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Die Erfindung betrifft eine Batterieschaltung zum Einstellen von Ladungszuständen von Batterieelementen. Dazu umfasst die Batterieschaltung eine Mehrzahl an Batterieelementen sowie ein Betriebsnetzwerk und ein zu dem Betriebsnetzwerk verschiedenes Energieübertragungsnetzwerk, um die Batterieelemente elektrisch miteinander zu koppeln. Das Betriebsnetzwerk ist dabei ausgebildet, die Batterieelemente zum Laden durch eine bezüglich der Batterieschaltung externe Energiequelle oder Entladen durch einen bezüglich der Batterieschaltung externen Verbraucher elektrisch zu koppeln. Hingegen ist das Energieübertragungsnetzwerk ausgebildet, die Batterieelemente zum Einstellen ihrer Ladungszustände elektrisch zu koppeln. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Batterieschaltung.
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Eine derartige Batterieschaltung kann beispielsweise als Hochvoltspeichersystem eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Entsprechend können die Batterieelemente einzelne Batteriezellen oder einen Verbund von einzelnen Batteriezellen bilden. Als Hochvoltspeichersystem dient die Batterieschaltung zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs. Der elektrische Antrieb stellt somit ein Beispiel für den genannten externen Verbraucher dar. In der Regel sind die Batterieelemente wieder aufladbar ausgestaltet und sind als Akkumulatoren ausgebildet. Sie können somit durch Koppeln mit einer externen Energiequelle, wie beispielsweise einer Ladestation, wieder mit elektrischer Energie oder Ladung versorgt werden. Ein Wert, der die in einem Batterieelement aktuell gespeicherte elektrische Ladung oder Energie anzeigt, ist der Ladungszustand (State of charge - SOC).
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Häufig kommt es vor, dass die Ladungszustände von unterschiedlichen Batterieelementen voneinander abweichen, da es sich bei derartigen Batterieelementen bekanntermaßen um elektrochemische, insbesondere galvanische Zellen, die durch eine chemische Reaktion verschiedener Elektroden elektrische Energie bereitstellen oder speichern können, handelt. Sind Batterieelemente mit unterschiedlichen Ladungszuständen in einer Batterieschaltung miteinander verschaltet oder gekoppelt, kommt es zu Energieverlusten und/oder einer schnelleren Alterung der Batterieelemente. Dadurch kann zum Beispiel eine Reichweite des Kraftfahrzeugs mit elektrischem Antrieb, das eine entsprechende Batterieschaltung zur Energieversorgung nutzt, reduziert werden. Deshalb sind Schaltungen, wie das genannte Energieübertragungsnetzwerk (Balancingnetzwerk) vorgesehen, um die unterschiedlichen Ladungszustände von Batterieelementen in einer Batterieschaltung einzustellen oder auszugleichen. Dieser Vorgang wird auch als Balancing bezeichnet.
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Ein Beispiel für Balancing von Ladungszuständen ist in der
DE 10 2017 003 635 A1 gezeigt. Hier ist eine Serienschaltung von Batteriezellen, die über eine Ausgleichsschaltung, also ein Balancingnetzwerk, zum Ladungsausgleich angesteuert werden können, offenbart. Beim Balancing werden die Batteriezellen dabei alternierend, das heißt immer nacheinander mit einem Transfer oder Zwischenspeicher gekoppelt. Dieser kann die überschüssige Ladung einer Batteriezelle speichern und anschließend an eine andere Batteriezelle übertragen. Diese Art des Balancing ist jedoch schaltungstechnisch sehr aufwändig und ermöglicht in der Regel nur ein sehr langsames Balancing der Ladungszustände.
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Eine andere Möglichkeit zum Einstellen von Ladungszuständen ist aus der
DE 10 2018 000 581 A1 bekannt. Hier ist in einer ersten Methode ein Ladungsausgleich von in Serie oder Reihe geschalteten Batteriezellen über wenigstens einen Widerstand beschrieben. Diese Methode wird auch als passives Balancing bezeichnet, da die überschüssige elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Die zweite gezeigte Methode betrifft einen Ladungsausgleich der Batteriezellen, der direkt beim Laden oder Entladen der Batteriezellen über eine Energiequelle oder einen Verbraucher erfolgt. Die Batteriezellen sind dazu parallel zueinander geschaltet und jeder Batteriezelle ist ein DC/DC-Wandler vorgeschaltet, der durch eine passende Ansteuerung die Ladungsmenge von oder zu den Batteriezellen reguliert.
