DE102015016980A1

DE102015016980A1 - Batterie für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben einer Batterie

Info

Publication number: DE102015016980A1
Application number: DE102015016980.7A
Authority: DE
Inventors: Hannes Walz; Marcus Zacher; Steffen Zawierucha
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (10) für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit – zumindest zwei Batteriesträngen (12, 14, 16, 18), welche jeweils zumindest eine Batteriezelle (20) und ein dazu seriell geschaltetes Schaltelement (S1, S2, S3, S4) aufweisen und welche mittels des jeweiligen Schaltelementes (S1, S2, S3, S4) parallel zueinander an einen ersten Batterieanschluss (24) der Batterie (10) schaltbar sind, – einem zweiten Batterieanschluss (26) zum Anschließen der Batterie (10) an das Bordnetz, wobei der zweite Batterieanschluss (26) über eine Hauptschalteinrichtung (28) der Batterie (10) mit dem ersten Batterieanschluss (24) elektrisch koppelbar ist; und – einer Vorladevorrichtung (30), welche in einem ersten Betriebsmodus der Batterie (10) zum Vorladen eines Zwischenkreises des Bordnetzes ausgelegt ist, wobei die Vorladevorrichtung (30) in einem zweiten Betriebsmodus der Batterie (10) zum aneinander Angleichen von Batteriespannungen (V1, V2, V3, V4) eines ersten Batteriestranges (12) und zumindest eines zweiten Batteriestranges (14, 16, 18) ausgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit zumindest zwei Batteriesträngen, welche jeweils zumindest eine Batteriezelle und ein dazu seriell geschaltetes Schaltelement aufweisen und welche mittels des jeweiligen Schaltelementes parallel zueinander an einen ersten Batterieanschluss der Batterie schaltbar sind. Außerdem umfasst die Batterie einen zweiten Batterieanschluss zum Anschließen der Batterie an das Bordnetz, wobei der zweite Batterieanschluss über eine Hauptschalteinrichtung der Batterie mit dem ersten Batterieanschluss elektrisch koppelbar ist. Darüber hinaus weist die Batterie eine Vorladevorrichtung auf, welche in einem ersten Betriebsmodus der Batterie zum Vorladen eines Zwischenkreises des Bordnetzes ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie.
Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien, werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um eine Energie für einen Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Eine Möglichkeit, den Energieinhalt der Hochvoltbatterie zu erhöhen, besteht darin, mehrere Batteriestränge innerhalb der Hochvoltbatterie, beispielsweise über Schaltelemente, parallel zu schalten. Ein Batteriestrang kann dabei eine bestimmte Anzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweisen, welche beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein können. Aufgrund von unterschiedlichen Alterungsbedingungen der Batteriezellen in den einzelnen Batteriesträngen und produktionstechnisch bedingten Schwankungen bei der Fertigung der Batteriezellen kann es zu unterschiedlichen Selbstentladungen der einzelnen Batteriezellen kommen. Dadurch kann es bei geöffneten Schaltelementen zu einer Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Batteriesträngen kommen. Damit alle Batteriestränge parallel betrieben werden können und die Hochvoltbatterie somit die volle Leistungsfähigkeit zur Verfügung stellen kann, muss die Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Strängen möglichst klein sein. Die maximal zulässige Spannungsdifferenz zwischen den Batteriesträngen, welche ein Zuschalten der Batteriestränge ermöglicht, ist insbesondere abhängig von einer maximal zulässigen Schaltspannung, welche üblicherweise von einem Hersteller der Schaltelemente spezifiziert ist.
Um die Spannungsdifferenz vor dem Zusammenschalten zwischen den einzelnen Strängen zu verringern, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Batteriespannungen der einzelnen Batteriestränge aneinander anzugleichen, also ein sogenanntes Balancing durchzuführen. Dazu ist in der US 2013/0106355 A1 eine Batterie mit mehreren Zellgruppen beschrieben, bei welcher eine Steuereinrichtung selektiv die Ladung und die Entladung der Zellgruppen kontrolliert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf besonders einfache und aufwandsarme Weise Batteriespannungen von Batteriesträngen aneinander anzugleichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Batterie für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs weist zumindest zwei Batteriestränge auf, welche jeweils zumindest eine Batteriezelle und ein dazu seriell geschaltetes Schaltelement aufweisen und welche mittels des jeweiligen Schaltelementes parallel zueinander an einen ersten Batterieanschluss der Batterie schaltbar sind. Außerdem weist die Batterie einen zweiten Batterieanschluss zum Anschließen der Batterie an das Bordnetz auf, wobei der zweite Batterieanschluss über eine Hauptschalteinrichtung der Batterie mit dem ersten Batterieanschluss elektrisch koppelbar ist. Darüber hinaus weist die Batterie eine Vorladevorrichtung auf, welche in einem ersten Betriebsmodus der Batterie zum Vorladen eines Zwischenkreises des Bordnetzes ausgelegt ist. Erfindungsgemäß ist die Vorladevorrichtung in einem zweiten Betriebsmodus der Batterie zum aneinander Angleichen von Batteriespannungen eines ersten Batteriestranges und zumindest eines zweiten Batteriestranges ausgelegt.
