden. Zusätzlich können, wie durch Schritt 720 veranschaulicht, auch die individuellen Blockspannungen bestimmt werden.
Bei Schritt 730 wird geprüft, ob die Ausgangsspannung über einem Schwellenwert liegt. Wenn dies der Fall ist, wie durch den Zweig „J“ veranschaulicht, wird das Verfahren mit Schritt 740 fortgesetzt.
Bei Schritt 740 können einer oder mehrere der Batterieblöcke ausgewählt werden. Die Auswahl wird aus Batterieblöcken vorgenommen, bei denen die Batteriezellen zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten geschaltet sind, d.h. die nicht überbrückt sind. Zum Beispiel kann die Auswahl auf Basis der im Schritt 720 erhaltenen Blockspannungen vorgenommen werden. Die Blockspannungen könnten verwendet werden, um einen Ladezustand jedes Batterieblocks zu bestimmen, und es könnte der Batterieblock ausgewählt werden, der den niedrigsten Ladezustand aufweist. Als Alternative oder zusätzlich könnte die Auswahl auch auf einem Vergleich der Blockspannungen mit einer Differenz zwischen der Ausgangsspannung und einer Nennausgangsspannung der Batterie basieren. Im letzteren Fall könnte ein Batterieblock ausgewählt werden, der eine Blockspannung aufweist, die nahe an dieser Differenz liegt.
bei Schritt 750 wird der ausgewählte Batterieblock bzw. werden die ausgewählten Batterieblöcke überbrückt, ohne die Batteriezellen zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks zu schalten. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung verringert werden, um näher an ihrem Nennwert zu sein.
Wenn die Prüfung von Schritt 730 zeigt, dass die Ausgangsspannung nicht über dem Schwellenwert liegt, kann das Verfahren mit Schritt 760 voranschreiten, wie durch den Zweig „N“ gezeigt.
Bei Schritt 760 werden die Konfigurationen der Batterieblöcke beibehalten.
Bei dem Steuerprozess von 8 wird die Konfiguration eines Batterieblocks abhängig von der Last an der Batterie umgeschaltet.
Wie durch Schritte 810 veranschaulicht, kann die Last an der Batterie bestimmt werden. Zum Beispiel kann dies bei einer Automotive-Anwendung durch Auswerten eines Fahrzustands des Fahrzeugs erreicht werden, z.B. im Hinblick auf Geschwindigkeit, Beschleunigung, Sensordaten, Fahrereingabe oder dergleichen. Zusätzlich können, wie durch Schritt 820 veranschaulicht, auch die individuellen Blockspannungen bestimmt werden.
Bei Schritt 830 wird geprüft, ob die Last über einem Schwellenwert liegt. Wenn dies der Fall ist, wie durch den Zweig „J“ veranschaulicht, wird das Verfahren mit Schritt 840 fortgesetzt.
Bei Schritt 840 können einer oder mehrere der Batterieblöcke ausgewählt werden. Die Auswahl wird aus Batterieblöcken vorgenommen, in denen die Batteriezellen zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten geschaltet sind, d.h. die nicht überbrückt sind. Zum Beispiel kann die Auswahl auf der Basis der im Schritt 620 erhaltenen Blockspannungen erreicht werden. Zum Beispiel könnten die Blockspannungen verwendet werden, um einen Ladezustand jedes Batterieblocks zu bestimmen, und es könnte der Batterieblock ausgewählt werden, der den niedrigsten Ladezustand aufweist.