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Schließlich offenbart die
WO 2016/131773 A1 ein Verfahren zum Einstellen von Ladungszuständen von Batteriezellen, die elektrisch parallel geschaltet betrieben werden. Bei den Batteriezellen handelt es sich dabei um sogenannte intelligente Batteriezellen, wobei in jede Zelle ein Schalter integriert ist, um die Zellen bei Bedarf zu aktiveren oder zu deaktivieren. Diese Art des Balancing wird auch als aktives Balancing bezeichnet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterieschaltung zum Einstellen von Ladungszuständen von Batterieelementen bereitzustellen, die bei einem geringen Schaltungsaufwand das Einstellen der Ladungszustände kostengünstig und schnell ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüchen, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass zum Reduzieren des Schaltungsaufwands und zum kostengünstigen und schnellen Einstellen von Ladungszuständen von Batterieelementen einer Batterieschaltung zwei unabhängige Netzwerke zum Koppeln der Batterieelemente untereinander vorteilhaft sind. Jedes der Netzwerke ist dabei für einen vorbestimmten Betriebsmodus ausgelegt. Für einen Normalbetrieb der Batterieschaltung, das heißt zum Laden durch eine bezüglich der Batterieschaltung externe Energiequelle oder zum Entladen durch einen bezüglich der Batterieschaltung externen Verbraucher, ist das zuvor genannte Betriebsnetzwerk vorgesehen. Bevorzugt sind die Batterieelemente durch das Betriebsnetzwerk in Serie oder Reihe zueinander geschaltet. Hingegen ist für einem Balancingbetrieb, das heißt, zum Einstellen der Ladungszustände der Batterieelemente, das zuvor genannte Energieübertragungsnetzwerk vorgesehen, um die Batterieelemente zu koppeln. Die Batterieelemente können also entsprechend dem Betriebsmodus der Batterieschaltung entweder an das Betriebsnetzwerk oder an das Energieübertragungsnetzwerk angeschlossen sein. Dabei ist im angeschlossenen Zustand der Batterieelemente an das Energieübertragungsnetzwerk vorgesehen, dass die Batterieelemente über ein jeweils individuell zugeordnetes Schaltelement des Energieübertragungsnetzwerks direkt galvanisch und parallel geschaltet verbindbar sind. Anders ausgedrückt, können die einzelnen Batterieelemente durch Schalten der Schaltelemente parallel zueinander geschaltet werden. Somit erfolgt das Balancing ohne einen separaten Zwischenspeicher direkt zwischen den Batterieelementen.
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Die Schaltelemente können bevorzugt als Halbleiterschalter ausgebildet sein. Mittels der Schaltelemente kann somit eine schaltbare elektrische Verbindung zwischen einem Anschlusskontakt jedes der Batterieelemente und einem Anschlusskontakt des Energieübertragungsnetzwerks hergestellt werden. Ein Schaltelement ist somit ein steuerbarer elektronischer Schalter, wie beispielsweise ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, insbesondere mit parallel geschalteten Freilaufdioden, beispielsweise ein Metal-oxid-semiconductor-field-effect-transistor (MOSFET), ein isolated-gate-bipolar-transistor (IGBT), vorzugsweise mit einer integrierten Freilaufdiode oder dergleichen.
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Zum schaltbaren Verbinden der Batterieelemente werden die Schaltelemente bevorzugt in einem Schaltbetrieb betrieben. Das heißt, die Schaltelemente weisen einen eingeschalteten und einen ausgeschalteten Schaltzustand auf. In dem eingeschalteten Schaltzustand weist das Schaltelement eine sehr gute Leitfähigkeit auf, sodass ein hoher Stromfluss über die Schaltelemente möglich ist. In dem ausgeschalteten Schaltzustand sind die Schaltelemente hochohmig, das heißt, sie stellen einen hohen elektrischen Widerstand bereit, wodurch kein oder nur ein vernachlässigbar geringer elektrische Stromfluss über die Schaltelemente möglich ist. Anders ausgedrückt, ist im eingeschalteten Schaltzustand eines Schaltelements, das zugehörige Batterieelement mit dem Energieübertragungsnetzwerk elektrisch leitend verbunden, wohingegen es im ausgeschalteten Schaltzustand von dem Energieübertragungsnetzwerk elektrisch getrennt ist.