Die Batterie kann beispielsweise als eine Hochvoltbatterie ausgebildet sein und dazu dienen, Energie für das Bordnetzes des Kraftfahrzeugs, insbesondere einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, bereitzustellen. Dazu weist die Batterie die zumindest zwei Batteriestränge auf. Jeder Batteriestrang kann dabei eine Serienschaltung von mehreren Batteriezellen, einen sogenannten Zellstapel, aufweisen, wobei die Batteriestränge selektiv und separat über das jeweilige Schaltelement parallel zueinander an den ersten Batterieanschluss geschaltet werden können. Dazu kann beispielsweise der erste Batterieanschluss mit einer Versorgungsleitung verbunden sein, wobei alle Batteriestränge über das Schaltelement mit dieser Versorgungsleitung und damit mit dem ersten Batterieanschluss elektrisch verbindbar sind. Dabei kann in Abhängigkeit von der benötigten Energie eine beliebige Anzahl an Batteriesträngen durch Schließen des jeweiligen Schaltelementes an den ersten Batterieanschluss angeschlossen werden. Die Schaltelemente können beispielsweise als Schaltschütze ausgebildet sein.
Außerdem weist die Batterie den zweiten Batterieanschluss auf, mit welchem das Bordnetz des Kraftfahrzeugs, insbesondere der Zwischenkreis des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs, elektrisch verbunden werden kann. Dabei sind der zweite Batterieanschluss und der erste Batterieanschluss über die Hauptschalteinrichtung elektrisch miteinander koppelbar. Die Hauptschalteinrichtung kann beispielsweise Schaltschütze, insbesondere Hochvoltschütze, aufweisen. Im geöffneten Zustand der Hauptschalteinrichtung sind der erste Batterieanschluss und damit die an den ersten Batterieanschluss angeschlossene Parallelschaltung der Batteriestränge von dem Bordnetz abgekoppelt. Im geschlossenen Zustand der Hauptschalteinrichtung sind der erste Batterieanschluss und die an den ersten Batterieanschluss angeschlossene Parallelschaltung der Batteriestränge elektrisch mit dem Bordnetz verbunden. Die Hauptschalteinrichtung und die Schaltelemente können beispielsweise von einer Steuereinrichtung des Bordnetzes angesteuert werden.
Zusätzlich weist die Batterie die Vorladevorrichtung auf. Die Vorladevorrichtung dient in dem ersten Betriebsmodus der Batterie zum Vorladen einer Zwischenkreiskapazität beziehungsweise des Zwischenkreises des Bordnetzes. Dazu wird die Vorladevorrichtung insbesondere vor dem Zuschalten der Batteriestränge an das Bordnetz zum Vorladen der Zwischenkreiskapazität elektrisch mit dem Bordnetz verbunden. Dabei kann die Vorladevorrichtung beispielsweise einen von zumindest einem der Batteriestränge bereitgestellten elektrischen Strom begrenzen und den begrenzten Strom der Zwischenkreiskapazität zum Vorladen zuführen. Erfindungsgemäß wird die Vorladevorrichtung aber auch dazu verwendet, vor dem Zuschalten der einzelnen Batteriestränge an den ersten Batterieanschluss die Batteriespannungen von zumindest zwei Batteriesträngen aneinander anzugleichen. Diese unterschiedlichen Batteriespannungen können beispielsweise aus unterschiedlichen Ladezuständen beziehungsweise Zellkapazitäten der einzelnen Batteriezellen resultieren. Zum Angleichen der Batteriespannungen und damit zum Angleichen der Ladezustände wird hier mittels der Vorladevorrichtung ein sogenanntes aktives Balancing durchgeführt. Dazu wird in dem zweiten Betriebsmodus der Batterie die Vorladevorrichtung mit dem ersten und dem zweiten Batteriestrang elektrisch verbunden, sodass demjenigen Batteriestrang mit der höheren Batteriespannung Energie entnommen wird, welche demjenigen Batteriestrang mit der niedrigeren Batteriespannung zugeführt wird. Es werden also die stärker geladenen Batteriezellen des Batteriestranges mit der höheren Batteriespannung entladen und die schwächer geladenen Batteriezellen des Batteriestranges mit der niedrigeren Batteriespannung zugeführt.
