DE102021104047B3

DE102021104047B3 - Batterie und Batteriesystem für Elektro- und Hybridfahrzeuge

Info

Publication number: DE102021104047B3
Application number: DE102021104047.7A
Authority: DE
Inventors: Marc HARTMEYER
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2041-02-20
Also published as: WO2022175516A1

Abstract

Batterie (10), vorzugsweise zur Verwendung als Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, die aufweist: einen Batterieabschnitt (20) mit zumindest einem Batteriemodul (21), umfassend zumindest eine Batteriezelle, und einem an das Batteriemodul (21) angebundenen Hauptanschluss (23), über den die Batterie (10) mit einer Last und/oder einer Stromversorgung verbindbar ist; und einen Balancingabschnitt (30) mit einem Strombegrenzer (32), der über einen Balancingpfad (13) an den Batterieabschnitt (20) angebundenen ist, und einem an den Strombegrenzer (32) angebundenen, vom Hauptanschluss (23) separaten Balancinganschluss (31).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie und ein Batteriesystem, insbesondere zur Verwendung als Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug und/oder zur Anwendung in stationären Speicheranwendungen.
Stand der Technik
Batteriesysteme für Elektro- und Hybridfahrzeuge sowie Fahrzeuge mit Brennstoffzellen sind Gegenstand aktueller Forschung und Entwicklung. Es ist bekannt, einzelne Batterien über Schalter, etwa Relais oder Halbleiterschalter, zum Betrieb in einer kombinierten Batterie parallel und/oder seriell zusammenzuschalten, um die Gesamtenergie und/oder Leistung zu erhöhen.
Die 1 zeigt eine beispielhafte Zusammenfassung mehrerer (Einzel-) Batterien 10, die vorzugsweise Hochvoltbatterien (HV-Batterien) sind, zu einer kombinierten Batterie, die hierin als Batteriesystem 1 bezeichnet ist. Im Beispiel der 1 sind vier Batterien 10 in einem Hauptnetz 11 teils parallel, teils in Reihe geschaltet. Das Hauptnetz 11 umfasst einen Hauptstrompfad mit einer ersten Leitung 11a und einer zweiten Leitung 11b auf unterschiedlichen Potentialen, wobei das Batteriesystem 1 über den Hauptstrompfad mit einer in den Figuren nicht gezeigten Stromversorgung und/oder Last verbunden ist. Die Batterien 10 sind über hier nicht gezeigte Relais voneinander trennbar.
Zunehmende Spannungsdifferenzen der Batterien 10 im teilweise oder vollständig getrennten Zustand sind in der Regel nicht zu vermeiden, da die Batterien 10 sich beispielsweise durch Temperaturunterschiede unterschiedlich schnell entladen, verschiedene innere Parallelwiderstände aufweisen oder im teilverbundenen Zustand unterschiedlichen Ladungs-/Entladungsprozessen ausgesetzt sind. Die Energie im Gesamtsystem ist auf den Ladezustand (SOC) der schwächsten Batterie begrenzt.
Die unterschiedlichen Ladezustände der einzelnen Batterien 10 führen im Batteriesystem 1 zu einer parallelen und seriellen Imbalance. Um eine Angleichung der Ladezustände der Batterien 10 beim Zusammenschalten zu erreichen, kann im Fall einer parallelen Imbalance die Batterie 10 mit der höchsten Spannung über den Verbraucher, beispielsweise ein Fahrzeug, auf Gleichstand mit den anderen Batterien 10 entladen werden. Dies gelingt auch beim Laden, hier werden die Batterien 10 mit der niedrigsten Spannung zuerst zugeschaltet. Im Fall einer seriellen Imbalance lässt sich eine Angleichung der Ladezustände beispielsweise über das gezielte Entladen der Batterien mit höherer Spannung über das sogenannte Cellbalancing im Batterie-Management-System (BMS) erreichen. Dabei werden alle Batteriezellen in der betreffenden Batterie 10 über das Cellbalancing auf die notwendige Spannung entladen.