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Um die Schaltelemente anzusteuern und das passende Netzwerk zum Verschalten der Batterieelemente auszuwählen, umfasst die Batterieschaltung zusätzlich eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus der Batterieschaltung die Batterieelemente von dem Betriebsnetzwerk zu trennen und an das Energieübertragungsnetzwerk anzuschließen. Vorzugsweise erfolgt dies nur, wenn sich die Batterieschaltung in dem zuvor genannten Balancingbetrieb befindet. Weiterhin ist die Steuereinrichtung ausgebildet, die Schaltelemente unter Anwendung eines vorgegebenen Balancingkriteriums zum Einstellen der Ladungszustände der Batterieelemente anzusteuern. Das heißt, die Steuereinrichtung kann die Schaltelemente entsprechend dem Balancingkriterium derart schalten, dass wenigstens zwei der Batterieelemente zum Ladungsausgleich direkt galvanisch und parallel geschaltet verbunden werden. Das Balancingkriterium stellt dabei vorzugsweise ein Protokoll dar, welches angibt, in welcher Art das Einstellen der Ladungszustände erfolgt. Das heißt, zum Beispiel welche Schaltelemente wann angesteuert werden.
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Durch das Betreiben der Batterieschaltung mit zwei separaten und unabhängigen Netzwerken in Abhängigkeit von einem jeweiligen Betriebsmodus und das Parallelschalten der Batterieelemente über das Energieübertragungsnetzwerk im Balancingbetrieb, ergibt sich der Vorteil, dass das Balancing mit einem geringen Schaltungsaufwand vorgenommen werden kann. Bei einer Parallelschaltung der Batterieelemente können nämlich im Gegensatz zu einer Reihenschaltung der Batterieelemente, die Batterieelemente untereinander zum Ladungsausgleich geladen oder entladen werden. Das nacheinander oder alternierende Koppeln mit einem Zwischenspeicher, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann somit vermieden werden. Da also kein Zwischenspeicher nötig ist, und die Batterieelemente sich gegenseitig laden oder entladen, kann das Balancing auch besonders zeitsparend und schnell erfolgen. Weiterhin ergibt sich auch der Vorteil, dass das Balancingnetzwerk, also das Energieübertragungsnetzwerk im Gegensatz zu dem Betriebsnetzwerk besonders kostengünstig ausgebildet sein kann. Das Betriebsnetzwerk ist nämlich in der Regel für einen Nennbetriebsstrom ausgelegt, der sehr viel größer ist als ein Balancingstrom, für den das Energieübertragungsnetzwerk ausgelegt ist. Daher können die elektrischen Leitungen des Energieübertragungsnetzwerks, das heißt, die Kabelquerschnitte und die Schaltelemente sehr viel kleiner ausgelegt werden als beispielsweise die Leitungen und Schaltelemente oder Bauteile, die sich in dem Betriebsnetzwerk befinden.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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In den folgenden Ausführungsformen ist zunächst das Balancingkriterium näher beschrieben.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung gemäß dem Balancingkriterium ausgebildet ist, den Ladungszustand der Batterieelemente zu bestimmen, und wenigstens zwei der Batterieelemente, deren Ladungszustände gemäß einer Einstellbedingung einzustellen sind, durch Aktivieren der zugeordneten Schaltelemente parallelgeschaltet zu verbinden oder parallelzuschalten. Das heißt, die Batterieelemente können in Abhängigkeit von ihren Ladungszuständen parallelgeschaltet werden. Dazu kann die Steuereinrichtung die jeweils zugeordneten Schaltelemente aktivieren und somit in den eingeschalteten Schaltzustand versetzen. Die übrigen Schaltelemente befinden sich hingegen in dem ausgeschalteten Schaltzustand. Die Einstellbedingung regelt dabei, welche der Batterieelemente, insbesondre in Abhängigkeit von deren Ladungszuständen, parallel geschaltet werden sollen. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass als Einstellbedingung zwei der Batterieelemente mit einem niedrigsten oder einem höchsten Ladungszustand parallel geschaltet werden.
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Da die Batterieelemente unterschiedliche Ladungszustände aufweisen, fließt beim Parallelschalten der Batterieelemente ein Balancingstrom zwischen den Batterieelementen. Dadurch wird wenigstens eines der Batterieelemente entladen und wenigstens ein anderes geladen, solange bis die Ladungszustände der Batterieelemente ausgeglichen sind. Sind die Ladungszustände der Batterieelemente ausgeglichen, fließt vorzugsweise kein oder nur noch ein vernachlässigbar kleiner Balancingstrom zwischen den Batterieelementen. Der ausgeglichene Ladungszustand kann auch als Balancingladungszustand bezeichnet werden.