Durch die Verwendung der Vorladevorrichtung zum Vorladen des Zwischenkreises und zum aneinander Angleichen von Batteriespannungen der Batteriestränge der Batterie kann mit einer besonders geringen Anzahl von Bauteilen ein Strangausgleich einer beliebigen Anzahl von Strängen realisiert werden. Es kann also mit nur einem Ausgleichselement, also der Vorladevorrichtung, das Balancing durchgeführt werden. Die Batterie ist somit besonders einfach und bauteilsparend ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Vorladevorrichtung in dem ersten Betriebsmodus zum Vorladen des Zwischenkreises mit dem ersten Batteriestrang und dem zweiten Batterieanschluss elektrisch verbunden und in dem zweiten Betriebsmodus zum aneinander Angleichen der Batteriespannungen mit dem ersten Batteriestrang und dem zumindest einen zweiten Batteriestrang elektrisch verbunden. Hier ist die Vorladevorrichtung also in dem ersten Batteriestrang vorgesehen. Dies bedeutet, dass die Vorladevorrichtung dem ersten Batteriestrang Energie entnimmt. Die Vorladevorrichtung begrenzt die entnommene Energie und führt diese begrenzte Energie dem Zwischenkreis zum Laden der Zwischenkreiskapazität zu. Dazu wird in dem ersten Betriebsmodus der Batterie ein geschlossener Stromkreis aufweisend die zumindest eine Batteriezelle des ersten Batteriestranges, die Vorladevorrichtung und den Zwischenkreis des Bordnetzes gebildet. In dem zweiten Betriebsmodus ist die Vorladevorrichtung elektrisch mit den beiden Batteriesträngen verbunden. Es wird also ein geschlossener Stromkreis aufweisend die Batteriezellen des ersten und des zweiten Batteriestranges sowie die Vorladevorrichtung gebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass das Vorladen des Zwischenkreises und der Strangausgleich gemäß der vorliegenden Erfindung über den ersten Batteriestrang durchgeführt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorladevorrichtung dazu ausgelegt ist, das Schaltelement des ersten Batteriestrangs zu überbrücken und damit den ersten Batteriestrang mit dem ersten Batterieanschluss zu verbinden. Darüber hinaus ist eine Steuereinrichtung der Batterie dazu ausgelegt, in dem ersten Betriebsmodus durch Schließen der Hauptschalteinrichtung die das Schaltelement des ersten Batteriestrangs überbrückende Vorladevorrichtung mit dem zweiten Batterieanschluss zu verbinden und in dem zweiten Betriebsmodus durch Schließen des Schaltelements des zumindest einen zweiten Batteriestranges die das Schaltelement des ersten Batteriestrangs überbrückende Vorladevorrichtung mit dem zumindest einen zweiten Batteriestrang zu verbinden. In beiden Betriebsmodi wird der erste Batteriestrang über die Vorladevorrichtung an den ersten Batterieanschluss angeschlossen. Damit wird die zumindest eine Batteriezelle des ersten Batteriestranges über die Vorladevorrichtung mit dem ersten Batterieanschluss elektrisch verbunden, während das Schaltelement des ersten Batteriestranges geöffnet ist. In dem ersten Betriebsmodus zum Vorladen des Zwischenkreises wird der erste Batterieanschluss durch Schließen der Hauptschalteinrichtung an das Bordnetz geschaltet. Dabei sind die Schaltelemente der Batteriestränge geöffnet. Somit kann Energie aus der zumindest einen Batteriezelle des ersten Batteriestranges über die Vorladevorrichtung dem ersten Batterieanschluss zugeführt werden und über die geschlossene Hauptschalteinrichtung an dem zweiten Batterieanschluss bereitgestellt werden.
