DE102015106773A1

DE102015106773A1 - Batteriesystem mit Batteriesteuerung

Info

Publication number: DE102015106773A1
Application number: DE102015106773.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Ralf Bauer; Harald Schöffler; Jürgen Mittnacht
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-11-03
Also published as: KR101877610B1; CN106099898B; US20160318411A1; KR20160129774A; US10828994B2; CN106099898A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (10) zum Bereitstellen mehrerer Spannungsniveaus für eine entsprechende Mehrzahl an Lastabnehmern mit mindestens einer Batterie (9), die eine Mehrzahl von Teilbatterien (1, 2, 24, n) aufweist, einer Regel- bzw. Steuereinheit (12) und einer Schalteinheit (3) mit mindestens einem Schaltelement (6), wobei die Regel- bzw. Steuereinheit (12) dazu konfiguriert ist, die Schalteinheit (3) anzuweisen, das mindestens eine Schaltelement (6) zeitlich dynamisch so zu schalten, dass Teilbatterien (1, 2, 24, n) aus mindestens einer entsprechend dynamisch wechselnden Untermenge der Mehrzahl von Teilbatterien (1, 2, 24, n) verschaltet werden, und dadurch für die Mehrzahl an Lastabnehmern ein jeweils bereitzustellendes Spannungsniveau bereitgestellt wird. Neben dem Bereitstellen mehrerer Spannungsniveaus werden die Teilbatterien (1, 2, 24, n) gezielt belastet. Ferner betrifft die Erfindung eine Regelung bzw. Steuerung (30) des Batteriesystems (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Batteriesystem für Stromversorgungsanwendungen und im Speziellen ein Batteriesystem zur Anwendung im elektrischen Bordnetz eines Fahrzeugs, sowie eine Regelung bzw. Steuerung des Batteriesystems.
Traditionelle Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor verwenden für Steuergeräte und andere elektrische Einheiten mindestens ein Niederspannungsbordnetz, beispielsweise mit einer Spannung von etwa 12 Volt (V). In Nutzfahrzeugen und neueren Modellen von Kraftfahrzeugen etabliert sich derzeit, aufgrund höherer Leistungsanforderungen, eine höhere Spannungsebene um etwa 48 V.
In Elektrofahrzeugen, einschließlich elektrischen Hybridfahrzeugen und batterieelektrischen Fahrzeugen, sind derartige niedrige Spannungen für die Stromversorgung des elektrischen Antriebes in der Regel nicht ausreichend. Aus diesem Grund wird der elektrische Antrieb mit Spannungen bis derzeit üblicherweise 400 V versorgt. Eine Spannung von 400 V wird in der Regel von einem sogenannten Hochvoltspeicher, ohne Einschränkung der Allgemeinheit in der Regel einer Batterie in Form einer gewissen Anzahl von Sekundärzellen, bereitgestellt. Das Niederspannungsbordnetz für die übrigen elektrischen Verbraucher wird dabei gewöhnlich nicht ersetzt. Allerdings bietet sich an, dieses zumindest teilweise mit Energie aus dem Hochvoltspeicher zu versorgen oder abzustützen, um andere Energiespeicher, beispielsweise Kondensatoren oder Batterien, im Bordnetz entweder zu verkleinern oder vollständig zu eliminieren. Ferner kann auch Energie von einem oder mehreren Bordnetzen auf die Hochvoltseite übertragen werden, um beispielsweise im Falle einer leeren Batterie eine sogenannte Limp-home-Fähigkeit zu ermöglichen, also das Fahrzeug noch bis zur nächsten Nachlademöglichkeit zu transportieren, oder bei Hybridfahrzeugen den Verbrennungsmotor über eine elektrische Maschine zu starten.
In elektrischen Nutzfahrzeugen, Sportwagen und Rennfahrzeugen wird die Situation weiter erschwert. Elektrische Antriebsleistungen von mehr als 250 Kilovoltampere (kVA) sind mit Hochvoltspannungsniveaus von 400 V und weniger nur mit hohen Verlusten bereitstellbar. Bei derartigen Fahrzeugen wird mit höheren Spannungen, beispielsweise 800 V oder 1200 V, gearbeitet. Allerdings sind diese Spannungen im Fahrzeugbau bisher nicht etabliert oder standardisiert. Aus diesem Grund sind nicht alle benötigten elektrischen Verbraucher eines Fahrzeuges in dieser Spannungsebene erhältlich oder zu dieser kompatibel. Für einige Geräte sind derartig hohe Spannungen ferner grundsätzlich nicht optimal oder aus Sicherheitsgründen nicht empfehlenswert. Elektrische Verbraucher, die entsprechend nicht für die erhöhte Hochvoltspannung erhältlich sind, müssen dementsprechend entweder auf einem der Niedervoltbordnetze, sofern ihr hoher Leistungsbedarf dem nicht entgegensteht, oder sogar auf einem zusätzlichen Spannungsniveau betrieben werden. Dieses zusätzliche Spannungsniveau wird in diesem Fall ebenfalls durch Spannungswandler aus einer der vorhandenen anderen Spannungsniveaus mit Energie versorgt.
Die steigende Anzahl an Spannungsebenen und der wachsende Leistungsbedarf elektrischer Verbraucher in Fahrzeugen erfordern kostenintensive Spannungswandler zum Energieaustausch. Ferner erhöhen derartige Spannungswandler das Fahrzeuggewicht.
Der Stand der Technik bietet die Möglichkeit, über Spannungswandler und insbesondere Gleichspannungssteller, sogenannte DC/DC-Wandler, die unterschiedlichen Spannungsniveaus aus einem einzelnen Spannungsniveau zu versorgen oder Energie zwischen den Spannungsniveaus auszutauschen. Derartige Gleichspannungssteller haben nachteilig eine Effizienz unterhalb von 100 Prozent, so dass die zu übertragenden Leistungen zur Verringerung der Verluste so gering wie möglich gehalten werden sollten.
Ferner müssen derartige Gleichspannungswandler auf die zu erwartende Spitzenleistung ausgelegt werden. Diese Auslegung beeinflusst maßgeblich Gewicht, Bauraum und Kosten der Gleichspannungswandler. Ferner beeinflusst sie die durchschnittliche Effizienz. Wenn die zu erwartende Spitzenleistung weit über der durchschnittlichen Leistung liegt, sinkt der durchschnittliche Wirkungsgrad des Wandlers stark ab, da Gleichspannungswandler aus dem Stand der Technik in der Regel hohe Verluste im Teillastbereich aufweisen. Aus diesem Grund ist die Versorgung von Lasten (bspw. ein Klimakompressor) mit hohen Leistungen, die ferner auch nur zeitweise betrieben werden, über Gleichspannungswandler überaus nachteilig.
Um ferner eine hohe Fluktuation der Last auf einer über Gleichspannungswandler versorgten Spannungsebene zu erlauben, ist entweder ein großer und belastbarer Pufferspeicher, beispielsweise eine niederohmige Batterie, oder eine überaus schnelle Regelung zusammen mit einer hohen Schaltrate der Schalter des Gleichspannungswandlers vonnöten, die sich jedoch nachteilig auf die Effizienz auswirken kann. Beide Alternativen führen zu erhöhten Fahrzeugkosten.
Ferner sind Gleichspannungswandler nicht notwendigerweise bidirektional, d. h. sie erlauben nicht zwangsweise Energiefluss in beide Richtungen, sondern müssen bei Wunsch mit einer solchen Funktionalität gezielt ausgestattet werden. Dieser Schritt schränkt die Wahl der möglichen Schaltungen oder fertiger Geräte ein und verursacht in der Regel zusätzliche Kosten.
Um die hohen Ladezeiten von Elektrofahrzeugen bei gewöhnlichem Wechselstrom oder Drehstrom zu verringern, hat sich ferner eine direkte Ladung der Batterie mit geregelter Gleichspannung bzw. Gleichstrom im Stand der Technik etabliert [Y. Du, S. Lukic, B. Jacobson, A. Huang (2011), Review of high power isolated bi-directional dc-dc converters for phev/ev dc charging infrastructure, IEEE ECCE, 553–560; M. Yilmaz, P.T. Krein (2013), Review of Battery Charger Topologies, Charging Power Levels, and Infrastructure for Plug-In Electric and Hybrid Vehicles, IEEE Transactions on Power Electronics, 28(5): 2151–2169].
Bei Fahrzeugen aus dem Stand der Technik bietet das Fahrzeug dem Ladesystem in der Regel direkten Zugriff auf die Klemmen der Hochvoltbatterie, so dass das Ladesystem die Hochvoltbatterie strom- und/oder spannungsgesteuert mit sehr hohen Strömen laden kann. Aufgrund des nahezu direkten Zuganges zur Batterie, bei der keine Umformung der elektrischen Ladeenergie erfolgt, können die Grenzen von typischen umformenden leistungselektronischen Ladeschaltungen, beispielsweise Gleichspannungsstellern oder geregelten Gleichrichtern, deren Halbleiter und magnetische Komponenten aufgrund der Erwärmung strikte Stromgrenzen aufweisen, umgangen werden. Somit ist eine deutlich schnellere Ladung mit höheren Strömen möglich. Gleichzeitig können sehr schwere, voluminöse und kostenintensive leistungselektronische Ladeschaltungen vermieden und so das Fahrzeuggewicht vermindert werden. Ferner kann die Ladereglung im Gleichspannungs-Ladesystem erfolgen.
Allerdings hat sich im Stand der Technik eine Gleichspannungsladung bis maximal 400 V etabliert. Somit lassen sich zukünftige Fahrzeuge mit höheren Batteriespannungen mit bestehenden Ladesäulen, die ein Gleichspannungsladesystem bereitstellen, entweder nur teilweise oder gar nicht laden. Ein derartiges Fahrzeug, das zu bestehender Ladeinfrastruktur inkompatibel ist, könnte für einen Hersteller unverkäuflich sein.
Die Verwendung von Gleichspannungsstellern aus dem Stand der Technik, die den Gleichstrom oder die Gleichspannung des Gleichspannungsladesystems an die fahrzeugeigene Batteriespannung anpassen, verfügen über zahlreiche Nachteile. Aufgrund der äußerst hohen Ladeleistungen von derzeit mehr als 150 Kilowatt (kW) wäre ein solcher Gleichspannungssteller räumlich sehr groß, aufgrund der derzeitig nicht integrierbaren magnetischen Komponenten wie Spulen und Transformatoren sehr schwer und kostenintensiv. Da der Gleichspannungssteller individuell auf die Batterie des jeweiligen Fahrzeuges ausgelegt sein müsste, dürfte er mit hoher Wahrscheinlichkeit im Fahrzeug verbaut sein und so das überaus hohe Gewicht von Elektrofahrzeugen weiter heben und die Reichweite begrenzen. Nach dem Stand der Technik würden die benötigten enormen Leistungen, die nach dem Prinzip der Schaltwandlung umgesetzt würden, zu erheblicher Emittierung elektromagnetischer Interferenz führen, die um mindestens zwei Größenordnungen über derzeitig im Fahrzeug in Gleichspannungswandlern bekannten Interferenzen liegen dürfte.