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Das Erreichen des Balancingladungszustands kann beispielsweise durch die Steuereinrichtung überwacht werden. Bevorzugt kann der Balancingladungszustand vorgegeben sein. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung aus den jeweiligen Ladungszuständen der Batterieelemente den Balancingladungszustand bestimmen. Alternativ zu dem vorgegebenen Balancingladungszustand kann die Steuereinrichtung auch den Balancingstrom zwischen den parallel geschalteten Batterieelementen, überwachen. Dazu kann die Steuereinrichtung eine Sensoreinheit, wie beispielsweise einen Stromsensor, aufweisen. Fällt der Balancingstrom dabei unter einen vorgegebenen Grenzwert, kann die Steuereinrichtung so feststellen, dass der Balancingladungszustand der Batterieelemente erreicht ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung gemäß dem Balancingkriterium weiterhin ausgebildet ist, jeweils bei Erreichen eines Balancingladungszustands der parallelgeschalteten Batterieelemente wenigstens ein weiteres Batterieelement, das einen zu dem Balancingladungszustand nächstliegenden Ladungszustand aufweist, durch Aktivieren des zugeordneten Schaltelements parallelzuschalten, solange bis eine vorbestimmte Beendigungsbedingung erreicht ist. Weist die Batterieschaltung also mehr als zwei Batterieelemente auf, können zunächst zwei der Batterieelemente, wie zuvor beschrieben, parallel geschaltet werden. Sobald die beiden Batterieelemente den Balancingladungszustand erreichen, kann ein weiteres Batterieelement parallel zu den beiden parallel geschalteten Batterieelementen geschaltet werden. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein Batterieelement das einen Ladungszustand aufweist, der dem Balancingladungszustand am nächsten liegt. Dadurch kann eine Stromstärke des Balancingstroms, der aufgrund der unterschiedlichen Ladungszustände somit erneut zwischen den parallel geschalteten Batterieelementen fließt, begrenzt werden. und die Ladungszustände der Batterieelemente werden entsprechend eingestellt. Das Zuschalten von weiteren Schaltelementen kann somit gemäß einer Kaskade erfolgen Vorzugsweise werden aber nur solange weitere Schaltelement zugeschaltet, bis die vorbestimmte Beendigungsbedingung erreicht ist.
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Die Beendigungsbedingung ist dabei in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Gemäß dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, als die Beendigungsbedingung ein Erreichen eines gemeinsamen Balancingladungszustands der Batterieelemente und/oder ein Erreichen einer vorgegebenen Anzahl an parallelgeschalteten Batterieelementen und/oder ein Detektieren eines Betriebsmoduswechsels zu berücksichtigen.
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Das heißt, das Einstellen der Ladungszustände der Batterieelemente kann beendet werden, wenn die Steuereinrichtung feststellt, dass eine der genannten Beendigungsbedingungen eintritt. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung ausgebildet, das Einstellen der Ladungszustände zu beenden, indem die Batterieelemente von dem Energieübertragungsnetzwerk getrennt werden. Dadurch kann die Steuereinrichtung die Batterieschaltung beispielsweise in einen Ruhemodus oder Ruhebetrieb versetzen.
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In der folgenden Ausführungsform ist nun eine Weiterbildung der Batterieschaltung, insbesondere des Energieübertragungsnetzwerks beschrieben, die ein noch schnelleres Ausgleichen und Einstellen der Ladungszustände der Batterieelemente ermöglicht. Demnach ist vorgesehen, dass jeweils wenigstens zwei der Batterieelemente und deren zugeordnete Schaltelemente eine von mehreren Elementgruppen bilden. Das heißt, das Energieübertragungsnetzwerk ist in wenigstens zwei oder mehr Elementgruppen aus jeweils wenigstens zwei Batterieelementen und deren zugeordneten Schaltelementen unterteilt. Weiterhin umfasst das Energieübertragungsnetzwerk wenigstens ein weiteres Schaltelement, über welches jeweils zwei der Elementgruppen parallel geschaltet verbindbar sind. Das wenigstens eine weitere Schaltelement kann somit zwischen zwei Elementgruppen angeordnet sein und wie die übrigen Schaltelemente in dem zuvor beschriebenen Schaltbetrieb betrieben werden. Das heißt, im eingeschalteten Schaltzustand des wenigstens einen weiteren Schaltelements sind jeweils zwei Elementgruppen elektrisch leitend miteinander verbunden und im ausgeschalteten Schaltzustand des wenigstens einen weiteren Schaltelements sind die Elementgruppen elektrisch voneinander getrennt. Das Ansteuern der Schaltelemente innerhalb der Elementgruppen und des wenigstens einen weiteren Schaltelements erfolgt durch die Steuereinrichtung. Diese ist ausgebildet, unter Anwendung eines vorgegebenen Balancingkriteriums die Schaltelemente der Elementgruppen und das wenigstens eine weitere Schaltelement zum Einstellen der Ladungszustände der Batterieelemente anzusteuern. Durch das Balancingkriterium ist dabei vorzugsweise festgelegt, welche der Schaltelemente zu welchem Zeitpunkt angesteuert werden.