In dem zweiten Betriebsmodus ist die Hauptschalteinrichtung geöffnet, während das Schaltelement des zweiten Batteriestranges geschlossen ist. Dabei sind insbesondere die Schaltelemente der anderen Batteriestränge geöffnet. Dadurch ist der zweite Batteriestrang ebenfalls an den ersten Batterieanschluss angeschlossen. Somit wird der zumindest einen Batteriezelle desjenigen Batteriestranges mit der höheren Batteriespannung Energie entnommen, über die Vorladevorrichtung dem ersten Batterieanschluss zugeführt und von dem ersten Batterieanschluss der zumindest einen Batteriezelle des Batteriestranges mit der niedrigeren Batteriespannung zugeführt.
Vorzugsweise weist die Vorladevorrichtung ein Vorladeschaltelement und einen seriell geschalteten Vorladewiderstand auf, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, zum Überbrücken des Schaltelementes des ersten Batteriestranges das Vorladeschaltelement der Vorladevorrichtung zu schließen. Dies bedeutet, dass zum Überbrücken des Schaltelementes des ersten Batteriestranges das Vorladeschaltelement geschlossen wird und damit die zumindest eine Batteriezelle sowie der Vorladewiderstand seriell zueinander geschaltet werden. Diese Serienschaltung ist dabei mit dem ersten Batterieanschluss verbunden. Über den Vorladewiderstand wird dabei der Strom, welcher der zumindest einen Batteriezelle des ersten Batteriestranges entnommen wird, begrenzt. In einem dritten Betriebsmodus der Batterie, in welchem die Batterie die Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellt, ist dieser Vorladeschalter geöffnet und beispielsweise das Schaltelement des ersten Batteriestrangs geschlossen. In diesem dritten Betriebsmodus der Batterie ist somit die Vorladevorrichtung von dem Bordnetz abgekoppelt. Das Vorladeschaltelement kann beispielsweise als ein Schaltschütz oder vorzugsweise als ein Relais ausgebildet sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Batterie für jeden Batteriestrang eine Messeinrichtung zum Messen der Batteriespannung des Batteriestranges auf, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, zuerst denjenigen Batteriestrang mit der geringsten Batteriespannung über die Vorladevorrichtung an den ersten Batteriestrang anzuschließen und anschließend denjenigen Batteriestrang mit der höchsten Batteriespannung an den ersten Batteriestrang anzuschließen. Gemäß dieser Ausführungsform wird also eine Betriebsstrategie vorgegeben, durch welche in einer vorbestimmten Zuschaltreihenfolge die einzelnen Stränge zum Strangausgleich an den ersten Batteriestrang angeschlossen werden. Damit kann auf besonders einfache und zuverlässige Weise der Strangausgleich durchgeführt werden.
Besonders bevorzugt ist die Vorladevorrichtung dazu ausgelegt, den zweiten Betriebsmodus so lange bereitzustellen, bis eine Spannungsdifferenz zwischen den Batteriespannungen der zumindest zwei Batteriestränge einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. Dieser vorbestimmte Grenzwert kann beispielsweise 10 Volt betragen. Anders ausgedrückt wird die Spannungsdifferenz zunächst auf den vorbestimmten Grenzwert reduziert. Dies bedeutet, dass der zweite Betriebsmodus und damit der Ausgleichsvorgang beendet werden, sobald die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Batteriespannungen den Grenzwert unterschreitet. Das Verfahren ist besonders effizient und zeitsparend gestaltet ist.
Außerdem ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den zweiten Betriebsmodus für die Vorladevorrichtung während eines Stillstandes des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Somit kann gewährleistet werden, dass nach Starten des Kraftfahrzeugs die bereits ausgeglichenen Batteriestränge parallel zueinander an den ersten Batterieanschluss angeschlossen werden können.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit zumindest zwei Batteriesträngen, welche jeweils zumindest eine Batteriezelle und ein dazu seriell geschaltetes Schaltelement aufweisen, und welche mittels des jeweiligen Schaltelementes parallel zueinander an einen ersten Batterieanschluss der Batterie schaltbar sind, einem zweiten Batterieanschluss zum Anschließen der Batterie an das Bordnetz, wobei der zweite Batterieanschluss über eine Hauptschalteinrichtung der Batterie mit dem ersten Batterieanschluss elektrisch koppelbar ist. Bei dem Verfahren wird in einem ersten Betriebsmodus der Batterie ein Zwischenkreis des Bordnetzes mittels einer Vorladevorrichtung der Batterie vorgeladen. Erfindungsgemäß werden in einem zweiten Betriebsmodus der Batterie Batteriespannungen eines ersten Batteriestranges und zumindest eines zweiten Batteriestranges mittels der Vorladevorrichtung aneinander angeglichen.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Batterie vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie; und
2 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Durchführen eines Strangausgleichs zwischen Batteriesträngen der Batterie.