Bei Schritt 850 wird der ausgewählte Batterieblock bzw. werden die ausgewählten Batterieblöcke überbrückt, ohne die Batteriezellen zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks zu schalten. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung verringert werden, was dabei helfen kann, eine unangemessene Belastung bestimmter Komponenten, die unter hoher Last entsteht, zu vermeiden. Zum Beispiel kann bei Automotive-Anwendungen eine solche vergrößerte Last auftreten, wenn das Fahrzeug in einer Bergaufrichtung von der Geschwindigkeit null aus beschleunigt wird (was auch als Berghalteszenario bezeichnet wird). Ein solches Szenario, bei dem der Elektromotor hohe Leistung bei geringer Drehzahl liefern muss, kann besonders Belastung an Halbleiterkomponenten im Umrichter, der die Ausgangsspannung der Batterie aufnimmt, verursachen. Die Verwendung einer niedrigeren Ausgangsspannung kann eine solche Belastung verringern und einen Betrieb des Umrichters mit höherem Wirkungsgrad ermöglichen. Die Konfigurationsänderung von Schritt 850 kann vorübergehend sein und nach einem bestimmten Zeitraum zu ihrem Anfangszustand zurückgeführt werden. Als Alternative kann die Konfigurationsänderung von Schritt 650 rückgängig gemacht werden, wenn die Last wieder unter den Schwellenwert zurückkehrt.
Wenn die Prüfung von Schritt 830 zeigt, dass die Last über dem Schwellenwert liegt, kann das Verfahren mit Schritt 660 fortgesetzt werden, wie durch den Zweig „N“ gezeigt.
Bei Schritt 860 werden die Konfigurationen der Batterieblöcke beibehalten.
Bei dem Steuerprozess von 9 wird die Konfiguration eines Batterieblocks abhängig von einem Fehlerzustand des Batterieblocks umgeschaltet.
Wie durch Schritt 910 veranschaulicht, können die Blockspannungen der Batterie bestimmt werden.
Bei Schritt 920 wird geprüft, ob ein Batterieblock defekt ist. Ein solcher Fehler könnte durch Auswerten der im Schritt 910 erhaltenen Blockspannungen erfasst werden. Zum Beispiel könnte ein bestimmter Batterieblock als defekt erkannt werden, wenn seine Blockspannung unter einer kritischen Schwelle liegt, die z.B. bevorstehende Tiefentladung anzeigt. Wenn sich zeigt, dass ein Batterieblock defekt ist, wird das Verfahren mit Schritt 930 fortgesetzt, wie durch den Zweig „J“ veranschaulicht.
Bei Schritt 930 wird der Batterieblock, der als defekt erkannt wurde, überbrückt, ohne die Batteriezellen zwischen den ersten Verbindungsknoten und den zweiten Verbindungsknoten des Batterieblocks zu schalten. Auf diese Weise kann der Betrieb der Batterie ohne den defekten Batterieblock fortgesetzt werden.
Wenn die Prüfung von Schritt 920 zeigt, dass es keinen defekten Batterieblock gibt, kann das Verfahren mit Schritt 940 voranschreiten, wie durch den Zweig „N“ gezeigt.
Bei Schritt 940 werden die Konfigurationen der Batterieblöcke beibehalten.
10 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens, bei dem ein Widerstand selektiv mit den Batterieblöcken in Reihe geschaltet wird, z.B. mittels einer Dämpfungsschaltung wie in 3 dargestellt. Die Schritte des Verfahrens können unter der Kontrolle eines Batteriemanagementsystems ausgeführt werden.
Bei Schritt 1010 wird die Notwendigkeit bestimmt, die Konfiguration eines oder mehrerer Batterieblöcke umzuschalten, z.B. im Verlauf eines Prozesses wie in 5 bis 9 dargestellt.
Bei Schritt 1020 wird die Konfiguration der Dämpfungsschaltung umgeschaltet, um den Widerstand mit dem Batterieblock bzw. den Batterieblöcken in Reihe zu schalten.
Bei Schritt 1030 wird die Konfiguration des Batterieblocks bzw. der Batterieblöcke umgeschaltet, z.B. entweder durch Verbinden der Batteriezellen oder durch Trennen der Batteriezellen und Überbrücken des Batterieblocks. An diesem Punkt werden etwaige Transientenspannungen aufgrund des Umschaltens durch den verbundenen Widerstand gedämpft, selbst wenn das Umschalten durchgeführt wird, während sich die Batterie unter Last befindet.