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Das Balancingkriterium ist in der folgenden Ausführungsform näher beschrieben. Dementsprechend ist die Steuereinrichtung gemäß dem Balancingkriterium ausgebildet, den Ladungszustand der Batterieelemente zu bestimmen und die Elementgruppen durch Deaktivieren des wenigstens einen weiteren Schaltelements elektrisch zu trennen. Weiterhin ist die Steuereinrichtung ausgebildet, innerhalb jeder der Elementgruppen wenigstens zwei der Batterieelemente, deren Ladungszustände gemäß einer Einstellbedingung einzustellen sind, durch Aktivieren der zugeordneten Schaltelemente parallelgeschaltet zu verbinden. Bevorzugt überwacht die Steuereinrichtung dabei die Ladungszustände der Batterieelemente kontinuierlich und ist somit ausgebildet, bei Erreichen eines vorgegebenen Balancingladungszustands der parallelgeschalteten Batterieelemente innerhalb einer Elementgruppe, die Elementgruppen durch Aktivieren des wenigstens einen weiteren Schaltelements parallelgeschaltet zu verbinden.
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Das Einstellen der Ladungszustände kann somit innerhalb einer Elementgruppe, wie in einer der vorhergehenden Ausführungsformen, gemäß einer Kaskade erfolgen. Haben die Batterieelemente jeder der Elementgruppen den vorgegebenen Balancingladungszustand erreicht, können anschließend wenigstens zwei der Elementgruppen parallel geschaltet werden, sodass das Balancing zwischen den Elementgruppen erfolgt. Das Einstellen der Ladungszustände kann also zunächst innerhalb jeder Elementgruppe und anschließend elementgruppenübergreifend erfolgen. Dadurch kann das Balancing weiter beschleunigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist nun die zuvor genannte Einstellbedingung, gemäß derer diejenigen Batterieelemente, deren Ladungszustand eingestellt werden soll, ausgewählt werden, näher beschrieben. Demnach ist die Steuereinrichtung gemäß der Einstellbedingung ausgebildet, zunächst diejenigen Batterieelemente mit einem niedrigsten oder höchsten Ladungszustand parallelgeschaltet zu verbinden. Es können also zuerst die Batterieelemente mit den niedrigsten oder höchsten Ladungszuständen ausgewählt und parallel geschaltet und anschließend die Batterieelemente entsprechend ihrer Ladungszustände der Reihe nach an die beiden bereits parallel geschalteten Batterieelemente angeschlossen werden. Dadurch kann verhindert werden, dass ein zu hoher Balancingstrom zwischen den Batterieelementen fließt, der zum Beispiel zu einer Tiefenentladung einer der Batteriezellen oder zur Zerstörung der Batterieelemente führen könnte.
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Weitere Möglichkeiten den Balancingstrom zu begrenzen, sind in einer folgenden Ausführungsform beschrieben. Dementsprechend ist vorgesehen, das jedem Schaltelement, dass einem Batterieelement zugeordnet ist, ein elektrischer Widerstand vorgeschaltet ist und/oder die Steuereinrichtung ausgebildet ist, wenigstens eines der Schaltelemente in einem Taktbetrieb zu betreiben. Das heißt, die Schaltelemente können durch die Steuereinrichtung in einem vorgegebenen Takt abwechselnd in den eingeschalteten und den ausgeschalteten Schaltungszustand versetzt werden. Das getaktete Schalten der Schaltelemente ist auch als Pulsweitenmodulation bekannt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Energieübertragungsnetzwerk für einen Balancingstrom ausgelegt ist, der kleiner ist als der Nennbetriebsstrom am Ausgang des Betriebsnetzwerks. Dadurch können, wie zuvor erwähnt, die Leitungen, also die Kabelquerschnitte in dem Energieübertragungsnetzwerk, sowie die Schaltelemente für geringere Ströme ausgelegt werden und sind somit kostengünstiger als Bauelemente, die für das Betriebsnetzwerk verwendet werden.
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Durch die Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieschaltung, die zum Einstellen von Ladungszuständen von Batterieelementen ausgebildet ist, bereitgestellt. Die Batterieschaltung umfasst dabei eine Mehrzahl an Batterieelementen, welche in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus der Batterieschaltung an ein Betriebsnetzwerk oder ein Energieübertragungsnetzwerk angeschlossen werden. Bei angeschlossenem Betriebsnetzwerk, das heißt im Normalbetrieb der Batterieschaltung, werden die Batterieelemente zum Laden durch eine bezüglich der Batterieschaltung externe Energiequelle oder zum Entladen durch einen bezüglich der Batterieschaltung externen Verbraucher elektrisch gekoppelt. Hingegen werden die Batterieelemente bei angeschlossenem Energieübertragungsnetzwerk, das heißt, in einem Balancingbetrieb der Batterieschaltung, zum Einstellen ihrer Ladungszustände über ein jeweils individuell zugeordnetes Schaltelement des Energieübertragungsnetzwerks untereinander galvanisch direkt und parallelgeschaltet verbunden.