Die vorstehend genannten Strategien haben jedoch Nachteile. So ist im Fall der parallelen Imbalance ab einer gewissen Spannungsdifferenz (beispielsweise 4V) ein direktes Wiederverbinden aufgrund der dann zu hohen Ausgleichsströme nicht mehr möglich. Sind die Innenwiderstände der Batterien 10 sehr klein, etwa aufgrund einer dominierenden Parallelschaltung, hoher Temperatur oder der Verwendung von Hochleistungszellen, kann die maximale Zuschaltspannung schon im Bereich der üblichen Messungenauigkeit des BMS liegen. Ein Balancing ist dann nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Das Zuschalten mit hohen Stromspitzen lässt zudem die Schütze schneller altern. Je nach Konfiguration kann dann die angestrebte Lebensdauer nicht erreicht werden.
Ein Angleichen über die oben genannte Methode ist zudem nur im Betrieb möglich und beeinflusst somit die Betriebsbereitschaft des Batteriesystems 1 wesentlich, wodurch insbesondere nur eine eingeschränkte Leistung zur Verfügung steht oder sich die Ladezeiten verlängern.
Im Fall der seriellen Imbalance kann ein Angleichen der Spannungen aufgrund eher kleiner Cellbalancing-Ströme bei großen Ladungsdifferenzen sehr lange dauern (beispielsweise 10Ah/100mA=100h).
Die DE 10 2017 010 948 A1 betrifft ein Erhaltungsladegerät zum Laden einer zur Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehenen Batterie und ein Verfahren zum Laden einer solchen Batterie mittels eines solchen Erhaltungsladegeräts.
Die DE 10 2017 206 696 A1 zeigt eine Batterie für ein elektrisches Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl an seriell zueinander geschalteten Batteriezellen.
Die DE 10 2019 212 000 A1 zeigt eine Batterieschaltung, bei der mit möglichst geringem Schaltungsaufwand kostengünstig und schnell die Ladungszustände von einer Mehrzahl von Batterieelementen eingestellt werden können sollen.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Batterie und ein verbessertes Batteriesystem, insbesondere zur Verwendung als Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug und/oder für stationäre Speicheranwendungen, bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Die Batterie gemäß der Erfindung ist mit anderen solchen Batterien auf besonders einfache Weise zusammenschaltbar, um beispielsweise die Gesamtenergie und/oder Leistung des resultierenden Batteriesystems zu erhöhen. Somit kommt die Batterie bevorzugt als Traktionsbatterie oder Teil einer solchen für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, insbesondere auch im Nutzfahrzeugbereich (Busse, Lastkraftwagen, Zugmaschinen, Kranwagen, Baumaschinen, Traktoren usw.), zur Anwendung. Eine solche Batterie kann auch zum Aufbau eines Batteriesystems für stationäre Anwendungen, beispielsweise für Speicheranwendungen in Haushalten oder für Industrieanwendungen, verwendet werden.
Die Batterie umfasst einen Batterieabschnitt, der zumindest ein Batteriemodul mit zumindest einer Batteriezelle aufweist. Typischerweise sind mehrere Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen vorgesehen und in dem Batterieabschnitt der Batterie zusammengefasst. Die Batteriezellen sind beispielsweise von zylindrischer Form und gitterartig nebeneinander, parallel ausgerichtet angeordnet. Es sind aber auch prismatische Batteriezellen oder Pouchzellen verwendbar. Gehalten werden die Batteriezellen zumeist sandwichartig von einer Modulbodenplatte und einer Moduldeckplatte, die neben der mechanischen Funktion, die Batteriezellen zu entsprechenden Batteriemodulen zusammenzufassen und zu fixieren, die elektrische Verdrahtung der Batteriezellen vornehmen können. Der Batterieabschnitt weist ferner einen an das oder die Batteriemodul(e) angebundenen Hauptanschluss auf, über den die Batterie mit einer Last und/oder einer Stromversorgung verbindbar ist. Die Batterie ist über den Hauptanschluss in ein Hauptnetz integrierbar.
Beispielsweise wird die Batterie dann zusammen mit einer weiteren Batterie über den Hauptanschluss zu einem Batteriesystem verbunden, um Energie für den jeweiligen Verbraucher bereit zu stellen.
Die Bezeichnungen „verbunden“, „verbindbar“, „angebunden“ und dergleichen beziehen sich im vorliegenden Kontext zumeist auf eine elektrische Verbindung, die jedoch eine mechanische Anbindung umfassen kann, allerdings zumindest im Fall elektronischer Steuer- beziehungsweise Signalverbindungen nicht unbedingt muss.