1 zeigt eine Batterie 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Batterie 10 kann an ein hier nicht gezeigtes Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen werden und elektrische Energie beispielsweise für einen Elektromotor des Bordnetzes zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Die Batterie 10 weist dabei mehrere Batteriestränge 12, 14, 16, 18 auf, von welchen hier vier Batteriestränge 12, 14, 16, 18 gezeigt sind. Jeder Batteriestrang 12, 14, 16, 18 weist dabei eine Serienschaltung von einzelnen Batteriezellen 20 auf, welche jeweils einen Zellstapel 22 bilden. Jeder Batteriestrang 12, 14, 16, 18 weist außerdem ein Schaltelement S1, S2, S3, S4, beispielsweise ein Schaltschütz, auf, über welches der jeweilige Batteriestrang 12, 14, 16, 18 an einen ersten Batterieanschluss 24 der Batterie 10 schaltbar ist. Dabei ist ein erster Batteriestrang 12 über ein erstes Schaltelement S1, ein zweiter Batteriestrang 14 über ein zweites Schaltelement S2, ein dritter Batteriestrang 16 über ein drittes Schaltelement S3 und ein vierter Batteriestrang 18 über ein viertes Schaltelement S4 an den ersten Batterieanschluss 24 schaltbar. Im geschlossenen Zustand der Schaltelemente S1, S2, S3, S4 sind die Batteriestränge 12, 14, 16, 18 außerdem parallel zueinander geschaltet. In Abhängigkeit von der Höhe der Energie, welche für das Bordnetz des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden soll, können die Batteriestränge 12, 14, 16, 18 selektiv an den ersten Batterieanschluss 24 geschaltet werden. Dies bedeutet, dass eine beliebige Anzahl der Batteriestränge 12, 14, 16, 18 parallel zueinander an den ersten Batterieanschluss 24 geschaltet werden kann. Außerdem weist die Batterie 10 einen zweiten Batterieanschluss 26, welcher mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden werden kann. Der erste Batterieanschluss 24 sowie der zweite Batterieanschluss 26 sind über eine Hauptschalteinrichtung 28, beispielsweise ein Hochvoltschütz, elektrisch miteinander koppelbar.
Dabei verfügt der erste Batteriestrang 12 hier über eine Vorladevorrichtung 30, über welche in einem ersten Betriebsmodus der Batterie 10 eine hier nicht gezeigte Zwischenkreiskapazität beziehungsweise ein Zwischenkreis des Bordnetzes vorgeladen werden kann, um ein sicheres Zuschalten der Schaltelemente S1 bis S4 zu ermöglichen. Die Vorladevorrichtung 30 weist einen Vorladewiderstand R_P sowie ein seriell dazu geschaltetes Vorladeschaltelement S_P auf. Zum Vorladen des Zwischenkreises des Bordnetzes ist eine hier nicht gezeigte Steuereinrichtung dazu ausgelegt, das Vorladeschaltelement S_P sowie die Hauptschalteinrichtung 28 zu schließen. Durch das Schließen des Vorladeschaltelementes S_P wird das geöffnete erste Schaltelement S1 des ersten Batteriestranges 12 überbrückt. Die Schaltelemente S2, S3, S4 der Batteriestränge 14, 16, 18 sind dabei geöffnet. Dadurch wird der Vorladewiderstand R_P seriell zu dem Zellstapel 22 des ersten Batteriestranges 12 geschaltet. Somit fließt ein Vorladestrom aus dem ersten Zellstapel 22 über den Strom begrenzenden Vorladewiderstand R_P zu dem ersten Batterieanschluss 24, über die geschlossene Hauptschalteinrichtung 28 zu dem zweiten Batterieanschluss 26 und wird an dem zweiten Batterieanschluss 26 dem Bordnetz bereitgestellt.