Bei Schritt 1040 wird die Konfiguration der Dämpfungsschaltung nochmals umgeschaltet, um den Widerstand aus der Reihenschaltung zu entfernen. Auf diese Weise können Verluste im Widerstand während des Betriebs der Batterie vermieden werden.
Es versteht sich, dass die verschiedenen Prozesse der Verfahren von 4 bis 10 gegebenenfalls miteinander kombiniert werden können, um zu Verfahren zu gelangen, bei denen verschiedene Anzahlen oder Gruppen von Batterieblöcken gemäß verschiedenen Betriebsbedingungen ausgewählt werden.
11 veranschaulicht schematisch die Nutzung eines Batteriemanagementsystems zur Implementierung der obigen Konzepte. Spezieller zeigt 11 schematisch ein Batteriesystem mit einer Batterie 100, z.B. wie in 2 oder 3 dargestellt, und einem Batteriemanagementsystem 200.
Wie dargestellt, umfasst das Batteriemanagementsystem 200 eine oder mehrere Steuerungen 220 und eine Eingangs-/Ausgangs- bzw. A/E-Schaltung 240. Die Steuerung(en) kann bzw. können insbesondere die oben beschriebenen Funktionalitäten des Auswählens von Batterieblöcken und des Steuerns des Schaltens von Konfigurationen eines oder mehrerer Batterieblöcke implementieren. Die Steuerung(en) 220 kann bzw. können durch einen oder mehrere Prozessoren, die geeignet konfigurierten Programmcode ausführen, implementiert sein. Als Alternative oder zusätzlich können solche Funktionalitäten auch in der Steuerung bzw. den Steuerungen fest verdrahtet sein.
Die E/A-Schaltung 240 kann wiederum für die Aufbereitung der Steuersignale CS1-1, CS2-2, CS1-2, CS2-2, ..., CS1-N, CS2-N, CS3 und/oder CS4 verantwortlich sein, die der Batterie 100 zugeführt werden. Zum Beispiel kann die E/A-Schaltung 240 einer Potentialtrennung der Niederspannungs-Steuerungsdomäne des Batteriemanagementsystems 200 von der Hochspannungsdomäne der Batterie 100 bereitstellen, z.B. durch galvanische Trennung oder Daisy-Chaining. Ferner kann die E/A-Schaltung 240 auch Treiber zur Erzeugung der Steuersignale CS1-1, CS2-2, CS1-2, CS2-2, ..., CS1-N, CS2-N, CS3, und/oder CS4 bereitstellen. Weiterhin kann die E/A-Schaltung 240 Elemente bereitstellen für die erforderliche Verarbeitung von Eingangssignalen, z.B. Analog/Digital-Umsetzung gemessener Spannungen, wie etwa der Blockspannungen V_B-1, V_B-2, ..., V_B-N oder der Ausgangsspannung V_o oder anderer Eingaben, wie etwa Parameter, die den Fahrzustand eines Fahrzeugs widerspiegeln.
Selbstverständlich könnte das Batteriemanagementsystem auch dazu ausgestaltet sein, andere Funktionalitäten zu verwirklichen, z.B. bekannte Funktionalitäten eines Batteriemanagementsystems, wie Ladesteuerung, Zellbalancing oder dergleichen.
Es ist ersichtlich, dass die hierin beschriebenen Konzepte zur Steuerung einer Batterie auf hocheffiziente Weise verwendet werden können. Speziell kann die Batterie selbst mit einer skalierbaren Struktur versehen werden, die ein effizientes Auswählen bestimmter Batterieblöcke erlaubt, um zu der Ausgangsspannung der Batterie beizutragen. Auf diese Weise können Schwankungen der Ausgangsspannung begrenzt werden. Ferner kann ein defekter Batterieblock überbrückt und der Betrieb der Batterie mit den anderen Batterieblöcken fortgesetzt werden. Weiterhin kann eine geeignete Auswahl der Batterieblöcke, die zu der Ausgangsspannung der Batterie beitragen, eine effiziente Nutzung der in jedem Batterieblock gespeicherten Energie erlauben. Zum Beispiel kann ein Batterieblock bis zu seiner Entladungsgrenze verwendet und dann durch einen anderen Batterieblock ersetzt werden. Auf diese Weise wird eine bessere Auslastung der Gesamtkapazität der Batterie möglich. Bei Automotive-Anwendungen kann dies zum Beispiel eine Vergrößerung der Reichweite eines Fahrzeugs erlauben.
Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Konzepte verschiedenartig modifiziert werden können. Zum Beispiel kann die Anzahl der Batterieblöcke geeignet ausgewählt werden. Ähnlich kann auch die Anzahl der Batteriezellen in jedem Batterieblock geeignet ausgewählt werden. Zum Beispiel ist es auch möglich, verschiedene Anzahlen von Batteriezellen in den verschiedenen Batterieblöcken zu verwenden. Darüber hinaus versteht sich, dass die selektive Verbindung von Batteriezellen nicht nur benutzt werden kann, während die Batterie für Stromversorgungszwecke verwendet wird, sondern auch während des Ladens der Batterie. In diesem Fall können nur bestimmte Batterieblöcke für das Laden ausgewählt werden. Ein solches Laden der Batterie kann auch unter Verwendung von rückgewonnener Energie bewerkstelligt werden. Weiterhin versteht sich, dass die Batterieblöcke mit umschaltbaren Konfigurationen wie hierin beschrieben auch mit anderen Arten von Batterieblöcken, die z.B. auf einer anderen Batterietechnologie basieren, kombiniert werden können. Die Batterie kann auch mehrere Arten von Batterietechnologie implementieren. Zum Beispiel können bestimmte Batterieblöcke auf Basis von Hochleistungs-Batteriezellen implementiert sein, während andere Batterieblöcke auf Basis von Hochenergiezellen implementiert sein können. Die obigen Konzepte können dann auch zum Auswählen zwischen solchen Batterieblöcken abhängig von den Betriebsbedingungen verwendet werden. Ferner können die Konzepte nicht nur in Verbindung mit elektrochemischen Batteriezellen angewandt werden, sondern zum Beispiel auch in Verbindung mit anderen Technologien zur Speicherung elektrischer Energie, wie z.B. Superkondensatoren. Dementsprechend ist der oben verwendete Ausdruck „Batterie“ nicht als sich lediglich auf elektrochemische Batterietechnologie beziehend aufzufassen, sondern auch auf andere Technologien zur Speicherung elektrischer Energie. Weiterhin können die oben beschriebenen Steuerfunktionalitäten nicht nur in einem zentralen Batteriemanagementsystem implementiert werden, sondern können zumindest teilweise auch über verschiedene dezentralisierte Steuerungen verteilt implementiert werden, z.B. lokal an jedem Batterieblock.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Batterie (100), die mehrere Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) umfasst, wobei jeder der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) mindestens eine Batteriezelle (100) umfasst, um eine Blockspannung des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) bereitzustellen, wobei das Verfahren umfasst: Auswählen einer ersten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); Koppeln der ersten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit Spannungsanschlüssen (101, 102) der Batterie (100), um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) entspricht; Schätzen einer Last an der Batterie nach dem Koppeln der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit den Spannungsanschlüssen (101, 102); Vergleichen der geschätzten Last mit einem Schwellenwert; wenn die geschätzte Last über dem Schwellenwert liegt, Auswählen einer zweiten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N), sodass die zweite Anzahl niedriger ist als die erste Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); und Koppeln der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit den Spannungsanschlüssen der Batterie (100), um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Anlegen der durch die ausgewählten Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) produzierten Batteriespannung an eine mit den Spannungsanschlüssen (101, 102) der Batterie (100) verbundene elektrische Vorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend ein Laden der ausgewählten Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) durch Anlegen einer Ladespannung an die Spannungsanschlüsse (101, 102) der Batterie (100).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Detektieren der Batteriespannung nach dem Koppeln der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit den Spannungsanschlüssen (101, 102); und Durchführen der Auswahl der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) abhängig von der detektierten Batteriespannung.