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Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte: Zunächst wird ein Betriebsmodus der Batterieschaltung ermittelt. Anschließend werden in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebsmodus die Batterieelemente von dem Betriebsnetzwerk getrennt und an das Energieübertragungsnetzwerk angeschlossen. Vorzugsweise erfolgt dies nur wenn es sich bei dem ermittelten Betriebsmodus um den Balancingbetrieb handelt. Schließlich werden die von dem Energieübertragungsnetzwerk umfassten Schaltelemente, die je einem Batterieelement zugeordnet sind, zum Einstellen der Ladungszustände der Batterieelemente unter Anwendung eines vorgegebenen Balancingkriteriums angesteuert. Besonders bevorzugt können die Verfahrensschritte durch eine Steuereinrichtung der Batterieschaltung durchgeführt werden.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterieschaltung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batterieschaltung, die in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus entweder an ein Betriebsnetzwerk oder ein Energieübertragungsnetzwerk angeschlossen ist;
- 2 ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Verschaltung von Batterieelemente der Batterieschaltung bei angeschlossenem Energieübertragungsnetzwerk, und
- 3 eine schematisches Flussdiagramm zur Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten, die vorzugsweise zum Betreiben der Batterieschaltung ausgeführt werden.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Mehrzahl an Batterieelementen 21, 22, 23, 24 die Teil einer Batterieschaltung 10 sind. Gemeinsam bilden die einzelnen Batterieelemente 21, 22, 23, 24 das Batteriemodul 20. Das Batteriemodul 20 kann dabei beispielsweise als Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Diese Hochvoltbatterie dient dann zum Beispiel der elektrischen Energieversorgung eines elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs.
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Für das Batteriemodul 20 sind in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus der Batterieschaltung 10 unterschiedliche Verschaltungsarten der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 untereinander vorgesehen. Eine Steuereinrichtung 40 wählt dabei in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebsmodus der Batterieschaltung 10 ein passendes Netzwerk für die Verschaltung der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 aus. Bevorzugt sind drei verschiedene Betriebsmodi der Batterieschaltung 10 vorgesehen. Ein erster Betriebsmodus betrifft den Ruhebetrieb der Batterieschaltung. Dabei sind die Batterieelemente 21, 22, 23, 24 elektrisch voneinander getrennt. Das Batteriemodul 20 befindet sich somit in Ruhe. Ein zweiter Betriebsmodus ist als Normalbetrieb bezeichnet. In dem Normalbetrieb wird das Batteriemodul 20 an ein Betriebsnetzwerk 11 angeschlossen. Durch das Betriebsnetzwerk 11 werden die Batterieelemente 21, 22, 23, 24 anschließend derart miteinander verschaltet oder gekoppelt, dass sie zum Beispiel einen bezüglich der Batterieschaltung 10 externen Verbraucher, wie zum Beispiel einen elektrischen Antrieb, mit elektrischer Energie versorgen können. Üblicherweise handelt es sich bei einer derartigen Verschaltung der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 um eine Reihenschaltung oder Serienschaltung.
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Da Batterieelemente nach dem Prinzip der elektrochemischen Wechselwirkung funktionieren, kann es passieren, dass durch Nutzung des Batteriemoduls 20, die Ladungszustände der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 abweichen. Durch diese Abweichung der Ladungszustände kann es zu Energieverlusten in dem Batteriemodul 20 kommen, sodass sich beispielsweise eine Lebensdauer des Batteriemoduls 20 reduziert. Deshalb ist ein dritter Betriebsmodus, der so genannte Balancingbetrieb der Batterieschaltung 10 vorgesehen. In dem Balancingbetrieb geht es insbesondere darum, die Ladungszustände der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 einzustellen oder auszugleichen. Dazu wird das Batteriemodul 20 an ein zu dem Betriebsnetzwerk 11 verschiedenes, insbesondere unabhängiges Energieübertragungsnetzwerk 12 angeschlossen. Das Anschließen an das jeweilige Netzwerk, also das Betriebsnetzwerk 11 oder das Energieübertragungsnetzwerk 12 ist in 1 jeweils als strichpunktierte Linie dargestellt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 40 den jeweils gewünschten Betriebsmodus der Batterieschaltung auswählt und entsprechend das Batteriemodul 20 entweder mit dem Betriebsnetzwerk 11 oder mit dem Energieübertragungsnetzwerk 12 koppelt.