In einem zweiten Betriebsmodus der Batterie 10 wird die Vorladevorrichtung 30 zusätzlich dazu verwendet, einen Spannungsausgleich zwischen den Batteriespannungen V1, V2, V3, V4 der einzelnen Batteriestränge 12, 14, 16, 18 zu realisieren. Der Strangausgleich erfolgt dabei über den ersten Batteriestrang 12, in welchem die Vorladevorrichtung 30 vorgesehen ist. Wenn beispielsweise die Spannungen V1 und V2 aneinander angeglichen werden sollen, so werden von der Steuereinrichtung das Vorladeschaltelement S_P zum Überbrücken des ersten Schaltelementes S1 und das zweite Schaltelement S2 geschlossen. Dadurch wird ein geschlossener Stromkreis aufweisend den Zellstapel 22 des ersten Batteriestranges 12, den Vorladewiderstand R_P sowie den Zellstapel 22 des zweiten Batteriestranges 14 gebildet. Dabei wird derjenige Zellstapel 22 des Batteriestranges 12, 14 mit der höheren Batteriespannung V1, V2 über den Widerstand R_P entladen und der Zellstapel 22 des Batteriestranges 12, 14 mit der niedrigeren Batteriespannung V1, V2 geladen. Zum Angleichen der Batteriespannungen V1 und V3 wird entsprechend das Vorladeschaltelement S_P sowie das dritte Schaltelement S3 geschlossen, usw. Somit kann also die Vorladevorrichtung 30 nicht nur zum Vorladen des Zwischenkreises verwendet werden, sondern auch zum Durchführen eines Strangausgleiches zwischen den Batteriespannungen V1, V2, V3, V4 der einzelnen Batteriestränge 12, 14, 16, 18.
In 2 ist anhand des Ablaufsdiagramms ein Verfahrensablauf des zweiten Betriebsmodus gezeigt, durch welchen sich eine Zuschaltreihenfolge der einzelnen Batteriestränge 12, 14, 16, 18 ergibt. Nach Beginn A des Verfahrens wird in einem ersten Verfahrensschritt VS1 überprüft, ob überhaupt ein Ausgleichsbedarf zwischen den einzelnen Batteriesträngen 12, 14, 16, 18 vorhanden ist. Dabei wird insbesondere überprüft, ob die Spannungsdifferenz zwischen der größten Batteriespannung V1, V2, V3, V4 sowie zwischen der geringsten Batteriespannung V1, V2, V3, V4 einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. Beträgt beispielsweise die erste Batteriespannung V1 380 Volt, die zweite Batteriespannung V2 360 Volt, die dritte Batteriespannung V3 400 Volt und die vierte Batteriespannung V4 380 Volt, so wird hier überprüft, ob die Differenz zwischen der dritten Batteriespannung V3 und der zweiten Batteriespannung V2 den vorbestimmten Grenzwert, beispielsweise 10 Volt, unterschreitet. Falls die Spannungsdifferenz den vorbestimmten Grenzwert unterschreitet, so ist kein Ausgleichsbedarf vorhanden und das Verfahren wird mit einem Schritt E beendet. Nach dem Schritt E kann beispielsweise der erste Betriebsmodus der Batterie 10 bereitgestellt werden und der Zwischenkreis über die Vorladevorrichtung 30 vorgeladen werden.
Falls aber, wie es hier der Fall ist, die Spannungsdifferenz zwischen der höchsten Batteriespannung V3 und der niedrigsten Batteriespannung V2 den vorbestimmten Grenzwert überschreitet, so wird in einem zweiten Verfahrensschritt VS2 das Vorladeschaltelement S_P der Vorladevorrichtung 30 geschlossen. Dann wird in einem dritten Verfahrensschritt VS3 überprüft, ob die erste Batteriespannung V1 des ersten Batteriestranges 12, in welcher sich die Vorladevorrichtung 30 befindet, den geringsten Wert aufweist. Falls nicht, wird in einem vierten Verfahrensschritt VS4 der Batteriestrang 14 mit der geringsten Batteriespannung V2 zugeschaltet. Dazu wird hier zusätzlich zu dem Vorladeschalter S_P das zweite Schaltelement S2 geschlossen. Dadurch werden in einem fünften Verfahrensschritt VS5 die Batteriespannungen V1 und V2 über die Vorladevorrichtung 30 aneinander angeglichen. Um die Zeitdauer des Strangausgleichs zu reduzieren, kann in einem Schritt VS6 überprüft werden, ob die Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen V1, V2 den vorbestimmten Grenzwert, beispielsweise 10 Volt, unterschreiten. Falls nicht, wird der Schritt VS5 so lange fortgeführt, bis die Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen V1 und V2 den vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. Falls ja, wird in einem siebten Verfahrensschritt VS7 der Strangausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Batteriestrang 12, 14 beendet und der zweite Batteriestrang 14 durch Öffnen des Schaltelementes S2 wieder weggeschaltet.