Da das Gleichspannungsladesystem weiter einen direkten Zugang zu den Hochvoltbatterieklemmen vermutet, müsste ein derartiger zwischengeschalteter Gleichspannungssteller, der die Spannung anpasst, auf der einen Seite die Laderegelung der Batterie durchführen, auf der anderen Seite aber dem Gleichspannungsladesystem eine Batterie mit verminderter Spannung vortäuschen. Derartige Gleichspannungssteller benötigen eine ausgefeilte Regelung und sind im Stand der Technik derzeit nicht etabliert.
Die Druckschrift US 2009/0079384 beschreibt ein System, das über eine Art Schaltmatrix die Batteriemodule entweder alle in Serie oder parallel darstellt und ähnelt dabei einem Marx-Umrichter. Nachteiliger Weise benötigt diese Lösung einerseits eine sehr hohe Zahl von Schaltern, andererseits müssen diese bidirektional sein. Bidirektionale Schalter lassen sich jedoch nur mit hohem Aufwand als Halbleiterschalter implementieren. Insbesondere müssen die Schalter für die maximale Batteriespannung ausgelegt sein und diese trennen können.
In der Druckschrift US 2012/0007557 wird ein System vorgestellt, bei dem durch entsprechende Ausführung der Stecker oder anderer im Betrieb unveränderlicher Einrichtungen eine Batterie beispielsweise als Serienschaltung von Teilbatterien geladen, aber als Parallelschaltung entladen wird.
In der Druckschrift US 4,818,928 wird eine Batterie bestehend aus zwei Teilbatterien, in welcher mittels eines elektrischen Schalters die beiden Batterien entweder in Serie oder parallel geschaltet und einer Last präsentiert werden können, beschrieben.
Eine Möglichkeit zum Betrieb und gleichmäßiger Belastung und Ladung mehrerer Teilbatterien ist in der Druckschrift US 2012/0091731 beschrieben. Darin wird ein Batterieladesystem beschrieben, das die Anordnung von mehreren Batterien, die in mehreren Batteriebänken angeordnet sind, zwischen einer Reihenschaltung während des Antreibens einer elektrischen Last, und einer Parallelschaltung während des Aufladevorgangs kontrolliert.
In der Druckschrift US 2012/0200242 wird ein System vorgestellt, das es durch geeignete Schaltung ermöglicht, mit zwei dezidierten Batterien dynamisch die Polarität der Spannung für eine Last durch Wechsel der Batterie einzustellen. Dennoch vermag es nicht Spannungen unterschiedlicher Absolutwerte und insbesondere keine Spannungen als die beiden der verwendeten Batterien erzeugen.
Die Druckschrift US 2013/0127400 offenbart einen parallelen Betrieb zweier Batterien in einem Fahrzeug, einer Hauptbatterie und einer Hilfsbatterie, wobei die Hilfsbatterie ein oder mehrere Lasten kurzfristig versorgt und die Hauptbatterie über Spannungswandler, beispielsweise Gleichspannungssteller, die Hilfsbatterie nachladen kann. Die beiden Batterien können nicht kombiniert werden und müssen zur Erzeugung von anderen Spannungsniveaus als jenen der Batterien auf Schaltwandlung zurückgreifen. Eine elektronische Schaltung, die diesen Betrieb ermöglicht, ist nicht gegeben.
Eine Reihe von Erfindungen in der Literatur beschreiben Schaltungen, um Ladung zwischen Teilen einer Batterie, in der Regel unterschiedlichen Zellen der Batterie, auszutauschen, um aktiv mit geringeren Verlusten Ladungsunterschiede auszugleichen. Beispielsweise beschreiben die Druckschriften US 5,710,504 und US 6,064,178 sowie die Veröffentlichungen von H.-S. Park, C.-E. Kim, C.-H. Kim, G.-W. Moon, J.-H. Lee [(2009), A modularized charge equalizer for an hev lithium-ion battery string, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 56(5): 1464–1476] und Einhorn et al. [M. Einhorn, W. Roessler, J. Fleig (2011), Improved performance of serially connected Li-ion batteries with active cell balancing in electric vehicles, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 60(6): 2448–2457.] jeweils unterschiedliche Systeme, die durch Verwendung von Speicherelementen, beispielsweise Kapazitäten oder Induktivitäten, Ladung zwischen Teilen einer Batterie austauschen.
Allerdings bietet keine dieser Schriften aus dem Stand der Technik eine Lösung, die mindestens ein weiteres Spannungsniveau aus der Batterie in der Weise erzeugt, dass eine hohe elektrische Leistung entnommen oder zugeführt werden kann.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin ein System bereitzustellen, das es ermöglicht, aus einem Hochvoltenergiespeicher mehrere Spannungsniveaus gleicher und/oder niedrigerer Spannung zu bedienen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Batteriesystem“ eine elektrische Schaltung verstanden, die mindestens eine Batterie und eine Regelung und/oder Steuerung der Schaltung aufweist.
Unter dem Begriff „Batterie“ wird jede Form elektrischer Energiespeicher, elektrischer Energiequellen, Akkumulatoren, galvanischer Zellen bzw. galvanischer Elemente und Zusammenschaltungen (seriell und/oder parallel), Kopplungen und/oder Kombinationen davon verstanden.
Unter dem Begriff „Teilbatterie“ werden gleichartige oder ungleichartige Untereinheiten, Zellen oder Batterieteile verstanden, die über eine geeignete Schaltung zu einer Batterie zusammengeschalten sind. Ebenso werden Paare von Batterieabgriffen, zwischen denen eine Spannung bereitgestellt wird, als Teilbatterie verstanden.
Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem bereitgestellt, das es erlaubt, mit mindestens einer Batterie mehrere Spannungsniveaus für eine entsprechende Mehrzahl an Lastabnehmern bereitzustellen. Die mindestens eine Batterie weist dazu eine Mehrzahl von Teilbatterien auf. Ferner ist eine Regel- bzw. Steuereinheit und eine Schalteinheit mit mindestens einem Schaltelement vorgesehen. Die Regel- bzw. Steuereinheit ist dazu konfiguriert, die Schalteinheit anzuweisen, das mindestens eine Schaltelement zeitlich dynamisch so zu schalten, dass Teilbatterien aus mindestens einer entsprechend dynamisch wechselnden Untermenge der Mehrzahl von Teilbatterien verschaltet werden und dadurch für die Mehrzahl an Lastabnehmern ein jeweils bereitzustellendes Spannungsniveau bereitgestellt wird.
Eine Untermenge ist dabei eine Gruppe bestehend aus einer oder mehreren Teilbatterien. Die Teilbatterien einer Untermenge werden erfindungsgemäß bei entsprechender Schaltstellung des mindestens einen Schaltelements miteinander verschaltet. Es ist vorstellbar, mehrere Untermengen mit jeweils darin definierten Teilbatterien, die bei entsprechender Schaltstellung des mindestens einen Schaltelements miteinander zu verschalten sind, vorzusehen und diese Untermengen wiederum untereinander zu verschalten, oder einzelne Teilbatterien bzw. Untermengen nicht mit anderen Teilbatterien oder Untermengen zu verschalten. Die Untermengen können dabei identisch sein, überlappen oder völlig voneinander verschieden sein.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems werden die jeweiligen Teilbatterien durch Verwirklichung mindestens eines vorgegebenen Regelziels gezielt belastet.
Erfindungsgemäß ist für jeden der Mehrzahl an Lastabnehmern ein unterschiedliches Spannungsniveau bereitzustellen, für das der jeweilige Lastabnehmer ausgelegt und konfiguriert ist.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist die Batterie und/oder Teilbatterie mindestens einen zusätzlichen Batterieabgriff auf, der zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol der Batterie und/oder Teilbatterie angeordnet ist und mit anderen zusätzlichen Batterieabgriffen kombinierbar ist und mit dem eine Teilspannung bereitstellbar ist, die unterschiedlich von der Gesamtspannung der Batterie und/oder Teilbatterie ist, die zwischen dem positiven Pol und dem negativen Pol bereitstellbar ist, wobei der positive Pol und der negative Pol selbst jeweils einen Batterieabgriff bilden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist die Regel- bzw. Steuereinheit dazu konfiguriert, die Schalteinheit anzuweisen, die Schaltelemente zu schalten und dadurch so zwischen den Batterieabgriffen hin und her zu schalten, dass die Mehrzahl an Teilbatterien gezielt belastet sind.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist die Batterie zu einem Paar Ausgangsklemmen zwischen dem positiven Pol und dem negativen Pol mindestens ein zusätzliches Paar Ausgangsklemmen auf, das eine Spannung bereitstellt, die mindestens zeitweise unterschiedlich von der Gesamtspannung der Batterie ist, die zwischen dem positiven Pol und dem negativen Pol bereitstellbar ist.
Die Batterieabgriffe und Ausgangsklemmen sind zum Anschluss elektrischer Quellen, elektrischer Senken, elektrischer Speicher, oder elektrischer Leitungen ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist mindestens ein Paar Ausgangsklemmen mindestens ein Schaltelement auf, das entsprechend seiner Schaltrichtung das mindestens eine Paar Ausgangsklemmen abwechselnd mit mindestens zwei unterschiedlichen Kombinationen der Batterieabgriffe elektrisch verbindet bzw. trennt.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems sind mindestens zwei unterschiedliche Paare Ausgangsklemmen mit einer zugehörigen nicht identischen Menge von Paaren Batterieabgriffen über das mindestens eine Schaltelement miteinander zu verbinden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Batteriesystems dazu konfiguriert, mindestens einem Paar Ausgangsklemmen mehrere Spannungsniveaus bereitzustellen, zwischen denen zeitweise gewechselt werden kann.
