DE102019205399A1 - Method for operating a battery system, battery system for an electric vehicle and electric vehicle - Google Patents

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Olivier Cois
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (10), insbesondere für ein Elektrofahrzeug, umfassend mindestens einen Batteriestrang (7), welcher eine Gesamtzahl von seriell verschaltbaren Batteriezellen (2) aufweist, wobei jeder der Batteriezellen (2) eine Schalteinheit (60) zugeordnet ist, mittels welcher die Batteriezelle (2) zuschaltbar sowie abschaltbar ist. Dabei wird beim Entladen des Batteriestrangs (7) eine erste Anzahl an Batteriezellen (2) zugeschaltet, und beim Laden des Batteriestrangs (7) wird eine zweite Anzahl an Batteriezellen (2) zugeschaltet, welche kleiner als die erste Anzahl an Batteriezellen (2) ist, wobei mindestens eine der Batteriezellen (2) abgeschaltet wird. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriesystem (10) für ein Elektrofahrzeug, umfassend mindestens einen Batteriestrang (7), welcher eine Gesamtzahl von seriell verschaltbaren Batteriezellen (2) aufweist, wobei jeder der Batteriezellen (2) eine Schalteinheit (60) zugeordnet ist, mittels welcher die Batteriezelle (2) zuschaltbar sowie abschaltbar ist, wobei das Batteriesystem (10) zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Elektrofahrzeug, umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Batteriesystem (10), welches mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.The invention relates to a method for operating a battery system (10), in particular for an electric vehicle, comprising at least one battery string (7) which has a total number of battery cells (2) that can be connected in series, each of the battery cells (2) having a switching unit (60) is assigned, by means of which the battery cell (2) can be switched on and off. When the battery string (7) is discharged, a first number of battery cells (2) is switched on, and when the battery string (7) is charged, a second number of battery cells (2) is switched on, which is smaller than the first number of battery cells (2) , wherein at least one of the battery cells (2) is switched off. The invention also relates to a battery system (10) for an electric vehicle, comprising at least one battery string (7) which has a total number of serially interconnectable battery cells (2), each of the battery cells (2) being assigned a switching unit (60) by means of which the battery cell (2) can be switched on and off, the battery system (10) being set up to carry out the method according to the invention. The invention also relates to an electric vehicle, comprising at least one battery system (10) according to the invention, which is operated with a method according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, das mindestens einen Batteriestrang, welcher eine Gesamtzahl von seriell verschaltbaren Batteriezellen aufweist, wobei jeder der Batteriezellen eine Schalteinheit zugeordnet ist, mittels welcher die Batteriezelle zuschaltbar sowie abschaltbar ist, umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug, welches zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, und ein Elektrofahrzeug, welches ein entsprechendes Batteriesystem aufweist.The invention relates to a method for operating a battery system, in particular for an electric vehicle, which comprises at least one battery string which has a total number of serially interconnectable battery cells, each of the battery cells being assigned a switching unit by means of which the battery cell can be switched on and off. The invention further relates to a battery system for an electric vehicle, which is set up to carry out the method according to the invention, and an electric vehicle which has a corresponding battery system.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an welche hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer gestellt werden. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Batteriezellen. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.It is becoming apparent that in the future, especially in electric vehicles, more and more battery systems will be used, which are subject to high requirements in terms of reliability, performance, safety and service life. Battery systems with lithium-ion battery cells are particularly suitable for such applications. These are characterized, among other things, by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge.

Eine Batteriezelle weist eine mit einem negativen Terminal verbundene Anode und eine mit einem positiven Terminal verbundene Kathode auf. Mehrere derartige Batteriezellen können elektrisch seriell verschaltet und zu Batteriesträngen verbunden werden. Mehrere solche Batteriestränge können parallel zu einem Batteriesystem miteinander verschaltet werden. Ein solches Batteriesystem findet insbesondere Verwendung zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs.A battery cell has an anode connected to a negative terminal and a cathode connected to a positive terminal. Several such battery cells can be connected electrically in series and connected to form battery strings. Several such battery strings can be interconnected in parallel to form a battery system. Such a battery system is used, in particular, to drive an electric vehicle.