Die vorgeschlagene Batterie umfasst ferner einen Balancingabschnitt, der über einen Balancingpfad (elektrisch) an den Batterieabschnitt angebunden ist und einen vom Hauptanschluss separaten Balancinganschluss aufweist. Der Balancinganschluss unterscheidet sich entsprechend vom Hauptanschluss, d.h. es handelt sich nicht um Bezeichnungen desselben Anschlusses.
Durch die Anbindung des Balancingabschnitts an den Batterieabschnitt wird daher eine elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen des Batterieabschnitts und dem Balancingabschnitt hergestellt.
Um unterschiedliche Ladezustände vor dem Zusammenschalten mehrerer Batterien anzugleichen, kann dies nun über die jeweiligen Balancinganschlüsse erreicht werden.
In anderen Worten, über die Balancinganschlüsse können mehrere Batterien in einem Balancingnetz, das sich vom Hauptnetz etwa zur Versorgung einer Last unterscheidet, miteinander parallel und/oder seriell verbunden und geschaltet werden, um dadurch Spannungsdifferenzen beziehungsweise Ladungsunterschiede zwischen den Batterien auszugleichen. Ein solches Balancing ist vorzugsweise auch oder ausschließlich im ausgeschalteten Zustand der jeweiligen Batterieabschnitte, d.h. außerhalb des regulären Lade- oder Leistungsabgabebetriebs über das Hauptnetz, durchführbar.
Das Zusammenschalten von Batterien zu einem Batteriesystem wird deutlich erleichtert, wenn die Batterien jeweils mit einem Balancingabschnitt wie hierin vorgeschlagen ausgestattet sind. Die volle Betriebsbereitschaft des resultierenden Batteriesystems kann wesentlich besser sichergestellt werden. Hierbei muss der Hauptkreis, beispielsweise das Fahrzeug, zum Balancen, d.h. Angleichen der Spannungs- beziehungsweise Ladezustände der unterschiedlichen Batterien, nicht zugeschaltet werden und kann somit spannungsfrei bleiben. Parallele und serielle Imbalancen können gleichzeitig beseitigt werden. Impulsströme werden beseitigt oder zumindest minimiert, wodurch das Balancing die Batteriezellen und Komponenten weniger belastet. Ein Ladungsausgleich erfolgt beispielsweise in Minuten statt Sekunden, was eine verbesserte Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Komponenten zur Folge hat.
Vorzugsweise ist die Batterie eine HV-Batterie (Hochvoltbatterie), wobei der Hauptanschluss und/oder Balancinganschluss in diesem Fall ein HV-Anschluss (Hochvoltanschluss) ist, wodurch die Batterie als Traktionsbatterie geeignet ist. Der Hauptanschluss und/oder der Balancinganschluss sind vorzugsweise in eine HVIL-Überwachung (High-Voltage-Interlock-Monitoring) eingebunden, um einen Berührungsschutz zu gewährleisten.
Ein HVIL umfasst einen separaten Signalkreis beziehungsweise eine Pilotlinie, die von einer Überwachungseinheit überwacht wird, und stellt an allen Anschlüssen, die beispielsweise als Stecker oder als Buchsen ausgebildet sein können, jeweils Signalkontakte bereit. Durch das Verbinden eines entsprechend komplementären Anschlusses mit den jeweiligen Steckern oder Buchsen werden die Signalkontakte geschlossen und damit der Signalkreis geschlossen. Auf diese Weise kann ermittelt werden, ob an allen Steckern und Buchsen jeweils komplementäre Buchsen und Stecker gesteckt sind und das System damit berührungssicher ist. Entsprechend kann überwacht werden, dass keine offenen Enden vorhanden sind, die eine Gefährdung von Personen bereitstellen könnten. Vorzugsweise umfasst der Hauptanschluss und/oder Balancinganschluss eine Steckverbindung, wodurch eine schnelle und sichere Zusammenschaltung der Batterien ermöglicht wird, wobei die Steckverbindung des Hauptanschlusses bevorzugt separat von der Steckverbindung des Balancinganschlusses vorgesehen ist. In einer Alternative können der Hauptanschluss und der separat dazu vorliegende Balancinganschluss auch in einem gemeinsamen Stecker zusammengefasst sein.