Dann wird in einem achten Verfahrensschritt VS8 wird der Batteriestrang mit der höchsten Batteriespannung, also hier der dritte Batteriestrang 16, zugeschaltet, indem zusätzlich zu dem Vorladeschalter S_P das dritte Schaltelement S3 geschlossen wird. Falls in dem dritten Verfahrensschritt VS3 erfasst wurde, dass der erste Batteriestrang 12 der Batteriestrang mit der geringsten Batteriespannung V1 ist, werden die Schritte VS4 bis VS7 übersprungen, wird das Verfahren ab dem achten Verfahrensschritt VS8 weitergeführt. In einem neunten Verfahrensschritt VS9 wird ein Strangausgleich zwischen den Batteriespannungen V1 und V3 durchgeführt. In einem zehnten Verfahrensschritt VS10 wird überprüft, ob die Spannungsdifferenz zwischen den Batteriespannungen V1 und V3 den vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. Falls nicht, wird zu dem neunten Verfahrensschritt VS9 zurückgekehrt und der Verfahrensschritt VS9 so lange durchgeführt, bis im Verfahrensschritt VS10 erfasst wird, dass die Spannungsdifferenz zwischen den Batteriespannungen V1 und V3 den vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. Dann wird in einem elften Verfahrensschritt VS11 der Batteriestrang 16 durch Öffnen des Schaltelementes S3 weggeschaltet. Schließlich kann der vierte Batteriestrang 18 zugeschaltet werden und der Strangausgleich zwischen dem ersten Strang 12 und dem vierten Strang 18 durchgeführt werden. In einem zwölften Verfahrensschritt VS12 wird wiederum überprüft, ob ein weiterer Ausgleichsbedarf vorhanden ist. Falls ja, wird das Verfahren ab dem dritten Verfahrensschritt VS3 iterativ durchgeführt. Falls kein Ausgleichsbedarf mehr vorhanden ist und sich die maximale Spannungsdifferenz unterhalb des Grenzwertes befindet, wird in einem dreizehnten Verfahrensschritt VS13 der Vorladeschalter S_P der Vorladevorrichtung geöffnet. Der Ausgleichsvorgang wird somit mit dem Schritt E beendet. Abhängig von der gewählten Strangausgleichs- und Betriebsstrategie der Hochvoltbatterie 10 können die einzelnen Batteriestränge 12, 14, 16, 18 noch weiter angeglichen werden, wobei analog zu dem beschriebenen Ablauf vorgegangen werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Batterie
12, 14, 16, 18: Batteriestränge
20: Batteriezelle
22: Zellstapel
24: erster Batterieanschluss
26: zweiter Batterieanschluss
28: Hauptschalteinrichtung
30: Vorladevorrichtung
S1, S2, S3, S4: Schaltelemente
S_P: Vorladeschaltelement
R_P: Vorladewiderstand
V1, V2, V3, V4: Batteriespannung
A: Verfahrensanfang
E: Verfahrensende
VS1 bis VS13: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0106355 A1 [0003]

Claims

Batterie (10) für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit – zumindest zwei Batteriesträngen (12, 14, 16, 18), welche jeweils zumindest eine Batteriezelle (20) und ein dazu seriell geschaltetes Schaltelement (S1, S2, S3, S4) aufweisen und welche mittels des jeweiligen Schaltelementes (S1, S2, S3, S4) parallel zueinander an einen ersten Batterieanschluss (24) der Batterie (10) schaltbar sind, – einem zweiten Batterieanschluss (26) zum Anschließen der Batterie (10) an das Bordnetz, wobei der zweite Batterieanschluss (26) über eine Hauptschalteinrichtung (28) der Batterie (10) mit dem ersten Batterieanschluss (24) elektrisch koppelbar ist; und – einer Vorladevorrichtung (30), welche in einem ersten Betriebsmodus der Batterie (10) zum Vorladen eines Zwischenkreises des Bordnetzes ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladevorrichtung (30) in einem zweiten Betriebsmodus der Batterie (10) zum aneinander Angleichen von Batteriespannungen (V1, V2, V3, V4) eines ersten Batteriestranges (12) und zumindest eines zweiten Batteriestranges (14, 16, 18) ausgelegt ist.