Die von einem Batteriestrang gelieferte Strangspannung entspricht dabei der Summe der Zellenspannungen der seriell verschalteten Batteriezellen. Die Zellenspannung einer Batteriezelle ist nicht konstant sondern ist von mehreren Einflussfaktoren abhängig. Beispielsweise liegt die Zellenspannung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle mit NCM-Legierung, also einer Legierung aus Nickel, Cobald und Mangan, in der Kathode und mit Graphit in der Anode je nach Ladezustand sowie Gesundheitszustand in einem Bereich zwischen 2,8 V und 4,25 V. Bei einer Serienschaltung aus einer konstanten Gesamtzahl von Batteriezellen können sich somit, je nach Zustand der Batteriezellen verschiedene Strangspannungen des Batteriestrangs einstellen.The string voltage supplied by a battery string corresponds to the sum of the cell voltages of the serially connected battery cells. The cell voltage of a battery cell is not constant but depends on several influencing factors. For example, the cell voltage of a lithium-ion battery cell with NCM alloy, i.e. an alloy of nickel, cobalt and manganese, in the cathode and with graphite in the anode, depending on the state of charge and health, is in a range between 2.8 V and 4, 25 V. With a series connection of a constant total number of battery cells, different string voltages of the battery string can arise depending on the state of the battery cells.

Aus dem Dokument JP 2013-090525 ist eine Batterie für ein Elektrofahrzeug bekannt. Die Batterie umfasst mehrere parallel verschaltete Batteriestränge. Jeder der Batteriestränge umfasst mehrere seriell verschaltbare Batteriezellen. Jeder der Batteriezellen ist eine Schalteinheit zugeordnet, mittels welcher die Batteriezelle zuschaltbar sowie abschaltbar ist. Durch Abschalten, beziehungsweise Überbrücken, einer der Batteriezellen kann die Strangspannung reduziert werden.From the document JP 2013-090525 a battery for an electric vehicle is known. The battery comprises several battery strings connected in parallel. Each of the battery strings comprises several battery cells that can be connected in series. Each of the battery cells is assigned a switching unit by means of which the battery cell can be switched on and off. The string voltage can be reduced by switching off or bridging one of the battery cells.

Das Dokument WO 2012/172035 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie, welche mehrere seriell verschaltbare Batteriezellen aufweist. Jeder der Batteriezellen ist eine Schalteinheit zugeordnet, mittels welcher die Batteriezelle zuschaltbar sowie abschaltbar ist. Während des Ladens sowie während des Entladens der Batterie werden jeweils diejenigen Batteriezellen abgeschaltet, deren Spannung einen definierten Schwellenwert erreichen.The document WO 2012/172035 A1 discloses a method for operating a battery which has a plurality of battery cells which can be connected in series. Each of the battery cells is assigned a switching unit by means of which the battery cell can be switched on and off. During the charging as well as during the discharging of the battery, those battery cells are switched off, the voltage of which reaches a defined threshold value.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems vorgeschlagen, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst mindestens einen Batteriestrang, welcher eine Gesamtzahl von elektrisch seriell verschaltbaren Batteriezellen aufweist. Das Batteriesystem kann auch mehrere Batteriestränge umfassen, welche insbesondere elektrisch parallel verschaltet sind.A method for operating a battery system is proposed, in particular for an electric vehicle. The battery system comprises at least one battery string which has a total number of battery cells that can be electrically connected in series. The battery system can also comprise several battery strings, which are in particular connected electrically in parallel.

Dabei ist jeder der Batteriezellen des mindestens einen Batteriestrangs eine Schalteinheit zugeordnet, mittels welcher die Batteriezelle zuschaltbar sowie abschaltbar ist. Eine Batteriezelle ist zugeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen elektrisch seriell verschaltet ist. Eine Batteriezelle ist abgeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen nicht elektrisch seriell verschaltet sondern überbrückt ist.Each of the battery cells of the at least one battery string is assigned a switching unit, by means of which the battery cell can be switched on and off. A battery cell is connected when it is electrically connected in series with other battery cells. A battery cell is switched off if it is not connected electrically in series with other battery cells but is bridged.

Die von dem Batteriestrang gelieferte Strangspannung entspricht der Summe der Zellenspannungen der jeweils seriell verschalteten Batteriezellen. Bei veränderlichen Zellenspannungen der Batteriezellen des Batteriestrangs kann somit durch Zuschalten sowie durch Abschalten von einer oder mehreren Batteriezellen eine gewünschte Strangspannung in bestimmten Grenzen eingestellt werden.The string voltage supplied by the battery string corresponds to the sum of the cell voltages of the battery cells connected in series. In the case of variable cell voltages of the battery cells of the battery string, a desired string voltage can thus be set within certain limits by connecting and disconnecting one or more battery cells.

Erfindungsgemäß wird beim Entladen des Batteriestrangs eine erste Anzahl an Batteriezellen zugeschaltet. Beim Entladen des Batteriestrangs ist somit die erste Anzahl an Batteriezellen elektrisch seriell verschaltet. Die erste Anzahl an Batteriezellen ist dabei kleiner oder gleich der Gesamtzahl an Batteriezellen, welche der Batteriestrang aufweist.According to the invention, a first number of battery cells is switched on when the battery string is discharged. When the battery string is discharged, the first number of battery cells is electrically connected in series. The first number of battery cells is less than or equal to the total number of battery cells that the battery string has.