In zwei unterschiedlichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems weisen die mindestens zwei nicht identischen Paare Batterieabgriffe näherungsweise die gleiche elektrische Spannung auf oder nicht die gleiche elektrische Spannung auf.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist das mindestens eine Schaltelement ein Halbleiterschaltelement oder ein gleichrichtendes bzw. ein Gleichrichterelement.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist die von dem mindestens einen zusätzlichen Paar Ausgangsklemmen bereitgestellte Spannung kleiner als die zwischen dem positiven Pol und dem negativen Pol bereitgestellte Spannung.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist die bereitgestellte Spannung jedes Paares Ausgangsklemmen dieselbe Polarität auf.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems untergliedern die Batterieabgriffe die Batterie derart, dass jeder Teil der Batterie gleich oft von unterschiedlichen Paaren von Batterieabgriffen umschlossen wird.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems regelt bzw. steuert die Batteriesteuerung eine Verweildauer der Schaltelemente in einer Stellung zum Verbinden des mindestens einen Paars Ausgangsklemmen mit den Batterieabgriffen.
In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist die Batteriesteuerung dazu konfiguriert, die Schalteinheit anzuweisen, zwischen Kombinationen von Batterieabgriffen mit einer Umschaltrate von weniger als 100 Hertz (Hz) bzw. mit einer Umschaltrate von weniger als 1 Hz um.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems generiert ein elektrischer Filter eine gleichmäßige Spannung an mindestens einem Paar Ausgangsklemmen.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems erkennt das Batteriesystem die an dem mindestens einem Paar Ausgangsklemmen erwartete und/oder benötigte Spannung und die Batteriesteuerung weist die Schalteinheit an, die Schalter entsprechend so zu stellen, dass die erwartete und/oder benötigte Spannung an dem mindestens einen Paar Ausgangsklemmen vorliegt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems besteht die paarweise Verbindung zwischen dem mindestens einen Paar Ausgangsklemmen und den unterschiedlichen Paaren Batterieabgriffen über das mindestens eines Schaltelement abwechselnd, d.h., dass die Paare Ausgangsklemmen abwechselnd mit unterschiedlichen Paaren Batterieabgriffen verbunden sind.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems werden ein elektrisches Potential sowohl der Batterieabgriffe als auch der Ausgangsklemmen untereinander und/oder gegeneinander dynamisch stabilisiert.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist das mindestens eine Paar Ausgangsklemmen einen CLC-Filter mit mindestens einer Induktivität und mindestens zwei Kapazitäten auf, wobei die mindestens zwei Kapazitäten jeweils mit einem elektrischen Anschluss der Induktivität verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist das mindestens eine Paar Ausgangsklemmen einen LCL-Filter mit mindestens zwei Induktivitäten und mindestens einer Kapazität auf, wobei die mindestens zwei Induktivitäten jeweils mit einem elektrischen Anschluss der Kapazität verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist mindestens ein Paar Ausgangsklemmen und/oder mindestens ein Batterieabgriff mindestens einen Spannungssensor und/oder mindestens einen Stromsensor auf, deren Signale an die Batteriesteuerung übermittelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist der mindestens eine Stromsensor dazu ausgelegt, eine ein- und ausfließende Ladung mindestens eines Mittelabgriffs zu detektieren.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist mindestens eine Schaltungsschleife, die zwischen zwei nicht identischen Batterieabgriffen eine elektrisch leitende Verbindung herstellen kann, mindestens eine elektrische Sicherung auf und/oder einen elektrischen Schütz auf, die dazu konfiguriert sind, die elektrisch leitende Verbindung zu unterbrechen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist mindestens ein Batterieabgriff und/oder mindestens ein Paar Ausgangsklemmen mindestens eine elektrische Sicherung und/oder mindestens einen elektrischen Schütz auf, die dazu konfiguriert sind, die elektrische Leitung von der Batterie zu unterbrechen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist mindestens ein Batterieabgriff und/oder mindestens ein Paar Ausgangsklemmen mindestens ein induktives Element und/oder mindestens ein kapazitives Element auf.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist mindestens ein Batterieabgriff mindestens ein induktives Element auf, das so platziert ist, dass jeder Strompfad bei abwechselnder paarweiser Verbindung mindestens eines Paars Ausgangsklemmen mit allen Paaren von Batterieabgriffen eines der induktiven Elemente durchläuft.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist das Batteriesystem einen Messmultiplexer auf.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weisen die Teilbatterien unterschiedliche physikalische und/oder chemische Eigenschaften auf. Beispielsweise können Zellchemie, Innenwiderstand, elektrochemische Reaktionsgeschwindigkeit, Energiedichte, Leistungsdichte, Energieinhalt, Erwärmungsverhalten, Lade- oder Entladegrenzspannung, Alterungsverhalten oder davon abgeleitete Eigenschaften unterschiedlich sein.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Batteriesteuerung zum Steuern einer Verbindung zwischen mindestens einem Paar Ausgangsklemmen mit mindestens einem Paar Batterieabgriffen. Die Batteriesteuerung weist eine Regel- bzw. Steuereinheit auf und approximiert die von dem mindestens einen Paar Ausgangsklemmen bereitzustellende Spannung durch eine gewichtete Linearkombination der Spannungen der Paare von Batterieabgriffen, zwischen denen die Batteriesteuerung zeitlich dynamisch wechselt, und regelt bzw. steuert eine zeitliche Verweildauer der Schaltelemente in einer Stellung zum Verbinden des mindestens einen Paars Ausgangsklemmen mit den Batterieabgriffen.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriesteuerung verwendet diese als Gewichtungsfaktor einen Anteil der zeitlichen Verweildauer der jeweiligen Schaltkombination an der Gesamtzeit.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriesteuerung optimiert diese, bei Vorliegen einer unterbestimmten Linearkombination, ein weiteres Regelziel bzw. eine Nebenbedingung, bspw. eine gleichmäßige Entladung bzw. Ladung der Batterie bzw. Teilbatterien, eine gezielt ungleiche Entladung bzw. Ladung der Batterie bzw. Teilbatterien, eine gleichmäßige oder gezielt ungleichmäßige Alterung, eine gleichmäßige oder gezielt ungleichmäßige Erwärmung oder Temperaturverteilung, eine gleiche oder gezielt ungleiche Spannung bzw. ein gleicher oder gezielt ungleicher Ladungszustand.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
1 zeigt eine Batterie aus dem Stand der Technik, die neben einem positiven Pol und einem negativen Pol ferner über einen Mittelabgriff verfügt.
2 veranschaulicht das Prinzip des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einem zusätzlichen Paar Ausgangsklemmen.
4 veranschaulicht typische Spannungsverhältnisse in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
5 und 6 zeigen jeweils eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, bei dem jeweils ein Teil des mindestens einen Schalters als Gleichrichterelement ausgeführt ist.
7 zeigt eine Skizze einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems mit n Teilbatterien, Batterieabgriffen und elektrischen Schaltern.
8 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, bei dem die elektrischen Potentiale sowohl der Batterieabgriffe als auch der Ausgangsklemmen untereinander und gegeneinander dynamisch stabilisiert werden.
9 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, das an mindestens einem Ausgangsklemmenpaar einen CLC-Filter aufweist.
10a und 10b zeigen jeweils eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems mit mindestens einem Strom- und mindestens einem Spannungssensor.
11 bis 14 zeigen jeweils eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems mit mindestens einer elektrischen Sicherung und/oder mindestens einem elektrischen Schütz.
15 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, die eine gleichmäßige Belastung der Batterie bzw. der Teilbatterien ermöglicht.
16 und 17 zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, bei dem an einem Paar Ausgangsklemmen mehrere Spannungsniveaus vorliegen können.
18 und 19 zeigen jeweils eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, das an mindestens einem Batterieabgriff mindestens ein induktives Element aufweist.
20 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, das an mindestens einem Paar Ausgangsklemmen mindestens ein induktives Element aufweist.
21 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, das an mindestens einem Batterieabgriff mindestens ein induktives Element und mindestens eine elektrische Sicherung und/oder elektrischen Schütz aufweist.
22 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, bei dem mindestens zwei Paare Ausgangsklemmen durch entsprechende Stellung von mindestens einem elektrischen Schalter jeweils zeitweise unterschiedliche Gleichspannungen aufweisen können.
23 zeigt eine Regelung für mindestens einen Batterieabgriff einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
24 zeigt eine weitere Regelung für einen Batterieabgriff einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
25 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, bei dem mindestens ein Stromsensor den ein- und ausfließenden Strom mindestens eines Batterieabgriffes detektiert und diesen für eine Regelung bzw. Steuerung der einzelnen Schalter der Schalteinheit verwendet.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Batterie gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht. Die Batterie weist eine erste Teilbatterie 101 und eine zweite Teilbatterie 102 auf. Zusätzlich weist die Batterie einen positiven Pol 103 und einen negativen Pol 104 auf. Weiterhin weist die Batterie einen zusätzlichen Batterieabgriff 105 auf. Der zusätzliche Batterieabgriff 105, hier ein sogenannter Mittelabgriff, ist zwischen der ersten Teilbatterie 101 und der zweiten Teilbatterie 102 angeordnet. Mit dem zusätzlichen Batterieabgriff 105 ist die Batterie dazu geeignet, mehrere Spannungen bereitzustellen. An die Batterie ist eine Last 106 angeschlossen. Jedoch belastet die angeschlossene Last 106 die Batterie ungleichmäßig, d.h. sie würde ungleichmäßig geladen bzw. entladen werden.
Unter Bezugnahme auf 2 soll das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert werden. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 10 mit einer Batterie 9, die eine erste Teilbatterie 1 und eine zweite Teilbatterie 2 aufweist, zwischen denen eine Spannung an einem Paar Ausgangsklemmen 4 bereitstellbar ist. Die Batterie 9 weist einen positiven Pol 8+ und einen negativen Pol 8– auf. Das Paar Ausgangsklemmen 4 wird aus den Ausgangsklemmen 4a und 4b gebildet. Weiterhin weist das gezeigte Batteriesystem 10 eine Schalteinheit 3 auf. Die Schalteinheit 3 ist dazu konfiguriert, zwischen der ersten Teilbatterie 1 und der zweiten Teilbatterie 2 dynamisch abwechselnd hin und her zu schalten und die Teilbatterien 1, 2 mit einem Paar zusätzlicher Ausgangsklemmen 5 zu verbinden. Es ist vorstellbar, und wie später noch erläutert wird, dass das erfindungsgemäße Batteriesystem 10 mehr als ein zusätzliches Paar Ausgangsklemmen 5, bestehend aus Ausgangsklemmen 5a und 5b, aufweist. Das mindestens eine zusätzliche Paar Ausgangsklemmen 5 bildet eine eigene Spannungsebene. Die elektrische Spannung, die von dem mindestens einem zusätzlichen Paar Ausgangsklemmen 5 bereitstellbar ist, kann zumindest zeitweise von der elektrischen Spannung abweichen, die von dem Paar Ausgangsklemmen 4 zwischen dem positiven Pol 8+ und dem negativen Pol 8– bereitstellbar ist. Mit den Paaren Ausgangsklemmen 4, 5 sind elektrische Lasten bzw. Lastabnehmer verbindbar. Die verbindbaren Lasten können auch direkt ein Hoch- und/oder Niederspannungsbordnetz eines Fahrzeugs, eine Pufferbatterie oder dgl. sein. Eine Pufferbatterie weist eine Betriebsspannung auf, die dem zeitlichen Mittel der elektrischen Spannung zwischen dem zusätzlichen Paar Ausgangsklemmen 5 entspricht. Die Schalteinheit 3 ist dazu konfiguriert, dynamisch abwechselnd die erste Teilbatterie 1 bzw. die zweite Teilbatterie 2 mit dem zusätzlichen Paar Ausgangsklemmen 5 elektrisch leitend zu verbinden. Dazu weist die Schalteinheit 3 mindestens ein Schaltelement 6 auf, wie in 3 gezeigt ist.