Vorzugsweise umfasst der Balancingabschnitt einen Strombegrenzer, der im Balancingpfad zwischen dem Batterieabschnitt und dem Balancinganschluss angeordnet ist. Der Strombegrenzer ist eingerichtet, um unterschiedliche Ladezustände beim Zusammenschalten mehrerer Batterien über die jeweiligen Balancinganschlüsse einander anzugleichen. Der Strombegrenzer ist vorzugsweise so eingerichtet, dass die Angleichung der Ladezustände mit kontrollierten, insbesondere vergleichsweise geringen Strömen erfolgt.
Vorzugsweise umfasst der Strombegrenzer einen Widerstand im Balancingpfad, wodurch auf baulich einfache und zuverlässige Weise eine Strombegrenzung realisiert wird. Als mögliche alternative Ausführungsvariante umfasst der Balancingabschnitt nur den Balancinganschluss, einen vom BMS kontrollierten zweipoligen Schalter sowie eine etwaige Sicherung. Die eigentliche Strombegrenzung findet dann extern, beispielsweise in einer Konditionierungseinrichtng, statt.
Vorzugsweise umfasst der Strombegrenzer eine thermische Regelung. In einem baulich einfachen Fall ist die thermische Regelung durch eine thermische Abschaltung realisiert. Die thermische Regelung steht vorzugsweise in Kommunikation mit dem Schalter, um diesen bei Bedarf zu schalten. Die Kommunikation beziehungsweise Auslösung des Schalters kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Eine thermische Regelung im Balancingabschnitt ist hilfreich, um die elektrisch/elektronischen Komponenten nicht auf den höchstmöglichen Betriebspunkt auslegen zu müssen. Alternativ oder zusätzlich kann diese Funktion von einem Batterie-Management-System (BMS) übernommen werden.
Vorzugsweise umfasst der Strombegrenzer eine Überspannungsabschaltung, die besonders im Betrieb mit seriell verschalteten Batterien hilfreich ist. Die Überspannungsabschaltung steht vorzugsweise in Kommunikation mit dem Schalter, um diesen bei Bedarf zu schalten. Die Kommunikation beziehungsweise Auslösung des Schalters kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann diese Funktion ebenfalls vom BMS übernommen werden.
Vorzugsweise umfasst der Strombegrenzer eine Sicherung, die besonders bevorzugt als Schmelzsicherung oder Pyrofuse beziehungsweise Pyrosicherung ausgeführt ist. Die Sicherung schützt die Elektrik der Batterie bei einem etwaigen Kurzschluss.
Vorzugsweise umfasst der Balancingabschnitt einen Schalter, der eingerichtet ist, um den Balancingpfad zwischen dem Batterieabschnitt und dem Balancinganschluss zu öffnen oder zu schließen. Über den Schalter ist der Balancinganschluss bei Bedarf zu- oder abschaltbar, wodurch der Balancingbetrieb und der reguläre Betrieb voneinander getrennt werden können. Der Schalter ist zu diesem Zweck vorzugsweise über das BMS ansteuerbar.
Vorzugsweise umfasst der Schalter zumindest ein Relais und/oder eine Relais-Halbleiterkombination, um eine zuverlässige elektronische Fernsteuerung des Schalters zu implementieren. Umfasst der Balancingpfad eine erste Leitung und eine zweite Leitung, so ist der Schalter in diesem Fall vorzugsweise ein zweipoliger Schalter, eingerichtet, um die erste Leitung und zweite Leitung des Balancingpfads synchron zu öffnen beziehungsweise zu schließen. Ist ein Pol des Schalters mit einem Halbleiter ausgeführt, so ist eine Puls-Pausen-Regelung (PWM) realisierbar.
Wenn einer der Schalter als Halbleiter ausgeführt ist, kann über eine PWM eine maximale Temperatur geregelt werden. Damit kann über einen weiten Arbeitsbereich (Spannungsunterschiede) schnellstmöglich ausgeglichen werden.
Die Bezeichnungen „erste(r)“, „zweite(r)“ in Verbindung mit Leitungen oder anderen Komponenten dienen allein der sprachlichen Unterscheidung, sie implizieren keine Nummerierung, Reihenfolge, Priorität oder dergleichen.
Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Batteriesystem gelöst, das mehrere parallel und/oder seriell geschaltete Batterien gemäß einer der vorstehend dargelegten Ausführungsvarianten umfasst.
Die Merkmale, technischen Wirkungen, Vorteile sowie Ausführungsbeispiele, die in Bezug auf die Batterie als individuelles Modul beschrieben wurden, gelten analog für das daraus aufgebaute Batteriesystem.
Vorzugsweise sind die Batterien über deren Hauptstromanschlüsse in einem Hauptnetz zusammengeschaltet, wodurch eine leistungs- beziehungsweise energiestarke Gesamtbatterie auf einfache Weise und je nach Bedarf konfigurierbar bereitgestellt wird. Das Hauptnetz ist hierbei mit einer Last, etwa dem Elektromotor eines Fahrzeugs, und/oder einer Stromversorgung, etwa zum Laden des Batteriesystems, verbindbar oder verbunden.
Vorzugsweise sind die Batterien - zusätzlich oder alternativ zum Hauptnetz - über deren Balancinganschlüsse in einem Balancingnetz, das sich vom Hauptnetz unterscheidet, zusammengeschaltet, d.h. miteinander verbunden. Auf diese Weise kann das Batteriesystem auch mit geringem Strom geladen oder entladen werden. Damit ist auf schonende Weise ein gewünschter Ladezustand einstellbar, beispielsweise 50% bei Nichtbenutzung (Überwinterung) des Batteriesystems oder 100% für maximale Energie.
Vorzugsweise ist das Balancingnetz zu diesem Zweck an eine Konditionierungseinrichtung angeschlossen, die eingerichtet ist, um die Batterien über deren Balancinganschlüsse auf einen vorgegebenen, d.h. gewünschten, Ladezustand zu bringen. Die Konditionierungseinrichtung kann einen mit einer Stromversorgung verbindbaren oder verbundenen Lader und/oder Entlader umfassen. Die Konditionierungseinrichtung kann sich von einer gewöhnlichen Ladeeinrichtung, beispielsweise einer Wallbox, unterscheiden, durch eine solche realisiert oder in einer solchen integriert sein.
Vorzugsweise bildet das Batteriesystem eine Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, wobei die hierin bereitgestellte Flexibilität besonders geeignet ist für hohe Leistungsanforderungen, wie sie beispielsweise im Bereich der Nutzfahrzeuge (Busse, Lastkraftwagen, Zugmaschinen, Kranwagen, Traktoren und dergleichen) gestellt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die darin beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 schematisch ein Batteriesystem mit in einem Hauptnetz parallel und seriell geschalteten Batterien;
2 schematisch den Aufbau einer Batterie mit einem Balancingabschnitt, der einen Strombegrenzer und einen Balancinganschluss umfasst;
3 schematisch den Aufbau eines beispielhaften Balancingabschnitts; und
4 schematisch ein Batteriesystem mit in einem Hauptnetz und einem Balancingnetz parallel und seriell geschalteten Batterien;

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanz zu vermeiden.
Die 2 zeigt auf schematische Weise den Aufbau einer verbesserten Batterie 10, die für die Installation eines Batteriesystems 1 beispielsweise gemäß der 1, deren obige Beschreibung hierin einbezogen ist, genutzt werden kann. Das Batteriesystem 1 findet vorzugsweise als Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug Anwendung und/oder als stationäre Speicheranwendung.
Die modularen Batterien 10 sind aus diesem Grund vorzugsweise HV-Batterien. Insbesondere im Fall von Nutzfahrzeugen werden oft mehrere Batterien 10, die an unterschiedlichen Positionen in dem Fahrzeug positioniert sind, zu einem solchen Batteriesystem 1 zusammengeschaltet. Die Batterien 10 können in einem Nutzfahrzeug beispielsweise im Unterboden, im Fahrzeugbug und/oder im Fahrzeugheck angeordnet sein.
Die Batterie 10 weist ein Batteriegehäuse 12 auf, das vorzugsweise fluiddicht ausgebildet ist. Die Batterie 10 umfasst ferner einen im Batteriegehäuse 12 angeordneten Batterieabschnitt 20, der den Aufbau einer üblichen Batterie haben kann.