Erfindungsgemäß wird ferner beim Laden des Batteriestrangs eine zweite Anzahl an Batteriezellen zugeschaltet. Beim Laden des Batteriestrangs ist somit die zweite Anzahl an Batteriezellen elektrisch seriell verschaltet. Die zweite Anzahl an Batteriezellen ist dabei kleiner als die erste Anzahl an Batteriezellen. Somit wird beim Laden des Batteriestrangs mindestens eine der Batteriezellen des Batteriestrangs abgeschaltet.According to the invention, a second number of battery cells is also switched on when the battery string is being charged. When charging the battery string, the second number of battery cells is thus connected electrically in series. The second number of battery cells is smaller than the first number of battery cells. Thus, when loading the Battery string switched off at least one of the battery cells of the battery string.

Das Batteriesystem wird also erfindungsgemäß derart betrieben, dass beim Entladen des mindestens einen Batteriestrangs stets mehr Batteriezellen elektrisch seriell verschaltet sind als beim Laden des mindestens einen Batteriestrangs. Somit kann beim Laden des Batteriestrangs die Strangspannung geringer sein als beim Entladen.The battery system is therefore operated according to the invention in such a way that when the at least one battery string is discharged, more battery cells are always connected electrically in series than when the at least one battery string is being charged. Thus, when charging the battery string, the string voltage can be lower than when discharging.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird beim Entladen des Batteriestrangs die Gesamtzahl an Batteriezellen zugeschaltet. In diesem Fall entspricht also die erste Anzahl an Batteriezellen der Gesamtzahl an Batteriezellen. Bei Entladen des Batteriestrangs sind somit alle Batteriezellen elektrisch seriell verschaltet.According to a preferred embodiment of the invention, the total number of battery cells is switched on when the battery string is discharged. In this case, the first number of battery cells corresponds to the total number of battery cells. When the battery string is discharged, all battery cells are thus connected electrically in series.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird beim Laden des Batteriestrangs genau eine Batteriezelle abgeschaltet. In diesem Fall ist also die zweite Anzahl an Batteriezellen um genau eins kleiner als die Gesamtzahl an Batteriezellen. Bei Laden des Batteriestrangs sind somit alle Batteriezellen bis auf eine elektrisch seriell verschaltet.According to an advantageous embodiment of the invention, exactly one battery cell is switched off when the battery string is being charged. In this case, the second number of battery cells is exactly one less than the total number of battery cells. When charging the battery string, all battery cells except for one are electrically connected in series.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird beim Laden des Batteriestrangs mehr als eine Batteriezelle abgeschaltet. In diesem Fall ist also die zweite Anzahl an Batteriezellen um mindestens zwei kleiner als die Gesamtzahl an Batteriezellen. Bei Laden des Batteriestrangs sind somit alle Batteriezellen bis auf zwei oder noch weniger Batteriezellen elektrisch seriell verschaltet.According to another advantageous embodiment of the invention, more than one battery cell is switched off when charging the battery string. In this case, the second number of battery cells is at least two smaller than the total number of battery cells. When the battery string is being charged, all battery cells except for two or even fewer battery cells are electrically connected in series.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die mindestens eine Batteriezelle, welche beim Laden des Batteriestrangs abgeschaltet wird, aufgrund von Ladezuständen und/oder Gesundheitszuständen der Gesamtzahl der Batteriezellen bestimmt. Es werden also von allen Batteriezellen des Batteriestrangs die Ladezustände sowie die Gesundheitszustände ermittelt. Aus den so ermittelten Ladezuständen und Gesundheitszuständen wird dann bestimmt, welche der Batteriezellen beim Laden des Batteriestrangs abgeschaltet wird.According to an advantageous embodiment of the invention, the at least one battery cell which is switched off when the battery string is being charged is determined on the basis of the states of charge and / or states of health of the total number of battery cells. The state of charge and health of all battery cells in the battery string are determined. The charge states and health states determined in this way are then used to determine which of the battery cells is switched off when the battery string is being charged.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird beim Laden des Batteriestrangs die mindestens eine Batteriezelle abgeschaltet, welche den höchsten Ladezustand der Gesamtzahl der Batteriezellen aufweist. Es werden also von allen Batteriezellen des Batteriestrangs die Ladezustände ermittelt. Diejenige Batteriezelle mit dem höchsten Ladezustand wird dann beim Laden des Batteriestrangs abgeschaltet. Dadurch wird sichergestellt, dass nach vielen Ladevorgängen des Batteriestrangs alle Batteriezellen annähernd gleichmäßig geladen sind.According to another advantageous embodiment of the invention, when charging the battery string, the at least one battery cell which has the highest state of charge of the total number of battery cells is switched off. The charge states of all battery cells in the battery string are determined. The battery cell with the highest state of charge is then switched off when the battery string is charged. This ensures that after the battery string has been charged many times, all battery cells are charged almost equally.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die mindestens eine Batteriezelle, welche beim Laden des Batteriestrangs abgeschaltet wird, reihum aus der Gesamtzahl der Batteriezellen bestimmt. Es wird also bei jedem Ladevorgang eine andere Batteriezelle abgeschaltet. Dabei wird sichergestellt, dass nach vielen Ladevorgängen des Batteriestrangs jede der Batteriezellen annähernd gleich oft abgeschaltet wird. Für das Abschalten kann eine bestimmte Reihenfolge der Batteriezellen vorgegeben sein.According to a further advantageous embodiment of the invention, the at least one battery cell which is switched off when the battery string is being charged is determined in turn from the total number of battery cells. So a different battery cell is switched off with each charging process. This ensures that after many charging processes of the battery string, each of the battery cells is switched off almost as often. A certain sequence of the battery cells can be specified for switching off.