In dem in 3 gezeigten Batteriesystem 10, weist die Schalteinheit 3 vier Schaltelemente 6 auf, die je ein Halbleiterelement, hier ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) sind. Jedoch ist vorstellbar, dass auch ein anderes Halbleiterelement, wie ein Feldeffekttransistor, ein Bipolartransistor, ein Thyristor, ein Triac oder ein ähnlicher elektronischer Schalter einsetzbar ist. Ebenso sind Relais denkbar. Darüber hinaus kann jeweils einer von zwei Schaltelementen 6 ferner auch ein gleichrichtender Schalter, beispielsweise eine Diode, ein Schottky-Gleichrichter oder ein anderes Gleichrichterelement sein.
Im Rahmen dieser Offenbarung werden unter dem Begriff „elektrische Schalter“ bzw. „Schaltelemente“ auch elektronische Schaltelemente verstanden.
Zusätzlich weist die Batterie 9 einen zusätzlichen Batterieabgriff in Form eines Mittelabgriffs 7 auf. Das mindestens eine zusätzliche Paar Ausgangsklemmen 5 kann über die elektrischen Schalter 6 der Schalteinheit 3 dynamisch abwechselnd mit mindestens zwei unterschiedlichen Kombinationen von elektrischen Batterieabgriffen 7, 8+, 8– elektrisch leitend verbunden werden. Das bedeutet, dass mindestens eine der beiden Ausgangsklemmen 4a, 4b, 5a, 5b jedes des genannten mindestens einen Paars von elektrischen Ausgangsklemmen 4, 5 über den mindestens einen elektrischen Schalter 6 von einem elektrischen Batterieabgriff 7, 8+, 8– elektrisch getrennt und mit einem anderen elektrischen Batterieabgriff 7, 8+, 8– elektrisch leitend verbunden werden kann. Es ist vorstellbar, dass beide Klemmen 4a, 4b, 5a, 5b jedes der genannten Paare Ausgangsklemmen 4, 5 von einer (paarweisen) Kombination von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– elektrisch getrennt und mit einer anderen Kombination von Batteriekontakten 7, 8+, 8– elektrisch leitend verbunden werden. Dabei bildet jede Kombination von Batterieabgriffen für sich eine Untermenge im Sinne der Erfindung. Ferner ist vorstellbar, dass jede Klemme 4a, 4b, 5a, 5b zwei elektrische Schalter 6 aufweist, also vier elektrische Schalter 6 je Paar Ausgangsklemmen 4, 5.
Mit den mindestens zwei Paaren Ausgangsklemmen 4, 5 und den mindestens drei Batterieabgriffen 7, 8+, 8– ist das Batteriesystem 10 derart konfiguriert, dass keine der Ausgangsklemmen 4a, 4b, 5a, 5b unmittelbar mit einem der Batterieabgriffe 7, 8+, 8– elektrisch verbunden ist. Das Paar Ausgangsklemmen 5 weist hier einen optionalen Kondensator als Kapazität 13 auf.
Enthält die Batterie 9 Ladung, ist die an jedem Paar Ausgangsklemmen 4, 5 bereitgestellte Spannung kleiner als die Spannung zwischen dem positiven Pol 8+ und dem negativen Pol 8– der Batterie 9, wobei die bereitgestellten Spannungen dieselbe Polarität aufweisen.
Durch die Anordnung der elektrischen Batterieabgriffe 7, 8+, 8– an der Batterie 9, ist die Batterie 9 so untergliederbar, dass jeder Teil der Batterie 9 gleich oft von unterschiedlichen dieser Paare von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– umschlossen wird. Durch ein Steuersignal 11 von einer Regel- bzw. Steuereinheit 12 sind die Schalter 6 so stellbar, dass Paare von elektrischen Batterieabgriffen 7, 8+, 8– mit bestimmten Paaren Ausgangsklemmen 4, 5 elektrisch verbunden werden.
Erfindungsgemäß weist die Regel- bzw. Steuereinheit 12 die Schalteinheit 3 an, ein Ausgangsklemmenpaar 4, 5 mittels elektrischer Schalter 6 zwischen mindestens zwei nicht identischen Paaren von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– mit näherungsweise gleicher elektrischer Spannung hin und her zu schalten.
Im einfachsten Fall wird beispielsweise die Batterie 9 für das Batteriesystem 10, das als Ausgangsspannung nur 1/n-tel der Batteriespannung aufweisen soll, gedanklich in n gleiche Teile geteilt und an jeder Grenze zwischen zwei Teilen ein elektrischer Batterieabgriff 7 erzeugt, wobei jeweils zwei benachbarte Batterieabgriffe 7 ein Paar von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– bilden und jeder außer der randständigen Batterieabgriffe 8+, 8– zu zwei Paaren von Batterieabgriffen zählt. Erfindungsgemäß kann jeder Teil der Batterie 9 eine Untermenge bilden, sodass n Untermengen entstehen. Oder mehrere verschaltete Teile der Batterie 9 bilden eine Untermenge. Alternativ kann die Batterie 9 beispielsweise auch gedanklich in 2n gleich große Teile mit entsprechenden Batterieabgriffen 7 an den Grenzen geteilt werden, wobei ein Paar jeweils jeden zweiten Batterieabgriff 7 umfasst, folglich ein Batterieabgriff 7 mit dem Nachbarn seines unmittelbaren Nachbarn ein Paar bildet. Umfasst ein Paar Batterieabgriffe 7 mehrere Teile der Batterie 9 bzw. mehrere Teilbatterien, bilden diese mehreren Teile bzw. Teilbatterien eine Untermenge. In all diesen Fällen kann jeder beliebige Teil der Batterie 9 ferner auch von einem einzelnen Ausgangsklemmenpaar 4, 5 durch geeignete Wahl einer zeitlichen Verweildauer in bestimmten elektrischen Verschaltungskombinationen mit den Paaren von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– gleichmäßig belastet werden oder andere Bedingungen erfüllen.
Konkret auf diesen einfachsten Fall projiziert, wird beispielsweise aus der Batterie 9, die 800 V Spannung bereitstellen kann und aus einer geraden Anzahl aus Teilbatterien 1, 2 besteht, eine zweite Spannung mit 400 V dadurch erzeugt, dass die Batterie 9 einen Mittelabgriff 7 aufweist, der zwischen den beiden Teilbatterien 1, 2 angeordnet ist. Die Batterie 9 verfügt folglich über mindestens drei Batterieabgriffe 7, 8+, 8–, einen positiven 8+ am elektrisch positivsten Punkt der Batterie 9, einen negativen 8– am elektrisch negativsten Punkt der Batterie und den Mittelabgriff 7 mit etwa halber Spannung der Batterie 9. Während alle 800-V-Systeme weiterhin mit dem Ausgangsklemmenpaar 4 von dem negativen und dem positiven Batterieabgriff 8–, 8+ versorgt werden, liefert die Kombination aus dem Mittelabgriff 7 und dem negativen Batterieabgriff 8– und die Kombination aus dem positiven Batterieabgriff 8+ und dem Mittelabgriff 7 jeweils in etwa die halbe Spannung. Während 400-V-Lasten nun im Grunde an jeder der beiden Kombinationen betrieben werden könnten, würde ein solches Vorgehen zu einer ungleichmäßigen Belastung der beiden Teile der Batterie 9 führen. Ein Ausgleich durch festverdrahtete Verteilung mehrerer Lasten unter den beiden Kombinationen, beispielsweise bereits bei der Produktion, ist ferner nicht empfehlenswert, da dies die Gefahr einer ungleichmäßigen Belastung verringert, aber nicht ausschließen kann. Erfindungsgemäß kann stattdessen die 400-V-Last durch die Verwendung von elektrischen Schaltern 6 zwischen den in 3 gezeigten zwei alternativen Kombinationen von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– der Batterie 9 hin und her geschaltet werden. Durch geeignete Wahl der durchschnittlichen Dauer, die jede Kombination geschaltet ist, kann beispielsweise in Abhängigkeit von der bereits geflossenen Ladung die Belastung gleichmäßig auf die beiden alternativen Kombinationen verteilt werden. Neben einer gleichmäßigen Entladung/Ladung kann ferner auch eine gezielt ungleiche Entladung/Ladung, eine gleichmäßige oder gezielt ungleichmäßige Alterung, eine gleichmäßige oder gezielt ungleichmäßige Erwärmung oder Temperaturverteilung, eine gleiche oder gezielt ungleiche Spannung bzw. ein gleicher oder gezielt ungleicher Ladungszustand als Regel- oder Steuerungsziel von der Regel- bzw. Steuereinheit 12 verwendet werden. Bei ausreichend hoher Zahl an alternativen Batterieabgriffpaaren 7, 8+, 8–, zwischen welchen ein bestimmtes Ausgangsklemmenpaar 4, 5 hin und her geschaltet werden kann, können auch mehrere dieser Regel- bzw. Steuerziele gleichzeitig verwendet werden.