So umfasst der Batterieabschnitt 20 zumindest ein, jedoch vorzugsweise mehrere Batteriemodule 21 mit üblicherweise mehreren Batteriezellen, die der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht gezeigt sind. Die Batteriezellen sind beispielsweise von zylindrischer Form und gitterartig nebeneinander, parallel ausgerichtet angeordnet, beispielsweise in der Struktur der dichtesten Kreispackung (im Querschnitt zur Längserstreckung der Batteriezellen gesehen). Gehalten werden die Batteriezellen vorzugsweise sandwichartig von einer Modulbodenplatte und einer Moduldeckplatte, die neben der mechanischen Funktion, die Batteriezellen zu Batteriemodulen 21 zusammenzufassen und zu fixieren, die elektrische Verdrahtung der Batteriezellen vornehmen können.
Der Batterieabschnitt 20 kann ferner einen Anschlussabschnitt 22 umfassen, der beispielsweise Leitungen und/oder Anschlüsse physisch zusammenführt. Der Anschlussabschnitt 22 kann alternativ oder zusätzlich Sensoren, Elektronik und/oder eine vollständige oder teilweise Batteriesteuerung aufweisen. So kann der Anschlussabschnitt 22 ein Batterie-Management-System BMS 24 (vgl. 3) umfassen oder mit einem solchen kommunizieren. Das BMS 24 übernimmt hierbei die elektronische Steuerung der Batterie 10 oder Teilaufgaben derselben. Ein solches BMS 24 kann jedoch auch Bestandteil des Batteriesystems 1 sein, extern, zentral oder dezentral, softwaregestützt oder auf andere Weise realisiert sein.
Der Batterieabschnitt 20 ist ferner mit einem Hauptanschluss 23 ausgestattet, über den die Batterie 10 in das Hauptnetz 11 integrierbar und somit an die Leitungen 11a, 11b des Hauptstrompfads anschließbar ist. Die Batterie 10 kann auf diese Weise alleinstehend oder als Teil des Batteriesystems 1 an eine Last und/oder eine Stromversorgung angeschlossen werden. Der Hauptanschluss 23 ist vorzugsweise ein HV-Anschluss und als entsprechende Steckverbindung ausgebildet.
Neben dem Batterieabschnitt 20 weist die vorgeschlagene Batterie 10 einen Balancingabschnitt 30 auf, der eine Balancing- beziehungsweise Ausgleichsfunktion bereitstellt, wodurch Spannungen beziehungsweise Ladungen beim Zusammenschalten mehrerer Batterien 10 zum Batteriesystem 1 einander auf schonende Art und Weise angeglichen werden können. Der Balancingabschnitt 30 steht über einen Balancingpfad 13, umfassend eine erste Leitung 13a und eine zweite Leitung 13b, mit dem Batterieabschnitt 20 in Verbindung. Der Balancingpfad 13 ist dabei mit allen Batteriezellen verbunden - beispielsweise kann die erste Leitung 13a mit dem positiven HV-Pfad des Batterieabschnitts 20 und die zweite Leitung 13b mit dem negativen HV-Pfad des Batterieabschnitts 20 verbunden sein.
Der Balancingabschnitt 30 umfasst einen Balancinganschluss 31, der wie der Hauptanschluss 23 vorzugsweise ein HV-Anschluss ist, aber von dem Hauptanschluss 23 separat ausgeführt ist. Der Balancinganschluss 31 stellt eine zusätzliche Verbindung bereit, über die alle Batterien 10 des Batteriesystems 1 oder eine Teilmenge derselben strombegrenzt miteinander verbindbar sind. Zu diesem Zweck umfasst der Balancingabschnitt 30 einen Strombegrenzer 32 im Balancingpfad 13 sowie gegebenenfalls einen Schalter 33, der eingerichtet ist, um den Balancingpfad 13 in der Batterie 10 zu öffnen, d.h. zu unterbrechen, beziehungsweise zu schließen.
Sind die einzelnen Batterien 10 des Batteriesystems 1 ausgeschaltet, die Batterien 10 aber über die jeweiligen Balancingpfade 13 miteinander verbunden, können sich die Spannungen beziehungsweise Ladungen über die zwischengeschalteten Strombegrenzer 32 strombegrenzt angleichen.