Bevorzugt weist der mindestens eine Batteriestrang des Batteriesystems ein Batteriesteuergerät auf. Dabei werden die den Batteriezellen zugeordneten Schalteinheiten des mindestens einen Batteriestrangs von dem Batteriesteuergerät angesteuert.The at least one battery string of the battery system preferably has a battery control device. The switching units of the at least one battery string assigned to the battery cells are activated by the battery control device.

Es wird auch ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst mindestens einen Batteriestrang, welcher eine Gesamtzahl von elektrisch seriell verschaltbaren Batteriezellen aufweist. Das Batteriesystem kann auch mehrere Batteriestränge umfassen, welche insbesondere elektrisch parallel verschaltet sind.A battery system for an electric vehicle is also proposed. The battery system comprises at least one battery string which has a total number of battery cells that can be electrically connected in series. The battery system can also comprise several battery strings, which are in particular connected electrically in parallel.

Dabei ist jeder der Batteriezellen des mindestens einen Batteriestrangs eine Schalteinheit zugeordnet, mittels welcher die Batteriezelle zuschaltbar sowie abschaltbar ist. Eine Batteriezelle ist zugeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen elektrisch seriell verschaltet ist. Eine Batteriezelle ist abgeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen nicht elektrisch seriell verschaltet sondern überbrückt ist.Each of the battery cells of the at least one battery string is assigned a switching unit, by means of which the battery cell can be switched on and off. A battery cell is connected when it is electrically connected in series with other battery cells. A battery cell is switched off if it is not connected electrically in series with other battery cells but is bridged.

Die von dem Batteriestrang gelieferte Strangspannung entspricht der Summe der Zellenspannungen der jeweils seriell verschalteten Batteriezellen. Bei veränderlichen Zellenspannungen der Batteriezellen des Batteriestrangs kann somit durch Zuschalten sowie durch Abschalten von einer oder mehreren Batteriezellen eine gewünschte Strangspannung in bestimmten Grenzen eingestellt werden.The string voltage supplied by the battery string corresponds to the sum of the cell voltages of the battery cells connected in series. In the case of variable cell voltages of the battery cells of the battery string, a desired string voltage can thus be set within certain limits by connecting and disconnecting one or more battery cells.

Der mindestens eine Batteriestrang des Batteriesystems weist beispielsweise ein Batteriesteuergerät auf. Das Batteriesteuergerät dient insbesondere zum Überwachen der Batteriezellen und zum Ansteuern der Schalteinheiten des mindestens einen Batteriestrangs.The at least one battery string of the battery system has a battery control device, for example. The battery control device is used in particular to monitor the battery cells and to control the switching units of the at least one battery string.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist dabei zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Dazu weist das Batteriesteuergerät des mindestens einen Batteriestrangs beispielsweise entsprechende Hardware in Form eines Mikroprozessors und Speicher, sowie entsprechenden Programmcode auf.The battery system according to the invention is set up to carry out the method according to the invention. For this purpose, the battery control device of the at least one battery string has, for example, corresponding hardware in the form of a microprocessor and memory, as well as corresponding program code.