Ist die elektrische Spannung der nicht identischen Paare Batterieabgriffe 7, 8+, 8– unterschiedlich, wird die Umschaltung zwischen den verschiedenen Kombinationen von Paaren Batterieabgriffen 7, 8+, 8– genutzt, um im zeitlichen Mittel durch geeignete Verweildauer der Schaltung in den einzelnen Kombinationen eine Spannung für die Spannungsebene eines Paares Ausgangsklemmen 4, 5 zu erzeugen. Dafür kann die Batterie 9 mehrere Kombinationen an Paaren Batterieabgriffen 7, 8+, 8– aufweisen, so dass eine Erzeugung einer vorgegebenen Spannung der entsprechenden Spannungsebene durch geeignete Verweildauer der Schaltung in den einzelnen Kombinationen zumindest zeitweise mehr als eine Lösung ermöglicht und somit unterbestimmt ist. Die Unterbestimmtheit wird durch Hinzuziehen mindestens eines weiteren Regelziels oder mindestens einer weiteren Randbedingung behoben oder verringert. Regelziele bzw. Randbedingungen können gleichmäßige Entladung bzw. Ladung, ein gleichmäßiges Altern, eine gleichmäßige Degradation, ein gleichmäßiger Ladungszustand, oder eine gleichmäßige Temperatur sein. Ein Beispiel wäre eine Batterie 9 aus vier Teilbatterien (bspw. könnten die Teilbatterie 1 und 2 jeweils in zwei Hälften unterteilt sein, und einen zusätzlichen Batterieabgriff (Mittelabgriff) 7 aufweisen), die eine Bereitstellung von Spannung bspw. von einem Viertel oder einem Halben der Gesamtbatteriespannung mit mehreren Kombinationen von Paaren Batterieabgriffen 7, 8+, 8– ermöglicht.
Vorzugsweise erfolgt das Hin-und-Her-Schalten zwischen den Paaren Batterieabgriffen 7, 8+, 8– mit einer so niedrigen Frequenz, dass die direkt aufgrund des Hin-und-Her-Schaltens erzeugten zusätzlichen Energieverluste in Form von Wärme weniger als 10 Prozent der Energieverluste in Form von Wärme sind, die ohne ein Hin-und-Her-Schalten im Batteriesystem erzeugt würden.
Vorzugsweise erfolgt das Hin-und-Her-Schalten zwischen den Paaren Batterieabgriffen 7, 8+, 8– mit einer Frequenz, die geringer als 100 Hertz ist. Besonders bevorzugt ist eine Frequenz geringer als 1 Hertz.
4 verdeutlicht die Spannungsverhältnisse, die während des Betriebs des Batteriesystems 10 erfüllt werden. Im Wesentlichen stellt 4 die Schaltung aus 3 nach. Zwischen den Ausgangsklemmen 4a und 5a, 5a und 5b, 5b und 4b liegt jeweils eine positive Spannung vor. Ebenso liegt eine positive Spannung über dem Transistor 6 zum Mittelabgriff 7 und über dem Transistor 6 zum negativen Pol 8– der Schaltung vor. Dementsprechend weist die bereitgestellte Spannung jedes Paares Ausgangsklemmen 4, 5 dieselbe Polarität auf.
Die 5 und 6 zeigen jeweils eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems 10. Jedoch weist die Schalteinheit 3 nicht vier IGBT 6 auf, sondern jeweils nur zwei. Zwei der IGBT 6 sind jeweils durch Gleichrichterelemente 14, wie bspw. Dioden bzw. Schottky-Dioden ersetzt. Ebenfalls ist eine optionale Kapazität 13 in die Schaltung implementiert.
7 zeigt eine beispielhafte Schaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 10 für eine unbeschränkte Anzahl n Teilbatterien 1, 2, ..., n. In dieser Ausführungsform weist die Batterie 9 eine Vielzahl zusätzlicher Batterieabgriffe 7 und eine Vielzahl elektrischer Schaltelemente 6-1, 6-2, ..., 6-n auf. Die elektrischen Schaltelemente 6-1, 6-2, ..., 6-n verbinden mindestens ein Paar von Ausgangsklemmen 4a, 4b mit je einem Paar der Batterieabgriffe 7. Die elektrische Spannung 15 entspricht der Spannung der Teilbatterien 1, 2, ..., n, die jeweils einzelne Batteriezellen, aber auch größere Einheiten sein können. Die Maximalspannung der Batterie 9 steht zwischen dem positiven Pol 8+ und dem negativen 8– zur Verfügung.
Die 8a und 9a zeigen je eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems 10, bei dem elektrische Potentiale sowohl der Batterieabgriffe 7, 8+, 8– als auch der Ausgangsklemmen 5a, 5b untereinander und gegeneinander dynamisch stabilisiert werden. Hierzu wird mindestens ein Stabilisierer 16 verwendet, der mit seinen mindestens zwei Anschlüssen jeweils elektrisch mit einen Batterieabgriff 7, 8+, 8– und/oder einer Ausgangsklemme 5a, 5b verbunden ist und parallel zu dem jeweiligen Schaltelement 6 angeordnet ist. Auf diesem Weg werden die Batterieabgriffe 7, 8+, 8– und/oder die Ausgangsklemmen 5a, 5b über die Stabilisierer 16 gegeneinander stabilisiert, die bezüglich ihres elektrischen Potentiales sehr kleinen Abstand oder minimalen Abstand aufweisen. Die Stabilisierer 16 verhindern auch, dass die mit einer Umschaltung verbundene schnelle Strompfadänderung in gewollten oder ungewollten Induktivitäten 19 (9a) der Schaltung zu induktiven Spannungsspitzen führen, die beispielsweise zu unerwünschten Störungen der Spannungen an den Ausgangsklemmen 4a, 4b, 5a, 5b sowie Batteriabgriffen 7, 8+, 8– und/oder hoher Spannungsbelastung von Bauteilen und Isolierungen führen. Die Regel- bzw. Steuereinheit 12 sendet Steuersignale 11 an die elektrischen Schaltelemente 6 und empfängt Sensorsignale 18 eines Spannungsmessgeräts 17, das zwischen den Ausgangsklemmen 5a und 5b angeordnet ist.
In der 9a sind die elektrischen bzw. elektronischen Schaltelemente 6 als Transistoren ausgeführt. Des Weiteren weist mindestens ein Paar Ausgangsklemmen 5 einen sogenannten CLC-Filter (capacitor-inductor-capacitor-Filter) auf, der mindestens eine Induktivität 19 und mindestens zwei Kapazitäten 13 aufweist, die jeweils mit einem elektrischen Anschluss der genannten Induktivität 19 verbunden sind. Eine oder mehrere Kapazitäten in einem Stabilisierungsnetzwerk können verhindern, dass ein trotz zuvor geöffnetem Schalter aufgrund beispielsweise stromtreibender induktiver Phänomene nicht erlöschender Strom nur zu langsamer Spannungszunahme führt. Zusätzlich kann auch ein elektrischer Widerstand mit der Kapazität 13 in Serie geschaltet werden. Der Filter könnte bspw. auch ein LCL-Filter (inductor-capacitor-inductor-Filter) mit zwei Induktivitäten 19 und einer Kapazität 13 sein.
Die 8b und 9b zeigen im Wesentlichen das Batteriesystem 10 der 8a und 9a, jedoch gehören zu dem Stabilisierernetzwerk 16 Dioden 20. Bei 8b sind die elektrischen Schaltelemente 6 durch Transistoren ersetzt. Ein erfindungsgemäßes dynamisches Stabilisierungsnetzwerk kann beispielsweise in der Lage sein, Überspannungen abzuleiten. Dies kann durch Verwendung mindestens eines Schaltelementes 20 erfolgen, dessen elektrische Leitfähigkeit bei Spannungspulsen mit einer gewissen Mindestspannung kurzzeitig stark ansteigt, beispielsweise auch Surge-Dioden, Transient-Voltage-Suppressors oder Zener-Dioden.
Die 10a und 10b zeigen weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems 10 und erweitern im Wesentlichen die in den 8a bis 9b gezeigten Figuren um einen Stromsensor 21. In 10a, die 9b erweitert bzw. ergänzt, ist der Stromsensor 21 an der Ausgangsklemme 5a vor der Induktivität 19 angeordnet. Die Sensorsignale 18 des Stromsensors 21 werden an die Regel- bzw. Steuereinheit 12 übermittelt. In 10b ist der Stromsensor 21 an dem Mittelabgriff 7 angeordnet und detektiert die ein- und ausfließende Ladung. Stromsensoren 21 können prinzipiell in jeder Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems 10 eingebaut sein. Zum Ausgleich der Strombelastung jeder Teilbatterie 1, 2 kann eine Nullstellung der Stromsensoren 21 eingesetzt werden und von der Regelung als Ziel verwendet werden.
Die 11 bis 14 zeigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems 10, das elektrische Sicherungen 22 und elektrische Schütze 23 aufweist.
Die Schaltung der 11 weist zwei elektrische Sicherungen 22 und zwei elektrische Schütze 23 auf. In der gezeigten Schaltung kann die elektrische Schaltungsschleife, die die elektrischen Sicherungen 22 und elektrischen Schütze 23 aufweist durch Aktivierung oder Beschädigung, beispielsweise durch Durchlegierung bestimmter elektrischer Schalter 6, eine elektrisch leitende Verbindung, insbesondere einen sogenannten Kurzschluss, zwischen zwei nichtidentischen Batterieabgriffen 7, 8+, 8– herstellen. Die elektrischen Sicherungen 22 und elektrischen Schütze 23 sind dazu konfiguriert, die elektrisch leitende Verbindung zu unterbrechen.
Die in 12 gezeigte Schaltung weist an jedem Batterieabgriff 7, 8+, 8– eine elektrische Sicherung 22 und einen elektrischen Schütz 23 auf. Die elektrischen Sicherungen 22 und elektrischen Schütze 23 können die an einem Batterieabgriff 7, 8+, 8– angeschlossenen Halbleiterschalter 6 elektrisch von der Batterie 9 trennen.
Die in 13 gezeigte Schaltung zeigt eine Schaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 10, bei dem mit einem Minimum an elektrischen Sicherungen 22 und/oder elektrischen Schützen 23 elektrisch leitende Verbindungen, insbesondere auch Kurzschlüsse, zwischen zwei unterschiedlichen Batterieabgriffen 7, 8+, 8– getrennt werden können.
Bei der in 14 gezeigten Schaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 10, weist zusätzlich zu den Batterieabgriffen 7, 8+, 8– auch jede der Ausgangsklemmen 4a, 4b, 5a, 5b eine elektrische Sicherung 22 und einen elektrischen Schütz 23 auf.