Vorzugsweise sind der Hauptanschluss 23 und/oder der Balancinganschluss 31 über jeweilige Steckverbindungen realisiert, um eine schnelle und sichere Zusammenschaltung der Batterien 10 zu ermöglichen. Ferner sind der Hauptanschluss 23 und/oder der Balancinganschluss 31 vorzugsweise in eine HVIL-Überwachung (High-Voltage-Interlock-Monitoring) eingebunden, um einen Berührungsschutz zu gewährleisten.
Ein HVIL umfasst einen separaten Signalkreis beziehungsweise eine Pilotlinie, die von einer Überwachungseinheit überwacht wird, und stellt an allen Anschlüssen, die beispielsweise als Stecker oder als Buchsen ausgebildet sein können, jeweils Signalkontakte bereit. Durch das Verbinden eines entsprechend komplementären Anschlusses mit den jeweiligen Steckern oder Buchsen werden die Signalkontakte geschlossen und damit der Signalkreis geschlossen. Auf diese Weise kann ermittelt werden, ob an allen Steckern und Buchsen jeweils komplementäre Buchsen und Stecker gesteckt sind und das System damit berührungssicher ist. Entsprechend kann überwacht werden, dass keine offenen Enden vorhanden sind, die eine Gefährdung von Personen bereitstellen könnten.
Der Strombegrenzer 32 kann als einfacher Widerstand 32a ausgeführt sein oder einen solchen umfassen, wie im Ausführungsbeispiel der 3 gezeigt.
Der Strombegrenzer 32 umfasst ferner vorzugsweise eine thermische Regelung 32b, die im baulich einfachsten Fall durch eine thermische Abschaltung realisiert ist. Eine solche thermische Regelung 32b ist hilfreich, um die elektrisch/elektronischen Komponenten nicht auf den höchstmöglichen Betriebspunkt auslegen zu müssen. Alternativ oder zusätzlich kann diese Funktion vom BMS 24 übernommen werden.
Optional umfasst der Strombegrenzer 32 eine Überspannungsabschaltung 32c, die besonders im Betrieb mit seriell verschalteten Batterien 10 hilfreich ist. Zusätzlich oder alternativ kann diese Funktion ebenfalls vom BMS 24 übernommen werden.
Über den oben genannten Schalter 33 ist der Balancinganschluss 31 abschaltbar. Der Schalter 33 ist vorzugsweise ein zweipoliger Schalter, etwa ein Relais oder eine Relais-Halbleiterkombination, der die Leitungen 13a, 13b des Balancingpfads 13 synchron öffnet oder schließt. Ist ein Pol des Schalters 33 mit einem Halbleiter ausgeführt, kann eine Puls-Pausen-Regelung (PWM) realisiert werden und darüber auch auf eine maximal mögliche Temperatur geregelt werden. Damit kann über einen weiten Arbeitsbereich (Spannungsunterschiede) schnellstmöglich ausgeglichen werden.
Die Ansteuerung des Schalters 33 über das BMS 24, die thermische Regelung 32b und/oder die Überspannungsabschaltung 32c kann über entsprechende Signalwege, in der 3 mit gepunkteten Pfeilen gekennzeichnet, drahtlos oder drahtgebunden erfolgen.
Der Strombegrenzer 32 umfasst vorzugsweise eine Sicherung 32d, die beispielsweise als Schmelzsicherung oder Pyrofuse ausgeführt ist, die bei einem etwaigen Kurzschluss in beide Richtungen schützt.
Die Verbindung der Balancinganschlüsse 31 der einzelnen Batterien 10 findet vorzugsweise über einfache Kabel statt, beispielsweise als Daisy Chain beziehungsweise Reihenschaltung, die von einem Balancinganschluss zum nächsten geführt wird. Eine Verbindung lässt sich auch über ein Bussystem realisieren.
Als mögliche Ausführungsvariante umfasst der Balancingabschnitt 30 nur den Balancinganschluss 31, einen vom BMS 24 kontrollierten zweipoligen Schalter 33 sowie die Sicherung 32d. Die Strombegrenzung findet dann extern statt.