Es wird auch ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen, das ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.An electric vehicle is also proposed which comprises a battery system according to the invention, which is operated with the method according to the invention.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet, in verschiedenen Betriebsbedingungen des Batteriesystems jeweils eine angemessene Anzahl von Batteriezellen innerhalb des Batteriestrangs elektrisch seriell zu verschalten. Die angemessene Anzahl von Batteriezellen kann insbesondere anhand der benötigten Leistung ausgewählt werden. Verschiedene Anforderungen an die benötigte Leistung können daher mit einem Batteriesystem mit nur einer Art von Batteriezellen erfüllt werden, indem Batteriezellen zugeschaltet, beziehungsweise abgeschaltet werden. Während eine Batteriezelle beim Laden des Batteriestrangs abgeschaltet ist fließt kein Strom durch die abgeschaltete Batteriezelle. Somit können während dieser Zeit vorteilhaft spezielle Funktionen ausgeführt werden. Beispielsweise ist eine Diagnose der Batteriezelle möglich. Ferner kann eine aktive und präzise Messung des Gesundheitszustands sowie des Ladezustands der Batteriezelle durchgeführt werden.The method according to the invention allows an appropriate number of battery cells to be electrically connected in series within the battery string in different operating conditions of the battery system. The appropriate number of battery cells can be selected in particular on the basis of the required power. Various requirements for the required power can therefore be met with a battery system with only one type of battery cells by connecting or disconnecting battery cells. While a battery cell is switched off when charging the battery string, no current flows through the switched off battery cell. Special functions can thus advantageously be carried out during this time. For example, a diagnosis of the battery cell is possible. Furthermore, an active and precise measurement of the state of health and the state of charge of the battery cell can be carried out.

Bei veränderlichen Zellenspannungen der Batteriezellen des Batteriestrangs kann vorteilhaft durch Zuschalten sowie durch Abschalten von einer oder mehreren Batteriezellen eine gewünschte Strangspannung in bestimmten Grenzen eingestellt werden. Dies wird anhand eines Zahlenbeispiels näher erläutert. Die Zellenspannung einer Batteriezelle liegt beispielswiese in einem Bereich zwischen 2,8V und 4,25V. Die Nennspannung des Batteriesystems beträgt 48V. Die von dem Batteriestrang gelieferte Strangspannung darf zwischen 36V und 54V liegen. Steckverbinder und Sicherungen verursachen beispielsweis einen Spannungsabfall von IV.In the case of variable cell voltages of the battery cells of the battery string, a desired string voltage can advantageously be set within certain limits by connecting and disconnecting one or more battery cells. This is explained in more detail using a numerical example. The cell voltage of a battery cell is, for example, in a range between 2.8V and 4.25V. The nominal voltage of the battery system is 48V. The string voltage supplied by the battery string may be between 36V and 54V. For example, connectors and fuses cause a voltage drop of IV.

Beim Entladen des Batteriestrangs bis zu der unteren Spannungsgrenze der Batteriezellen und bis zu der unteren Spannungsgrenze des Batteriestrangs ergibt sich somit die optimale Anzahl der seriell zu verschaltenden Batteriezellen zu: ( 36 V + 1 V ) / 2,8    =    13,2    ~    13

Figure DE102019205399A1_0001
When the battery string is discharged to the lower voltage limit of the battery cells and up to the lower voltage limit of the battery string, the optimum number of battery cells to be connected in series is: ( 36 V + 1 V ) / 2.8 = 13.2 ~ 13
Figure DE102019205399A1_0001

Beim Laden des Batteriestrangs bis zu der oberen Spannungsgrenze der Batteriezellen und bis zu der oberen Spannungsgrenze des Batteriestrangs ergibt sich somit die optimale Anzahl der seriell zu verschaltenden Batteriezellen zu: ( 54 V − 1 V ) / 4,25 V   =    12,4    ~    12

Figure DE102019205399A1_0002
When charging the battery string up to the upper voltage limit of the battery cells and up to the upper voltage limit of the battery string, the optimum number of battery cells to be connected in series is: ( 54 V - 1 V ) / 4.25 V = 12.4 ~ 12
Figure DE102019205399A1_0002

Im vorliegenden Beispiel gestattet das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere, beim Entladen des Batteriestrangs 13 Batteriezellen seriell zu verschalten, und beim Laden des Batteriestrangs nur 12 Batteriezellen seriell zu verschalten.In the present example, the method according to the invention allows in particular when discharging the battery string 13 To connect battery cells in series, and to connect only 12 battery cells in series when charging the battery string.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit mehreren Batteriesträngen
  • 2 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit mit einer abgeschalteten Batteriezelle und
  • 3 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit mit einer zugeschalteten Batteriezelle.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a battery system with several battery strings
  • 2 a schematic representation of a cell unit with a disconnected battery cell and
  • 3 a schematic representation of a cell unit with a connected battery cell.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 10 mit mehreren, vorliegend zwei, Batteriesträngen 7. Selbstverständlich kann das Batteriesystem 10 auch nur einen Batteriestrang 7 oder mehr als zwei Batteriestränge 7 umfassen. Die Batteriestränge 7 des Batteriesystems 10 sind vorliegend elektrisch parallel verschaltet. 1 shows a schematic representation of a battery system 10 with several, in this case two, battery strings 7th . Of course, the battery system can 10 even just one battery string 7th or more than two battery strings 7th include. The battery strings 7th of the battery system 10 are electrically connected in parallel here.