Unter Bezugnahme auf die 16 und 17 wird ein weiterer Aspekt des erfindungsgemäßen Batteriesystems 10 veranschaulicht. Erfindungsgemäß kann an einem Paar Ausgangsklemmen 5a, 5b mit einer entsprechenden Stellung der elektrischen Schalter 6 zeitweise mehr als eine Spannung 15 bereitstellbar sein. In 16 wird durch Stellung der elektrischen Schalter 6 zwischen den Ausgangsklemmen 5a, 5b eine Spannung 15 bereitgestellt, die der Spannung zwischen dem positiven Pol 8+ und dem negativen Pol 8– der Batterie 9 entspricht. 17 zeigt, wie durch entsprechende Stellung der elektrischen Schalter 6 zwischen den Ausgangsklemmen 5a, 5b eine Spannung 15 bereitstellbar ist, die der Spannung einer Teilbatterie 1, 2 der Batterie 9 entspricht. Dazu kann in einer Schalterstellung (linke Seite 17) die Spannung der Teilbatterie 1 zwischen dem positiven Pol 8+ und einem Batterieabgriff 7 der Batterie an dem Paar Ausgangsklemmen 5 bereitstellbar sein. Wird in die andere Schalterstellung (rechte Seite 17) geschaltet, entspricht die Spannung 15 an den Ausgangsklemmen 5a, 5b der Spannung der zweiten Teilbatterie 2 zwischen dem Batterieabgriff 7 und dem negativen Pol 8– der Batterie. Demnach ist an dem Paar Ausgangsklemmen 4 mehr als eine Spannung 15 bereitstellbar. Durch geeignetes Hin-und-Her-Schalten der elektrischen Schalter 6, wird eine gleichmäßige Belastung der Batterie 9 und/oder andere der zuvor genannten Regelziele erreicht.
Dafür ist das erfindungsgemäße Batteriesystem 10 dazu konfiguriert, zu erkennen, welche Spannung an den Paaren Ausgangsklemmen 4, 5 benötigt bzw. erwartet wird, und stellt über die Regel- bzw. Steuereinheit 12 die elektrischen Schalter 6 in der Art, dass an den Paaren Ausgangsklemmen 4, 5 die entsprechende Spannung bereitgestellt wird. An den Paaren Ausgangsklemmen 4, 5 kann, wie bereits erwähnt, ein weiteres Bordnetz angeschlossen sein oder andere Aggregate, wie beispielsweise elektrische Verbraucher, elektrische Energiespeicher und/oder elektrische Lader. Zum Erkennen, welche Spannung an den Paaren Ausgangsklemmen 4, 5 benötigt bzw. erwartet wird, weist das erfindungsgemäße Batteriesystem 10 Spannungssensoren 17 auf, wie in den 8a, 8b, 9a, 9b, 10a und 10b gezeigt ist. Die Spannungsmessung erfolgt demnach an einem Paar Ausgangsklemmen 5. Während dieser Messung können ferner alle elektrischen Schalter 6 deaktiviert werden, um die Spannung 15 unverzerrt am entsprechenden Paar Ausgangsklemmen 5 anliegen zu haben, und nicht durch paarweises elektrisches Verbinden mittels des mindestens einen elektrischen Schalters 6 mit Teilen der Batterie 9 zu verändern.
Alternativ kann für diese Erkennung mindestens ein elektronisches Signal 18 von mindestens einem der genannten angeschlossenen Aggregate an die mindestens eine Regel- bzw. Steuereinheit 12 des erfindungsgemäßen Batteriesystems 10 übermittelt werden, die der Regel- bzw. Steuereinheit 12 Hinweise auf die richtige Spannung 15 gibt, damit die Regel- bzw. Steuereinheit 12 die Schalteinheit 3 anweisen kann, die elektrischen Schalter 6 entsprechend zu aktivieren bzw. zu schalten.
Beispielsweise kann gemäß diesem Aspekt der Erfindung mit derselben Batterie 9 eine Gleichspannungsschnellladung sowohl mit Ladespannungen erfolgen, die deutlich unter der Gesamtbatteriespannung liegen und entsprechend dynamisch abwechselnd mit unterschiedlichen Teilbatterien 1, 2, ..., n verbunden werden, als auch mit Spannungen, die der Gesamtbatteriespannung gleichen und deshalb mit dem positiven und dem negativen Pol 8+, 8– der Batterie 9 verbunden werden sollten.
Um einen zeitlich gleichmäßigeren Stromfluss zu erzeugen, weisen die in den 18 bis 21 gezeigten Schaltungen induktive Elemente bzw. Induktivitäten 19 auf.
In 18 ist eine Induktivität 19 an einem Batterieabgriff 7 angeordnet. Zusätzlich weist die Schaltung der 18 eine optionale Kapazität 13 an einem Paar Ausgangsklemmen 5 und Stabilisierer 16 auf.
In 19 sind zwei Induktivitäten 19 in die Schaltung integriert. Eine Induktivität 19 ist an dem positiven Pol 8+ und eine zweite Induktivität 19 ist an dem negativen Pol 8– der Batterie 9 angeordnet.
20 weist die Induktivität 19 an einem Paar Ausgangsklemmen 5 auf.
In 21 weist das erfindungsgemäße Batteriesystem 10 neben dem induktiven Element 19 in einem Batterieabgriff 7 ferner eine elektrische Sicherung 22 in einem Batterieabgriff 8+, 8– auf. Die elektrische Sicherung 22 könnte auch durch einen elektrischen Schütz 23 ersetzt sein. Alternativ könnten auch eine elektrische Sicherung 22 und ein elektrischer Schütz 23 oder Kombinationen davon verwendet werden.
Die Induktivität 19 ist in den gezeigten Ausführungsformen dabei so platziert, dass jeweils mindestens ein induktives Element 19 in mindestens einem Batterieabgriff 7, 8+, 8– so platziert ist, dass jeder Strompfad bei abwechselnder paarweiser Verbindung mindestens eines Ausgangsklemmenpaares 4, 5 mit allen Paaren von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– eines der induktiven Elemente 19 durchläuft.
Die elektrische Spannung des jeweiligen Paares Ausgangsklemmen 4, 5 liegt in erster Näherung zwischen der kleinsten und der größten Spannung, die von den Paaren von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– bereitstellbar ist, zwischen welchen die Regel- bzw. Steuereinheit 12 das jeweilige Paar Ausgangsklemmen 4, 5 hin und her schaltet.
Erfindungsgemäß kann die Regel- bzw. Steuereinheit 12 dazu ausgelegt sein, die Schalteinheit 3 anzuweisen, über die Schaltelemente 6 die Paare Ausgangsklemmen 4, 5 zwischen mindestens zwei nicht identischen Paaren Batterieabgriffen 7, 8+, 8– zeitlich dynamisch hin und her zu schalten, wobei nicht alle diese Paare von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– bzw. Teilbatterien bzw. Untermengen näherungsweise die gleiche bereitgestellte Spannung aufweisen. Beispielsweise kann die bereitgestellte Spannung eines Paares Batterieabgriffe 7, 8+, 8– um mehr als 20 Prozent von den bereitgestellten Spannungen der anderen Paare Batterieabgriffe 7, 8+, 8– abweichen, zwischen welchen die Schalteinheit 3 die Paare Ausgangsklemmen 4, 5 zeitlich dynamisch hin und her schaltet. Beispielsweise kann die bereitgestellte Spannung eines Paares Batterieabgriffe 7, 8+, 8– auch um mehr als 40 Prozent von den bereitgestellten Spannungen der anderen Paare Batterieabgriffe 7, 8+, 8– abweichen, zwischen welchen die Schalteinheit 3 die Paare Ausgangsklemmen 4, 5 hin und her schaltet.
Die Regel- bzw. Steuereinheit 12 ist weiterhin dazu ausgelegt, eine zeitliche Verweildauer der Schalter 6 in der jeweiligen Stellung zum Verbinden der Paare Ausgangsklemmen 4, 5 mit den Paaren Batterieabgriffen 7, 8+, 8– zu regeln bzw. zu steuern. Dadurch kann im zeitlichen Mittel die elektrische Spannung eines Paares Ausgangsklemmen 4, 5 über eine geeignete Wahl der zeitlichen Verweildauer der elektrischen Verbindung des Paares Ausgangsklemmen 4, 5 mit einem der Paare Batterieabgriffe 7, 8+, 8– eingestellt werden.
Unter Bezugnahme auf 15 wird dieser Aspekt veranschaulicht. Beispielsweise können die Paare von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– an der Batterie 9 so angeordnet sein, dass nicht jede Teilbatterie 1, 2, 24 für sich von einem Paar Ausgangsklemmen 5-1, 5-2 gleichmäßig belastet ist oder einer der zuvor genannten Bedingungen unterworfen werden kann. Die Schaltung des Batteriesystems 10 weist drei Teilbatterien 1, 2, 24 auf, die über elektrische Schalter 6 mit den Paaren Ausgangsklemmen 5-1 und 5-2 elektrisch verbindbar sind. Zusätzlich weist die Schaltung die Ausgangsklemmen 4a und 4b auf, die entsprechend mit dem positiven Pol 8+ und dem negativen Pol 8– elektrisch verbunden sind. Das Paar Ausgangsklemmen 5-1 kann mit den in Serie geschalteten Teilbatterien 1 und 2 (die dann eine Untermenge bilden) elektrisch verbunden sein oder mit der Teilbatterie 24 (die dann eine Untermenge für sich ist) oder mit den in Serie geschalteten drei Teilbatterien 1, 2, 24 (die dann eine weitere Untermenge bilden). Das Paar Ausgangsklemmen 5-2 kann mit den in Serie geschalteten Teilbatterien 2 und 24 (die dann eine Untermenge bilden) elektrisch verbunden sein oder mit der Teilbatterie 1 (die dann eine Untermenge für sich ist) oder mit den in Serie geschalteten drei Teilbatterien 1, 2, 24 (die dann eine Untermenge bilden). Kombiniert man mehrere Batterieabgriffe 7 miteinander, kann unter den einzelnen Teilbatterien 1, 2, 24 Ladung ausgetauscht werden, indem man die Ladung in bspw. ein Zwischenmodul überführt. Ein solches Zwischenmodul kann die Teilbatterie 2 sein. Ist bspw. das Paar Ausgangsklemmen 5-1 mit der Teilbatterie 24 elektrisch verbunden und das Paar Ausgangsklemmen 5-2 mit der Teilbatterie 1 elektrisch verbunden, wird an beiden Paaren Ausgangsklemmen 5-1, 5-2 jeweils eine Spannung 15-1 bzw. 15-2 bereitgestellt, die einem Drittel der Gesamtspannung der Batterie 9 zwischen dem positiven Pol 8+ und dem negativen Pol 8– entspricht. Die Teilbatterie 2 wird jedoch nicht belastet, wodurch die Teilbatterien 1, 2, 24 ungleichmäßig belastet werden. Durch entsprechendes zeitlich dynamisches Hin-und-Her-Schalten zwischen den zuvor genannten Kombinationen und entsprechender zeitlicher Verweildauer in der entsprechenden Stellung wird jedoch erreicht, dass die Teilbatterien 1, 2, 24 gleichmäßig belastet werden, indem bspw. die Teilbatterie 2 genutzt wird, Ladung zwischen den Teilbatterien 1, 2, 24 auszutauschen. Es ist anzumerken, dass jede Teilbatterie einer oder mehrerer Untermengen zugehörig sein kann und die Untermengen nach jedem Schaltvorgang dynamisch wechseln und andere und/oder gleiche Teilbatterien umfassen.