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2 zeigt nun die Verschaltung der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 im angeschlossenen Zustand des Batteriemoduls 20 an das Energieübertragungsnetzwerk 12. Durch das Energieübertragungsnetzwerk 12 sind die Batterieelemente 21, 22, 23, 24 direkt galvanisch und parallel geschaltet verbindbar. Dazu sind die Minuspole der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 über eine Stromschiene 13 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Pluspole der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 sind über ein Schaltermodul 30 mit einer Stromschiene 14 elektrisch leitend verbunden. Das Schaltermodul 30 umfasst dabei eine Mehrzahl an Schaltelementen 31, 32, 33, 34, wobei jedem der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 eines der Schaltelemente 31, 32, 33, 34 zugeordnet ist. Jedes Batterieelement 21, 22, 23, 24 ist somit mit einem zugeordneten Schaltelement 31, 32, 33, 34 in Reihe geschaltet an die Stromschiene 14 angeschlossen. Durch das Schaltermodul 30 kann eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Batterieelementen 21, 22, 23, 24 hergestellt oder getrennt werden. Dazu werden die Schaltelemente 31, 32, 33, 34 bevorzugt durch die Steuereinrichtung 40 in einem Schaltbetrieb betrieben. Je nach Ansteuerung durch die Steuereinrichtung befinden sich die Schaltelemente also entweder in einem eingeschalteten Schaltzustand, und Verbinden das zugehörige Batterieelement 21, 22, 23, 24 elektrisch mit der Stromschiene 14, oder in einem ausgeschalteten Schaltzustand und Trennen das zugehörige Batterieelement 21, 22, 23, 24 elektrisch von der Stromschiene 14.
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Durch passendes Ansteuern der Schaltelemente 31, 32, 33, 34 können jeweils zwei oder mehr Batterieelemente 21, 22, 23, 24 parallel geschaltet verbunden werden. Weisen die Batterieelemente 21, 22, 23, 24, die parallel geschaltet werden, einen unterschiedlichen Ladungszustand auf, und haben somit eine unterschiedliche Energie- oder Ladungsmenge gespeichert, fließt über das Energieübertragungsnetzwerk 13 zwischen den parallelgeschalteten Batterieelementen 21, 22, 23, 24 ein Balancingstrom oder Ausgleichsstrom. Dadurch wird die in den Batterieelementen 21, 22, 23, 24 gespeicherte elektrische Ladung ausgeglichen, sodass die jeweiligen Batterieelemente 21, 22, 23, 24 einen Balancingladungszustand oder Ausgleichsladungszustand erreichen.
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Das Einstellen der Ladungszustände der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 erfolgt dabei bevorzugt unter Berücksichtigung eines Balancingkriteriums. Durch das Balancingkriterium kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 40 die Batterieelemente 21, 22, 23, 24 gemäß einer Kaskade, das heißt nacheinander parallel schaltet. Dazu kann die Steuereinrichtung 40 zunächst die Ladungszustände der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 bestimmen. Eine vorgegebene Einstellbestimmung bestimmt dann, welche der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 in Abhängigkeit ihrer Ladungszustände zusammengeschaltet werden. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass zunächst die beiden Batterieelemente 21, 22, 23, 24 mit den niedrigsten Ladungszuständen durch Aktivieren der zugeordneten Schaltelemente 31, 32, 33, 34 parallel geschaltet werden. Da die parallel geschalteten Batterieelemente 21, 22, 23, 24 unterschiedliche Ladungszustände aufweisen, fließt ein Balancingstrom solange zwischen diesen Batterieelementen bis der zuvor genannte Balancingladungszustand erreicht ist. Ist der Balancingladungszustand erreicht, kann die Steuereinrichtung 40 ein weiteres der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 zu den beiden bereits parallel geschalteten Batterieelementen parallel schalten. Dieses Zuschalten von weiteren Batterieelementen 21, 22, 23, 24 kann dabei bevorzugt solange erfolgen, bis eine vorbestimmte Beendigungsbedingung erreicht ist und zum Beispiel alle Batterieelemente 21, 22, 23, 24 der Batterieschaltung 10 einen gemeinsamen Ladungszustand, also einen gemeinsamen Balancingladungszustand, aufweisen. Dadurch können die Ladungszustände der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 schrittweise aneinander angeglichen werden.