Die Nennspannung des Batteriesystems 10 beträgt beispielsweise 48V. Das Batteriesystem 10 weist einen negativen Pol 21 und einen positiven Pol 22 auf. Zwischen den Polen 21, 22 liegt eine Systemspannung an. Die Systemspannung entspricht annähernd der Nennspannung und liegt in einem Bereich zwischen 36V und 54V.The nominal voltage of the battery system 10 is for example 48V. The battery system 10 has a negative pole 21st and a positive pole 22nd on. Between the poles 21st , 22nd system voltage is present. The system voltage corresponds approximately to the nominal voltage and lies in a range between 36V and 54V.

Jeder der Batteriestränge 7 weist eine Gesamtzahl von elektrisch seriell verschaltbaren Batteriezellen 2 auf. Jede der Batteriezellen 2 liefert eine Zellenspannung. Eine von dem Batteriestrang 7 gelieferte Strangspannung entspricht der Summe der Zellenspannungen der jeweils seriell verschalteten Batteriezellen 2.Each of the battery strings 7th has a total number of battery cells that can be electrically connected in series 2 on. Each of the battery cells 2 provides a cell voltage. One from the battery string 7th The string voltage supplied corresponds to the sum of the cell voltages of the battery cells connected in series 2 .

Die Batteriestränge 7 des Batteriesystems 10 sind, wie bereits erwähnt, elektrisch parallel verschaltet und mit dem negativen Pol 21 sowie mit dem positiven Pol 22 elektrisch verbunden. Somit sind die Strangspannungen der Batteriestränge 7 gleich und entsprechen der Systemspannung des Batteriesystems 10.The battery strings 7th of the battery system 10 are, as already mentioned, connected electrically in parallel and with the negative pole 21st as well as with the positive pole 22nd electrically connected. So they are String voltages of the battery strings 7th equal and correspond to the system voltage of the battery system 10 .

Jeder der Batteriezellen 2 eines Batteriestrangs 7 ist eine Schalteinheit 60 zugeordnet. Mittels der Schalteinheit 60 ist die betreffende Batteriezelle 2 zuschaltbar sowie abschaltbar. Eine Batteriezelle 2 ist zugeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen 2 des Batteriestrangs 7 elektrisch seriell verschaltet ist. Eine Batteriezelle 2 ist abgeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen 2 nicht elektrisch seriell verschaltet sondern überbrückt ist. Eine Batteriezelle 2 und die zugeordnete Schalteinheit 60 bilden eine Zelleinheit 30.Each of the battery cells 2 a battery string 7th is a switching unit 60 assigned. By means of the switching unit 60 is the battery cell in question 2 can be switched on and off. A battery cell 2 is switched on when using other battery cells 2 of the battery string 7th is electrically connected in series. A battery cell 2 is switched off when using other battery cells 2 is not electrically connected in series but bridged. A battery cell 2 and the associated switching unit 60 form a cell unit 30th .

Jeder der Batteriestränge 7 des Batteriesystems 10 weist ein hier nicht dargestelltes Batteriesteuergerät auf. Das Batteriesteuergerät dient insbesondere zum Überwachen der Batteriezellen 2. Mit Hilfe des Batteriesteuergeräts können eine Diagnose sowie eine Messung des Gesundheitszustands sowie des Ladezustands der Batteriezellen 2 durchgeführt werden. Das Batteriesteuergerät dient auch zum Ansteuern der Schalteinheiten 60 des Batteriestrangs 7. Mit Hilfe des Batteriesteuergeräts können somit die Batteriezellen 2 zugeschaltet sowie abgeschaltet werden.Each of the battery strings 7th of the battery system 10 has a battery control device, not shown here. The battery control device is used in particular to monitor the battery cells 2 . With the help of the battery control unit, a diagnosis and a measurement of the state of health and the state of charge of the battery cells can be performed 2 be performed. The battery control unit is also used to control the switching units 60 of the battery string 7th . With the help of the battery control unit, the battery cells 2 can be switched on and off.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 eines Batteriestrangs 7 mit einer abgeschalteten Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 weist ein negatives Terminal 15 und ein positives Terminal 16 auf. Die Batteriezelle 2 umfasst eine Elektrodeneinheit, welche eine Anode und eine Kathode aufweist. Die Anode ist dabei mit dem negativen Terminal 15 verbunden, und die Kathode ist mit dem positiven Terminal 16 verbunden. 2 shows a schematic representation of a cell unit 30th a battery string 7th with a switched off battery cell 2 . The battery cell 2 has a negative terminal 15th and a positive terminal 16 on. The battery cell 2 comprises an electrode unit which has an anode and a cathode. The anode is with the negative terminal 15th connected, and the cathode is to the positive terminal 16 connected.