Eine Alternative zu der Schaltung der 15 stellt die Schaltung der 22 dar. Auch hier ist die Batterie 9 in drei Teilbatterien 1, 2, 24 untergliedert. Dabei können die mindestens zwei Paare Ausgangsklemmen 5-1, 5-2 durch geeignete Stellung von mindestens einem elektrischen Schalter 6 jeweils zeitweise unterschiedliche Gleichspannungen 15-1, 15-2 aufweisen. Im Gegensatz zu 15 kann durch entsprechende Stellung der elektrischen Schalter 6 nun an dem Paar Ausgangsklemmen 5-1 eine Spannung 15-1 bereitstellbar sein, die entweder nur der Spannung der ersten Teilbatterie 1, oder nur der Spannung der zweiten Teilbatterie 2 oder der Spannung der in Serie geschalteten ersten und zweiten Teilbatterie 1, 2 entspricht. Analog verhält es sich mit der an dem Paar Ausgangsklemmen 5-2 bereitgestellten Spannung 15-2, die entweder nur der Spannung der dritten Teilbatterie 24, oder nur der Spannung der zweiten Teilbatterie 2, oder der Spannung der in Serie geschalteten Teilbatterien 2, 24 entsprechen kann. Durch entsprechendes dynamisches Hin-und-Her-Schalten zwischen den Batterieabgriffen 7, 8+, 8– kann eine gleichmäßige Belastung der Batterie bzw. der Teilbatterien 1, 2, 24 erreicht werden.
Beispielsweise könnte eine Batterie 9 mit neun elektrisch seriellen Teilbatterien in zwei nicht überlappende Teile mit je vier Teilbatterien (die dann jeweils eine Untermenge bilden) unterteilt werden, um je ein Paar Ausgangsklemmen mit halber Batteriespannung zu erzeugen. Eine Teilbatterie (die auch eine Untermenge bildet) dieses Beispiels ist jedoch in keiner Alternative enthalten, wodurch selbst durch gezielte Wahl von Verweildauern in einzelnen Schaltungszuständen eine gleichmäßige Belastung aller Teilbatterien nicht ermöglicht werden kann und bezüglich dieser Zelle eine Singularität in dem zugrundeliegenden Gleichungssystem vorliegt.
Mit anderen Worten wird die Menge der kleinsten Teile einer Batterie 9, beispielsweise die Menge aller einzelnen elektrisch in Serie geschalteten Teilbatterien 1, 2, 24, als Basis eines Vektorraums betrachtet. Dadurch kann für jede Schalterstellung der elektrischen Schalter 6, die ein bestimmtes Paar Ausgangsklemmen 5-1, 5-2 mit einem bestimmten Paar von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– paarweise elektrisch leitend verbinden, ein Vektor bezüglich dieser Basis ermittelt werden, welche beispielsweise die Spannung 15-1, 15-2 des Ausgangsklemmenpaares 5-1, 5-2 als Linearkombination der Spannungen der einzelnen Teilbatterien 1, 2, 24, folglich der Basisvektoren, beschreibt. Hat die Menge aller zusammengenommenen derartigen die Verbindung von Teilbatterien 1, 2, 24 zur entsprechenden Ausgangsklemme 5a-1, 5b-1, 5a-2, 5b-2 beschreibenden Vektoren für alle verwendeten paarweisen elektrischen Verbindungen der betroffenen Ausgangsklemmenpaare 5-1, 5-2 mit Paaren von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– vollen Rang, spannt diese Menge denselben Vektorraum auf, wie die oben genannte Basis aus den einzelnen Teilbatterien 1, 2, 24. In diesem Fall ist ein entsprechender Ausgleich durch Steuerung und/oder Regelung der zeitlichen Verweildauern dieser mindestens zwei Paare Ausgangsklemmen 5-1, 5-2 hinsichtlich ihrer zugehörigen Paare von Batterieabgriffen 7, 8+, 8–, mit welchen das jeweilige Ausgangsklemmenpaar 5-1, 5-2 mittels elektrischer Schalter 6 paarweise elektrisch verbunden werden kann, möglich. Dabei sollten die elektrischen Leistungen der einzelnen, an diesem Ausgleich beteiligten Paare Ausgangsklemmen 5-1, 5-2 im zeitlichen Mittel nicht über lange Dauer, d. h. in der Größenordnung der Entladedauer der Batterie 9, deutlich unterschiedlich sein.
23 zeigt dazu eine Regelung 30 für einen Batterieabgriff 7, 8+, 8–. Dazu wird einmal eine Zustandsgröße 32-1, bspw. die reale Belastung einer Teilbatterie 7, 8+, 8–, die einem Batterieabgriff 7, 8+, 8– zugehörig ist, und ein Regelziel 34-1, bspw. eine Durchschnittslast aller Batterieteile, miteinander verglichen. Ein Regler 25, bspw. ein PID-Regler, ermittelt dann die anteilige zeitliche Verweildauer 36-1 in einem Batterieabgriffpaar. Dies kann für jeden von einer Anzahl beliebig vieler Batterieabgriffe 7, 8+, 8– durchgeführt werden. Sofern die Paare von Batterieabgriffen 7, 8+, 8–, die einem bestimmten Paar Ausgangsklemmen 4, 5 zugeordnet sind, so über die Batterie 9 verteilt sind, dass die durch die Batterieabgriffe 7, 8+, 8– gedanklich gebildeten Teilbatterien 1, 2, 24 nicht überlappen, ist ein solcher Ausgleich durch eine im zeitlichen Mittel gleiche Verweildauer der paarweisen elektrischen Verbindung von Paaren Ausgangsklemmen 4, 5 mit jeder der zugeordneten Paaren von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– gegeben. Diese Abfolge kann der Einfachheit halber zyklisch sein (sog. Ruban Rond, Round Robin oder Runder Robin). Alternativ kann beispielsweise auch eine stochastische Abfolge, die im Mittelwert gleiche Verteilungen aufweist, verwendet werden.
Sollten sich die durch die Paare Batterieabgriffe 7, 8+, 8– gebildeten Teilbatterien 1, 2, 24 nicht paarweise disjunkt sein, ist die erhöhte Belastung der überlappenden Teilbatterien 1, 2, 24 zu berücksichtigen.
24 zeigt eine Regelung 30, die mehrere Regelziele und/oder Zustandsgrößen 32-1 mit deren jeweiligen Regelzielen über eine Verknüpfungsmatrix 38 mit Gewichtungsfaktoren m_ij verarbeitet. Die Zustandsgrößen („Belastung“) 32-1 können im Allgemeinen alle in dieser Beschreibung genannten Regelziele, beispielsweise Ladung, Strom, Energie, Temperatur und dergleichen darstellen.
Ferner lässt sich die Spannung des jeweiligen Paars Ausgangsklemmen 4, 5 durch eine gewichtete Linearkombination der Spannungen der Paare von Batterieabgriffen 7, 8+, 8–, zwischen welchen die Regel- bzw. Steuereinheit 12 das Paar Ausgangsklemmen 4, 5 zeitlich dynamisch hin und her schaltet, approximieren, wenn als Gewichtungsfaktoren m_ij der Anteil der zeitlichen Verweildauern in der jeweiligen Schaltkombination an der Gesamtzeit verwendet wird.
In der Regel verringern elektrische Verluste, beispielsweise Verluste in elektrischen Schaltern 6, die reale Spannung. Diese Linearkombination liefert ferner eine Gleichung, mit welcher bei gegebenen Spannungen geeignete Gewichtungsfaktoren m_ij und damit durchschnittliche Verweildauern 36 abgeschätzt werden können.
Durch einen geeigneten elektrischen Filter kann ferner eine gleichmäßige Spannung am Ausgangsklemmenpaar generiert werden. In den 8a, 8b, 9a, 9b wird ein solcher Filter über in die Schaltung eingebaute Induktivitäten 19 und/oder Kapazitäten 13 realisiert.
Ist ein Gleichungssystem auf Basis der Linearkombination für gegebene Spannungen unterbestimmt, d. h. lassen sich mehrere Lösungen finden, die die gewünschten Spannungen erzeugen, können die durchschnittlichen zeitlichen Verweildauern in bestimmten Schaltkombinationen von Paaren von Ausgangsklemmen 4, 5 und Paaren von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– ferner genutzt werden, um mindestens eine Nebenbedingung zu optimieren. Beispiele für eine Nebenbedingung sind eine gleichmäßige Entladung bzw. Ladung der Batterieteile 1, 2, 24, ..., n (7 und 15), die durch die sie einschließenden Batterieabgriffpaare 7, 8+, 8– definiert sind, eine gezielt ungleiche Entladung/Ladung, eine gleichmäßige oder gezielt ungleichmäßige Alterung, eine gleichmäßige oder gezielt ungleichmäßige Erwärmung oder Temperaturverteilung, eine gleiche oder gezielt ungleiche Spannung bzw. ein gleicher oder gezielt ungleicher Ladungszustand.
25 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 10, das einen Stromsensor 21 aufweist, der den ein- und ausfließenden Strom eines Batterieabgriffs 7, beispielsweise einem Mittelabgriff, detektiert und dieser für eine Regelung der einzelnen Schalter 6 der Schalteinheit 3 verwendet wird. Die Regelung kann beispielsweise mindestens einen PID-Regler 25, der den jeweils gemessenen Strom im zeitlichen Mittel gegen Null zu regeln versucht, mindestens einen Diskriminator 26, beispielsweise auch einen Schmitt-Trigger, und mindestens eine Gate-Treiber-Einheit 27 umfassen. Der Regler kann alternativ auch ein Pi-Regler oder ein P-Regler sein. Durch Messung der Spannung unterschiedlicher Teilbatterien 1, 2, 24 durch einen jeweils zugehörigen Spannungssensor 17 kann die Regel- bzw. Steuereinheit 12 über die Wahl der Umschaltzeitpunkte der Verbindung der entsprechenden Paare Ausgangsklemmen 4, 5 mit unterschiedlichen Kombinationen von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– Spannungsdifferenzen zwischen Teilbatterien 1, 2, 24 ausgleichen oder bestimmte Teilbatterien 1, 2, 24 gezielt zu unterschiedlichen vorgegebenen Spannungen regeln. Entsprechend können über Stromsensoren 21, die ein- und ausfließende Ströme messen, Ladungsbilanzen für entsprechende Teilbatterien 1, 2, 24 ermittelt werden, und Ladungsunterschiede über die Wahl der Umschaltzeitpunkte der Verbindung der entsprechenden Paare Ausgangsklemmen 4, 5 mit unterschiedlichen Kombinationen von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– gezielt ausgleichen oder gezielt herstellen. Es können jedoch auch andere Zustandsgrößen der Teilbatterien 1, 2, 24 ausgeglichen werden, wozu weitere Sensoren notwendig sind. Nicht gezeigt sind beispielsweise Temperatursensoren, die auch Temperaturdifferenzen der Teilbatterien 1, 2, 24 ausgleichen lassen.