Batterie (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladevorrichtung (30) in dem ersten Betriebsmodus zum Vorladen des Zwischenkreises mit dem ersten Batteriestrang (12) und dem zweiten Batterieanschluss (26) elektrisch verbunden ist und in dem zweiten Betriebsmodus zum aneinander Angleichen der Batteriespannungen (V1, V2, V3, V4) mit dem ersten Batteriestrang (12) und dem zumindest einen zweiten Batteriestrang (14, 16, 18) elektrisch verbunden ist.
Batterie (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladevorrichtung (30) dazu ausgelegt ist, das Schaltelement (S1) des ersten Batteriestrangs (12) zu überbrücken und damit den ersten Batteriestrang (12) mit dem ersten Batterieanschluss (24) zu verbinden, und eine Steuereinrichtung der Batterie (10) dazu ausgelegt ist, in dem ersten Betriebsmodus durch Schließen der Hauptschalteinrichtung (28) die das Schaltelement (S1) des ersten Batteriestrangs (12) überbrückende Vorladevorrichtung (30) mit dem zweiten Batterieanschluss (26) zu verbinden und in dem zweiten Betriebsmodus durch Schließen des Schaltelementes (S2, S3, S4) des zumindest einen zweiten Batteriestranges (14, 16, 18) die das Schaltelement (S1) des ersten Batteriestrangs (12) überbrückende Vorladevorrichtung (30) mit dem zumindest einen zweiten Batteriestrang (14, 16, 18) zu verbinden.
Batterie (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladevorrichtung (30) ein Vorladeschaltelement (S_P) und einen seriell geschalteten Vorladewiderstand (R_P) aufweist und die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, zum Überbrücken des Schaltelementes (S1) des ersten Batteriestranges (12) das Vorladeschaltelement (S_P) der Vorladevorrichtung (30) zu schließen.
Batterie (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) für jeden Batteriestrang (12, 14, 16, 18) eine Messeinrichtung zum Messen der Batteriespannung (V1, V2, V3, V4) des Batteriestranges (12, 14, 16, 18) aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, zuerst denjenigen Batteriestrang (14, 16, 18) mit der geringsten Batteriespannung (V2, V3, V4) über die Vorladevorrichtung (30) an den ersten Batteriestrang (12) anzuschließen und anschließend denjenigen Batteriestrang (14, 16, 18) mit der höchsten Batteriespannung (V2, V3, V4) an den ersten Batteriestrang (12) anzuschließen.
Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladevorrichtung (30) dazu ausgelegt ist, den zweiten Betriebsmodus so lange bereitzustellen, bis eine Spannungsdifferenz zwischen den Batteriespannungen (V1, V2, V3, V4) der zumindest zwei Batteriestränge (12, 14, 16, 18) einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den zweiten Betriebsmodus für die Vorladevorrichtung (30) während eines Stillstandes des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Verfahren zum Betreiben einer Batterie (10) für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit zumindest zwei Batteriesträngen (12, 14, 16, 18), welche jeweils zumindest eine Batteriezelle (20) und ein dazu seriell geschaltetes Schaltelement (S1, S2, S3, S4) aufweisen und welche mittels des jeweiligen Schaltelementes (S1, S2, S3, S4) parallel zueinander an einen ersten Batterieanschluss (24) der Batterie (10) schaltbar sind, und einem zweiten Batterieanschluss (26) zum Anschließen der Batterie (10) an das Bordnetz, wobei der zweite Batterieanschluss (26) über eine Hauptschalteinrichtung (28) der Batterie (10) mit dem ersten Batterieanschluss (24) elektrisch koppelbar ist; wobei bei dem Verfahren in einem ersten Betriebsmodus der Batterie (10) ein Zwischenkreis des Bordnetzes mittels einer Vorladevorrichtung (30) vorgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebsmodus der Batterie (10) Batteriespannungen (V1, V2, V3, V4 eines ersten Batteriestranges (12) und zumindest eines zweiten Batteriestranges (14, 16, 18) mittels der Vorladevorrichtung (30) aneinander angeglichen werden.