Zwischen den beiden Terminals 15, 16 der Batteriezelle 2 liegt die Zellenspannung an. Die Zellenspannung der Batteriezelle 2 liegt beispielswiese in einem Bereich zwischen 2,8V und 4,25V. Die Zellenspannung ist von verschiedenen Zustandsgrößen der Batteriezelle 2 abhängig, insbesondere von dem Gesundheitszustand und von dem Ladezustand.Between the two terminals 15th , 16 the battery cell 2 the cell voltage is applied. The cell voltage of the battery cell 2 is, for example, in a range between 2.8V and 4.25V. The cell voltage is of different state variables of the battery cell 2 depending, in particular on the state of health and the state of charge.

Die Schalteinheit 60 weist einen ersten Schalter 61 und einen zweiten Schalter 62 auf. Der erste Schalter 61 ist elektrisch seriell zu der Batteriezelle 2 geschaltet. Der zweite Schalter 62 ist elektrisch parallel zu der Serienschaltung aus der Batteriezelle 2 und dem ersten Schalter 61 geschaltet. Bei den Schaltern 61, 62 handelt es sich beispielsweise um ansteuerbare Halbleiterschalter, insbesondere um MOSFET-Transistoren.The switching unit 60 has a first switch 61 and a second switch 62 on. The first switch 61 is electrically in series with the battery cell 2 switched. The second switch 62 is electrically parallel to the series circuit from the battery cell 2 and the first switch 61 switched. At the counters 61 , 62 it is, for example, controllable semiconductor switches, in particular MOSFET transistors.

Der erste Schalter 61 und der zweite Schalter 62 sind von dem hier nicht dargestellten Batteriesteuergerät ansteuerbar. Die beiden Schalter 61, 62 sind insbesondere derart ansteuerbar, dass genau einer der Schalter 61, 62 geöffnet ist, während der andere Schalter 61, 62 geschlossen ist. Es ist also nicht vorgesehen, dass beide Schalter 61, 62 gleichzeitig geöffnet oder gleichzeitig geschlossen sind.The first switch 61 and the second switch 62 can be controlled by the battery control unit, not shown here. The two switches 61 , 62 are in particular controllable in such a way that exactly one of the switches 61 , 62 is open while the other switch 61 , 62 closed is. So it is not intended that both switches 61 , 62 are open or closed at the same time.

In der hier gezeigten Darstellung ist der erste Schalter 61 geöffnet und der zweite Schalter 62 ist geschlossen. Die Batteriezelle 2 ist somit durch den zweiten Schalter 62 überbrückt. Die Batteriezelle 2 ist somit abgeschaltet. Die Zelleinheit 30 liefert somit keine Ausgangsspannung sondern stellt einen elektrischen Kurzschluss dar.In the illustration shown here is the first switch 61 opened and the second switch 62 is closed. The battery cell 2 is thus through the second switch 62 bridged. The battery cell 2 is thus switched off. The cell unit 30th therefore does not provide an output voltage but represents an electrical short circuit.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 eines Batteriestrangs 7 mit einer zugeschalteten Batteriezelle 2. Es handelt sich dabei um die in 2 gezeigte Zelleinheit 30, welche sich aber hier in einem anderen Schaltzustand befindet. 3 shows a schematic representation of a cell unit 30th a battery string 7th with a connected battery cell 2 . These are the in 2 cell unit shown 30th which, however, is in a different switching state here.

In der hier gezeigten Darstellung ist der erste Schalter 61 geschlossen und der zweite Schalter 62 ist geöffnet. Die Batteriezelle 2 ist somit nicht durch den zweiten Schalter 62 überbrückt. Die Batteriezelle 2 ist somit zugeschaltet. Die Zelleinheit 30 liefert eine Ausgangsspannung, welche der Zellenspannung der Batteriezelle 2 entspricht.In the illustration shown here is the first switch 61 closed and the second switch 62 is opened. The battery cell 2 is therefore not through the second switch 62 bridged. The battery cell 2 is thus switched on. The cell unit 30th provides an output voltage that corresponds to the cell voltage of the battery cell 2 corresponds.