Wie erwähnt können erfindungsgemäß mehrere oder jeder Batterieabgriff 7, 8+, 8– einen Spannungssensor 17 aufweisen, jedoch erlaubt das erfindungsgemäße mindestens eine Schaltelement 6 mit lediglich einem Spannungssensor 17 die Spannung aller Teilbatterien 7, 8+, 8– zu ermitteln, indem der mindestens eine elektrische Schalter 6 neben der Umschaltung der entsprechenden Paare Ausgangsklemmen 4, 5 zwischen unterschiedlichen Kombinationen von Paaren von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– die Funktion eines Messmultiplexers übernimmt und den Spannungssensor 17 abwechselnd mit unterschiedlichen Kombinationen von Paaren von Batterieabgriffen 7, 8+, 8– verbindet. Gleiches gilt für einen Stromsensor 21.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem 10 und die erfindungsgemäße Regelung bzw. Steuerung 30 erlauben eine kleine Elektronik (geringer Bauraum, kleines Volumen, geringes Gewicht) im Vergleich zu konventionellen Gleichspannungswandlern sowie eine hohe Lastdynamik im Vergleich zu konventionellen Gleichspannungswandlern, die üblicherweise eine sehr begrenzte Regelgeschwindigkeit aufweisen. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Batteriesystem und die erfindungsgemäße Regelung bzw. Steuerung eine hohe Zuverlässigkeit aufgrund weniger Teile, die zudem redundant ausgelegt werden können auf.
Die Erfindung ist nicht auf Kraftfahrzeuge beschränkt, sondern bezieht sich auf sämtliche Anwendungsgebieten von Batterien und von anderen Gleichstromspannungsquellen und Gleichstromspannungsspeichern, die entweder in Teilbatterien zergliedert oder von denen mehrere zu einer größeren Einheit kombiniert werden können.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann die Erfindung ferner mit anderen elektronischen Schaltungen kombiniert sowie um weitere elektrische Schaltelemente ergänzt werden.
Alle exakten Spannungswerte dienen lediglich zur Verdeutlichung der Konzepte sowie einiger Ausführungsformen und schränken nicht die Erfindung ein.
Ferner dienen die beschriebenen Ausführungsformen lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt. Der Umfang der Erfindung wird durch die nachfolgenden Ansprüche gegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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US 2012/0007557 [0016]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Batteriesystem (10) zum Bereitstellen mehrerer Spannungsniveaus für eine entsprechende Mehrzahl an Lastabnehmern mit mindestens einer Batterie (9), die eine Mehrzahl von Teilbatterien (1, 2, 24, n) aufweist, einer Regel- bzw. Steuereinheit (12) und einer Schalteinheit (3) mit mindestens einem Schaltelement (6), wobei die Regel- bzw. Steuereinheit (12) dazu konfiguriert ist, die Schalteinheit (3) anzuweisen, das mindestens eine Schaltelement (6) zeitlich dynamisch so zu schalten, dass Teilbatterien (1, 2, 24, n) aus mindestens einer entsprechend dynamisch wechselnden Untermenge der Mehrzahl von Teilbatterien (1, 2, 24, n) verschaltet werden, und dadurch für die Mehrzahl an Lastabnehmern ein jeweils bereitzustellendes Spannungsniveau bereitgestellt wird.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, bei dem die jeweiligen Teilbatterien (1, 2, 24, n) durch Verwirklichung mindestens eines vorgegebenen Regelziels gezielt zu belasten sind.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem für jeden der Mehrzahl an Lastabnehmern ein unterschiedliches Spannungsniveau bereitzustellen ist, für das der jeweilige Lastabnehmer ausgelegt und konfiguriert ist.
Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Batterie (9) und/oder die Mehrzahl von Teilbatterien (1, 2, 24, n) mindestens einen zusätzlichen Batterieabgriff (7) aufweist, der zwischen einem positiven Pol (8+) und einem negativen Pol (8–) der Batterie (9) und/oder der jeweiligen Teilbatterie (1, 2, 24, n) angeordnet ist und mit anderen zusätzlichen Batterieabgriffen (7) kombinierbar ist und mit dem eine Teilspannung bereitstellbar ist, die unterschiedlich von der Gesamtspannung der Batterie (9) ist, die zwischen dem positiven Pol (8+) und dem negativen Pol (8–) bereitstellbar ist, wobei der positive Pol (8+) und der negative Pol (8–) selbst jeweils einen Batterieabgriff bilden, so dass die Batterie (9) mindestens drei Batterieabgriffe (7, 8+, 8–) aufweist.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 4, bei dem die Regel- bzw. Steuereinheit (12) dazu konfiguriert ist, die Schalteinheit (3) anzuweisen, die Schaltelemente (6) zu schalten und dadurch so zwischen den Batterieabgriffen (7, 8+, 8–) hin und her zu schalten, dass die Mehrzahl von Teilbatterien (1, 2, 24, n) gezielt belastet sind.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 5, das zu mindestens einem Paar Ausgangsklemmen (4) zwischen dem positiven Pol (8+) und dem negativen Pol (8–) der Batterie (9) mindestens ein zusätzliches Paar Ausgangsklemmen (5) aufweist, das eine Spannung bereitstellt, die mindestens zeitweise unterschiedlich von der Gesamtspannung der Batterie (9) ist, die zwischen dem positiven Pol (8+) und dem negativen Pol (8–) bereitstellbar ist.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 6, bei dem mindestens ein Paar Ausgangsklemmen (4, 5, 5-1, 5-2) mindestens ein Schaltelement (6) aufweist, das entsprechend seiner Schaltrichtung das mindestens eine Paar Ausgangsklemmen (4, 5, 5-1, 5-2) abwechselnd mit mindestens zwei unterschiedlichen Kombinationen der Batterieabgriffe (7, 8+, 8–) elektrisch verbindet bzw. trennt.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 7, bei dem die Regel- bzw. Steuereinheit (12) dazu konfiguriert ist, die Schalteinheit (3) anzuweisen, das mindestens eine Schaltelement (6) so zu schalten, dass mindestens ein Paar Ausgangsklemmen (4, 5, 5-1, 5-2) mit mindestens zwei nicht identischen Paaren Batterieabgriffen (7, 8+, 8–) elektrisch verbunden bzw. getrennt ist.
Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem mindestens zwei zusätzliche unterschiedliche Paare Ausgangsklemmen (5, 5-1, 5-2) mit einer zugehörigen nicht identischen Menge von Paaren Batterieabgriffen (7, 8+, 8–) über das mindestens eine Schaltelement (6) miteinander verbunden werden.
Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, das dazu konfiguriert ist, mindestens einem Paar Ausgangsklemmen (4, 5, 5-1, 5-2) mehrere Spannungsniveaus bereitzustellen, zwischen denen zeitweise gewechselt werden kann.
Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das mindestens eine Schaltelement (6) ein Halbleiterschaltelement oder ein gleichrichtendes Element (14) ist.
Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei dem die Batterieabgriffe (7, 8+, 8–) die Batterie (9) so untergliedern, dass jede Teilbatterie (1, 2, 24, n) gleich oft von unterschiedlichen Paaren von Batterieabgriffen (7, 8+, 8–) umschlossen wird.
Batteriesystem (10) nach Anspruch einem der Ansprüche 4 bis 12, bei dem die Regel- bzw. Steuereinheit (12) dazu konfiguriert ist, die Schalteinheit (3) anzuweisen, zwischen verschiedenen Kombinationen von Batterieabgriffen (7, 8+, 8–) mit einer Umschaltrate von weniger als 100 Hertz (Hz) umzuschalten.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 13, bei dem die Regel- bzw. Steuereinheit (12) dazu konfiguriert ist, die Schalteinheit (3) anzuweisen, zwischen verschiedenen Kombinationen von Batterieabgriffen (7, 8+, 8–) mit einer Umschaltrate von weniger als 1 Hertz (Hz) umzuschalten.
Batteriesystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, das weitere elektrische und/oder elektronische Elemente und/oder Baugruppen (13, 16, 19, 20, 22, 23) aufweist, die Stromfluss und/oder bereitgestellte Spannung beeinflussen.
Batteriesteuerung (30) zum Steuern einer Verbindung zwischen mindestens einem Paar Ausgangsklemmen (4, 5, 5-1, 5-2) mit mindestens einem Paar Batterieabgriffen (7, 8+, 8–), die mindestens eine Regel- bzw. Steuereinheit (12) mit mindestens einem Regler (25) aufweist und die die von dem mindestens einen Paar Ausgangsklemmen (4, 5, 5-1, 5-2) bereitzustellende Spannung durch eine gewichtete Linearkombination der Spannungen der Paare von Batterieabgriffen (7, 8+, 8–), zwischen denen die Batteriesteuerung (30) zeitlich dynamisch wechselt, approximiert und die eine zeitliche Verweildauer (36) von Schaltelementen (6) in einer Stellung zum Verbinden des mindestens einen Paars Ausgangsklemmen (4, 5, 5-1, 5-2) mit den Batterieabgriffen (7, 8+, 8–) steuert.
Batteriesteuerung (30) nach Anspruch 16, die als Gewichtungsfaktor (m_ij) einen Anteil der zeitlichen Verweildauer (36) in der jeweiligen Schaltkombination der Paare Batterieabgriffe (7, 8+, 8–) zwischen einem Paar Ausgangsklemmen (4, 5) und den zugehörigen Paaren Batterieabgriffen (7, 8+, 8–) verwendet.
Batteriesteuerung (30) nach Anspruch 16 oder 17, die bei Vorliegen einer unterbestimmten Linearkombination eine weitere Nebenbedingung optimiert bzw. mindestens ein weiteres Regelziel erfüllt.