Verfahren nach Anspruch 4, umfassend: Vergleichen der detektierten Batteriespannung mit einem Schwellenwert; und wenn die bestimmte Batteriespannung unter dem Schwellenwert liegt, Auswählen der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N), sodass sie höher als die erste Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Detektieren eines Ladestatus mindestens eines der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); und Auswählen der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) und/oder der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) abhängig von dem detektierten Ladestatus.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Detektieren einer Blockspannung mindestens eines der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); und Auswählen der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) und/oder der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) abhängig von der detektierten Blockspannung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Überwachen eines Fehlerstatus mindestens eines der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); und Auswählen der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) und/oder der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) abhängig von dem überwachten Fehlerstatus.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Schalten der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) in Reihe über einen ersten Verbindungsknoten (111) und einen zweiten Verbindungsknoten (112) mindestens eines der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); und abhängig von dem mindestens einen ausgewählten Batterieblock (100-1, 100-2, ..., 100-N): Durchführen der Kopplung mit den Spannungsanschlüssen (101, 102) durch Umschalten zwischen Konfigurationen des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N), wobei die Konfigurationen des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) Folgendes umfassen: eine erste Konfiguration, in der eine Bypassverbindung zwischen dem ersten Verbindungsknoten (111) und dem zweiten Verbindungsknoten (112) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) offen ist und die mindestens eine Batteriezelle (110) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) zwischen den ersten Verbindungsknoten (111) und den zweiten Verbindungsknoten (112) geschaltet ist, und eine zweite Konfiguration, in der eine Bypassverbindung zwischen dem ersten Verbindungsknoten (111) und dem zweiten Verbindungsknoten (112) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) geschlossen ist und die mindestens eine Batteriezelle (110) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) von dem ersten Verbindungsknoten (111) und/oder dem zweiten Verbindungsknoten (112) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend: vorübergehendes Schalten eines Widerstands (121, 122) in Reihe mit den Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N); und während der Widerstand (121, 122) in Reihe geschaltet ist, Umschalten des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration.
Batteriesteuerschaltung für eine Batterie (100), die mehrere Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) umfasst, wobei jeder der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) mindestens eine Batteriezelle (110) umfasst, um eine Blockspannung des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) bereitzustellen, wobei die Batteriesteuerschaltung eine Steuerung (220) umfasst, welche ausgestaltet ist zum: Auswählen einer ersten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); Steuern der Kopplung der ersten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit Spannungsanschlüssen (101, 102) der Batterie, um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) entspricht; Schätzen einer Last an der Batterie nach dem Koppeln der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit den Spannungsanschlüssen (101, 102); Vergleichen der geschätzten Last mit einem Schwellenwert; wenn die geschätzte Last über dem Schwellenwert liegt, Auswählen einer zweiten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N), sodass die zweite Anzahl niedriger ist als die erste Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); und Steuern der Kopplung der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit den Spannungsanschlüssen (101, 102) der Batterie (100), um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) entspricht.
Batteriesteuerschaltung nach Anspruch 11, wobei die Steuerung (220) ferner ausgestaltet ist zum: Detektieren der Batteriespannung; und Auswählen der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) und/oder der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) abhängig von der detektierten Batteriespannung.
Batteriesteuerschaltung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Steuerung (220) ferner ausgestaltet ist zum: Detektieren eines Ladestatus mindestens eines der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); und Auswählen der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) und/oder der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) abhängig von dem detektierten Ladestatus.
Batteriesteuerschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Steuerung (220) ferner ausgestaltet ist zum: Detektieren einer Blockspannung mindestens eines der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); und Auswählen ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) und/oder der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) abhängig von der detektierten Blockspannung.
Batteriesteuerschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Steuerung (220) ferner ausgestaltet ist zum: Überwachen eines Fehlerstatus mindestens eines der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); und Auswählen der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) und/oder der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) abhängig von dem überwachten Fehlerstatus.
Batteriesteuerschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) über einen ersten Verbindungsknoten (111) und einen zweiten Verbindungsknoten (112) mindestens eines der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) in Reihe geschaltet sind; und wobei die Steuerung (220) ferner ausgestaltet ist zum: abhängig von dem ausgewählten mindestens einen Batterieblock (100-1, 100-2, ..., 100-N): Steuern der Kopplung mit den Spannungsanschlüssen (101, 102) durch Umschalten zwischen Konfigurationen des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N), wobei die Konfigurationen des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) umfassen: eine erste Konfiguration, in der eine Bypassverbindung zwischen dem ersten Verbindungsknoten (111) und dem zweiten Verbindungsknoten (112) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) offen ist und die mindestens eine Batteriezelle (110) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) zwischen den ersten Verbindungsknoten (111) und den zweiten Verbindungsknoten (112) geschaltet ist, und eine zweite Konfiguration, in der eine Bypassverbindung zwischen dem ersten Verbindungsknoten (111) und dem zweiten Verbindungsknoten (112) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) geschlossen ist und die mindestens eine Batteriezelle (110) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) von dem ersten Verbindungsknoten (111) und/oder dem zweiten Verbindungsknoten (112) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) getrennt ist.
Batteriesteuerschaltung nach Anspruch 16, wobei die Steuerung ferner für Folgendes ausgestaltet ist zum: Steuern eines vorübergehenden Schaltens in Reihe eines Widerstands (121, 122) mit den Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) ; und Einleiten des Umschaltens des mindestens einen Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration, während der Widerstand (121, 122) in Reihe geschaltet ist.
Batteriesteuerschaltung nach Anspruch 16 oder 17, umfassend: eine Schalteranordnung, welche dazu ausgestaltet ist, das Umschalten zwischen den Konfigurationen des mindestens einen Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) durchzuführen, wobei die Schalteranordnung umfasst: mindestens einen ersten Schalter (S1) zum selektiven Trennen der mindestens einen Batteriezelle (110) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) von dem ersten Verbindungsknoten (111) und/oder dem zweiten Verbindungsknoten (112) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) und mindestens einen zweiten Schalter (S2) zum selektiven Schließen der Bypassverbindung zwischen dem ersten Verbindungsknoten (111) und dem zweiten Verbindungsknoten (112) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N).
Batteriesteuerschaltung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der mindestens eine Batterieblock (100-1, 100-2, ..., 100-N) ferner einen mit der mindestens einen Batteriezelle (110) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) parallel geschalteten Kondensator (115) umfasst.
Batteriesteuerschaltung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei der mindestens eine Batterieblock (100-1, 100-2, ..., 100-N) eine mit der mindestens einen Batteriezelle (110) des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) in Reihe geschaltete Sicherung (116) umfasst.
Batteriesystem, umfassend: einen ersten Spannungsanschluss (101) und einen zweiten Spannungsanschluss (102); mehrere Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N), wobei jeder der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) mindestens eine Batteriezelle (110) umfasst, um eine Blockspannung des Batterieblocks (100-1, 100-2, ..., 100-N) bereitzustellen; und eine Steuerung (220), welche ausgestaltet ist zum: Auswählen einer ersten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); Steuern der Kopplung der ersten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit den Spannungsanschlüssen, um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) entspricht; Schätzen einer Last an der Batterie nach dem Koppeln der ersten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit den Spannungsanschlüssen (101, 102); Vergleichen der geschätzten Last mit einem Schwellenwert; wenn die geschätzte Last über dem Schwellenwert liegt, Auswählen einer zweiten Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N), sodass die zweite Anzahl niedriger ist als die erste Anzahl der Batterieblöcke (100-1, 100-2, ..., 100-N); und Steuern der Kopplung der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) mit den Spannungsanschlüssen (101, 102), um eine Batteriespannung einzustellen, die der Summe der Blockspannungen der zweiten Anzahl von Batterieblöcken (100-1, 100-2, ..., 100-N) entspricht.