Bei einer seriellen Verschaltung mehrerer Batteriezellen 2 in dem Batteriestrang 7 ist somit jeweils das negative Terminal 15 einer Batteriezelle 2 mit dem positiven Terminal 16 der benachbarten Batteriezelle 2 oder mit dem negativen Pol 21 des Batteriesystems 10 elektrisch verbunden. Ebenso ist das positive Terminal 16 einer Batteriezelle 2 mit dem negativen Terminal 15 der benachbarten Batteriezelle 2 oder mit dem positiven Pol 22 des Batteriesystems 10 elektrisch verbundenWith a serial connection of several battery cells 2 in the battery string 7th is therefore always the negative terminal 15th a battery cell 2 with the positive terminal 16 the neighboring battery cell 2 or with the negative pole 21st of the battery system 10 electrically connected. So is the positive terminal 16 a battery cell 2 with the negative terminal 15th the neighboring battery cell 2 or with the positive pole 22nd of the battery system 10 electrically connected

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible that are within the scope of expert knowledge.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • JP 2013090525 [0005]JP 2013090525 [0005]
  • WO 2012/172035 A1 [0006]WO 2012/172035 A1 [0006]

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (10), insbesondere für ein Elektrofahrzeug, umfassend mindestens einen Batteriestrang (7), welcher eine Gesamtzahl von seriell verschaltbaren Batteriezellen (2) aufweist, wobei jeder der Batteriezellen (2) eine Schalteinheit (60) zugeordnet ist, mittels welcher die Batteriezelle (2) zuschaltbar sowie abschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Entladen des Batteriestrangs (7) eine erste Anzahl an Batteriezellen (2) zugeschaltet wird, und dass beim Laden des Batteriestrangs (7) eine zweite Anzahl an Batteriezellen (2) zugeschaltet wird, welche kleiner als die erste Anzahl an Batteriezellen (2) ist, wobei mindestens eine der Batteriezellen (2) abgeschaltet wird.A method for operating a battery system (10), in particular for an electric vehicle, comprising at least one battery string (7) which has a total number of battery cells (2) which can be connected in series, each of the battery cells (2) being assigned a switching unit (60) by means of which the battery cell (2) can be switched on and off, characterized in that when the battery string (7) is discharged, a first number of battery cells (2) is switched on, and that when the battery string (7) is charged, a second number of battery cells (2) is switched on, which is smaller than the first number of battery cells (2), wherein at least one of the battery cells (2) is switched off. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Entladen des Batteriestrangs (7) die Gesamtzahl an Batteriezellen (2) zugeschaltet wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the total number of battery cells (2) is switched on when the battery string (7) is discharged. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laden des Batteriestrangs (7) genau eine Batteriezelle (2) abgeschaltet wird.Method according to one of the Claims 1 to 2 , characterized in that exactly one battery cell (2) is switched off when charging the battery string (7). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laden des Batteriestrangs (7) mehr als eine Batteriezelle (2) abgeschaltet wird.Method according to one of the Claims 1 to 2 , characterized in that more than one battery cell (2) is switched off when charging the battery string (7). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Batteriezelle (2), welche beim Laden des Batteriestrangs (7) abgeschaltet wird, aufgrund von Ladezuständen sowie Gesundheitszuständen der Gesamtzahl der Batteriezellen (2) bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one battery cell (2) which is switched off when charging the battery string (7) is determined on the basis of the states of charge and health of the total number of battery cells (2). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laden des Batteriestrangs (7) die mindestens eine Batteriezelle (2) abgeschaltet wird, welche den höchsten Ladezustand der Gesamtzahl der Batteriezellen (2) aufweist.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that when the battery string (7) is charged , the at least one battery cell (2) which has the highest state of charge of the total number of battery cells (2) is switched off. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Batteriezelle (2), welche beim Laden des Batteriestrangs (7) abgeschaltet wird, reihum aus der Gesamtzahl der Batteriezellen (2) bestimmt wird.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the at least one battery cell (2) which is switched off when charging the battery string (7) is determined in turn from the total number of battery cells (2). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Batteriezellen (2) zugeordneten Schalteinheiten (60) des mindestens einen Batteriestrangs (7) von einem Batteriesteuergerät angesteuert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the switching units (60) of the at least one battery string (7) assigned to the battery cells (2) are controlled by a battery control device. Batteriesystem (10) für ein Elektrofahrzeug, umfassend mindestens einen Batteriestrang (7), welcher eine Gesamtzahl von seriell verschaltbaren Batteriezellen (2) aufweist, wobei jeder der Batteriezellen (2) eine Schalteinheit (60) zugeordnet ist, mittels welcher die Batteriezelle (2) zuschaltbar sowie abschaltbar ist, wobei das Batteriesystem (10) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist.A battery system (10) for an electric vehicle, comprising at least one battery string (7) which has a total number of serially interconnectable battery cells (2), wherein Each of the battery cells (2) is assigned a switching unit (60) by means of which the battery cell (2) can be switched on and off, the battery system (10) being set up to carry out the method according to one of the preceding claims. Elektrofahrzeug, umfassend mindestens ein Batteriesystem (10) nach Anspruch 9, welches mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 betrieben wird.Electric vehicle comprising at least one battery system (10) according to Claim 9 , which with a method according to one of the Claims 1 to 8th is operated.
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