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Wie in 2 gezeigt ist umfasst das Energieübertragungsnetzwerk 12 zusätzlich ein weiteres Schaltelement 35, welches in der Stromschiene 14 angeordnet ist. Durch dieses weitere Schaltelement 35 kann die Batterieschaltung bei angeschlossenen Energieübertragungsnetzwerk 12 in zwei Elementgruppen unterteilt werden. Dabei befinden sich jeweils zwei der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 mit den jeweils zugeordneten Schaltelementen 31, 32, 33, 34 in einer jeweiligen Elementgruppe. In 2 bilden die Batterieelemente 21 und 22 mit den Schaltelementen 31 und 32 die erste Elementgruppe 50 und die Batterieelemente 23 und 24 bilden mit den zugeordneten Schaltelementen 33 und 34 die zweite Elementgruppe 51.
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Durch Ansteuern des weiteren Schaltelements 35 durch die Steuereinrichtung 40 sind somit die beiden Elementgruppen 50, 51 parallel schaltbar. Das Balancing der Ladungszustände der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 kann dadurch, im Gegensatz zu einer Ausgestaltung des Energieübertragungsnetzwerks 12 ohne das weitere Schaltelement 35, noch schneller erfolgen. In dieser Ausgestaltung des Energieübertragungsnetzwerks 12 kann das Einstellen der Ladungszustände der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 wie folgt erfolgen. Zunächst kann die Steuereinrichtung 40 das weitere Schaltelement 35 in den ausgeschalteten Schaltzustand versetzen. Dadurch werden die beiden Elementgruppen 50, 51 elektrisch voneinander getrennt. Anschließend kann die Steuereinrichtung 40 die Schaltelemente innerhalb der Elementgruppen 50, 51 in der zuvor beschriebenen Weise ansteuern, um einen Ausgleich der Ladungszustände der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 in jeder Elementgruppe für sich zu ermöglichen. Weisen die Batterieelemente 21, 22, 23, 24 innerhalb einer Elementgruppe 50, 51 dann einen vorgegebenen Balancingladungszustand auf, kann die Steuereinrichtung 40 anschließend erneut das weitere Schaltelement 35 ansteuern und in den eingeschalteten Schaltzustand versetzen. Dadurch kann nun auch ein Ladungsausgleich oder Balancing zwischen den beiden Elementgruppen 50 und 51 erfolgen.
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Um festzustellen, ob die Batterieelemente 21, 22, 23, 24 einen jeweiligen Balancingladungszustand erreicht haben, kann die Steuereinrichtung beispielsweise den Balancingstrom, also den Stromfluss zwischen den Batterieelementen 21, 22, 23, 24 überwachen. Der Balancingstrom reduziert sich nämlich je weiter sich die Ladungszustände der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 angleichen. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 40 den Balancingstrom, der gerade zwischen wenigstens zwei der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 fließt, mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten des Grenzwerts entsprechende weitere Maßnahmen einleitet. Als weitere Maßnahmen kann die Steuereinrichtung 40 beispielsweise ein weiteres Batterieelement 21, 22, 23, 24 parallel schalten oder gemäß der Beendigungsbedingung das Einstellen der Ladungszustände beenden. Zum Beenden kann die Steuereinrichtung 40 die Batterieelemente 21, 22, 23, 24 von dem Energieübertragungsnetzwerk 12 entkoppeln und anschließend für den Normalbetrieb mit dem Betriebsnetzwerk 11 koppeln.
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3 fasst nun noch einmal die einzelnen Verfahrensschritte zusammen, die zum Betreiben einer Batterieschaltung, wie sie beispielhaft in 1 und 2 gezeigt sind, durchgeführt werden. Bevorzugt werden die Verfahrensschritte dabei durch die Steuereinrichtung 40 durchgeführt. Das Verfahren wird zunächst mit einem Startschritt ST gestartet. In einem Schritt S1 wird dann der Betriebsmodus der Batterieschaltung 10 ermittelt. In einem Schritt S2 werden anschließend in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebsmodus die Batterieelemente 21, 22, 23, 24 von dem Betriebsnetzwerk 11 elektrisch getrennt und an das Energieübertragungsnetzwerk 12 angeschlossen. Bevorzugt erfolgt dies nur dann, wenn als Betriebsmodus der Balancingbetrieb der Batterieschaltung 10 ermittelt wurde. In einem Schritt S3 werden anschließend die Schaltelemente unter Anwendung des vorgegebenen Balancingkriteriums zum Einstellen der Ladungszustände der Batterieelemente 21, 22, 23, 24 angesteuert. Abschließend wird das Verfahren mit einem Endschritt SE beendet.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein aktives Balancing innerhalb einer Batterieschaltung, die beispielsweise ein Hochvoltspeichersystem darstellt, durch Parallelschaltung von einzelnen Batterieelementen erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017003635 A1 [0004]
- DE 102018000581 A1 [0005]
- WO 2016/131773 A1 [0006]