Neben der Funktion, Spannungen beziehungsweise Ladungen der Batterien 10 im Batteriesystem 1 über den Balancingabschnitt 30 einander anzugleichen, können die Batterien 10 über den Balancinganschluss 31 optional auf einen bestimmten Ladezustand gebracht werden. Zu diesem Zweck können die Balancinganschlüsse 31 der Batterien 10 wie im Beispiel der 4 geschaltet und mit einer Konditionierungseinrichtung 40 verbunden werden.
Die Konditionierungseinrichtung 40 umfasst einen Lader 41, der mit der Stromversorgung eines geeigneten Stromnetzes verbindbar oder verbunden ist, und/oder einen Entlader 42. Ist die Konditionierungseinrichtung 40 über ein Balancingnetz 43 an die Balancinganschlüsse 31 der Batterien 10 angebunden, so kann damit ein bestimmter Ladezustand des Gesamtsystems eingestellt werden, beispielsweise 50% bei Nichtbenutzung (Überwinterung) des Batteriesystems 1 oder 100% für maximale Energie.
Das Zusammenschalten von Batterien 10 zu einem Batteriesystem 1 wird deutlich erleichtert, wenn die Batterien 10 jeweils mit einem Balancingabschnitt 30 ausgestattet sind. Die volle Betriebsbereitschaft des Batteriesystems 1 kann wesentlich besser sichergestellt werden. Hierbei muss der Hauptkreis, beispielsweise das Fahrzeug, zum Balancen, d.h. Angleichen der Spannungs- beziehungsweise Ladezustände, nicht zugeschaltet werden und kann somit spannungsfrei bleiben. Parallele und serielle Imbalancen können zudem gleichzeitig beseitigt werden. Impulsströme werden beseitigt oder minimiert, wodurch das Balancing die Batteriezellen und Komponenten weniger belastet. Ein Ladungsausgleich erfolgt beispielsweise in Minuten statt Sekunden, was eine erhöhte Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Komponenten zur Folge hat.
Sind die Batterien 10 über das Balancingnetz 43 mit einer geeigneten Ladeeinrichtung verbunden, kann das Batteriesystem 1 auch mit geringem Strom geladen oder entladen werden. Damit ist auf schonende Weise ein gewünschter Ladezustand einstellbar.
Der Entlader 42 kann auch einen Strombegrenzer umfassen, über den ein Entladen beziehungsweise Umladen der Batterien 10 strombegrenzt stattfinden kann.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Batteriesystem
10: Batterie
11: Hauptnetz
11a: Erste Leitung
11b: Zweite Leitung
12: Batteriegehäuse
13: Balancingpfad
13a: Erste Leitung
13b: Zweite Leitung
20: Batterieabschnitt
21: Batteriemodul
22: Anschlussabschnitt
23: Hauptanschluss
24: Batterie-Management-System
30: Balancingabschnitt
31: Balancinganschluss
32: Strombegrenzer
32a: Widerstand
32b: Thermische Regelung
32c: Überspannungsabschaltung
32d: Sicherung
33: Schalter
40: Konditionierungseinrichtung
41: Lader
42: Entlader
43: Balancingnetz

Claims

Batterie (10), vorzugsweise zur Verwendung als Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug und/oder für stationäre Speicheranwendungen, die aufweist: einen Batterieabschnitt (20) mit zumindest einem Batteriemodul (21), umfassend zumindest eine Batteriezelle, und einen an das Batteriemodul (21) angebundenen Hauptanschluss (23), über den die Batterie (10) durch Anschließen an ein Hauptnetz (11) mit einer Last und/oder einer Stromversorgung verbindbar ist; gekennzeichnet durch einen Balancingabschnitt (30), der über einen Balancingpfad (13) an den Batterieabschnitt (20) angebunden ist und einen vom Hauptanschluss (23) separaten Balancinganschluss (31) aufweist, über den die Batterie (10) mit einem vom Hauptnetz (11) unterschiedlichen Balancingnetz (43) zum Ausgleichen von Spannungsdifferenzen und/oder Ladungsunterschieden zwischen den im Balancingnetz (43) verbundenen Batterien (10) verbindbar ist.
Batterie (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) eine HV-Batterie ist und der Hauptanschluss (23) und/oder Balancinganschluss (31) ein HV-Anschluss ist, wobei der Hauptanschluss (23) und/oder der Balancinganschluss (31) vorzugsweise in eine HVIL-Überwachung eingebunden sind.
Batterie (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptanschluss (23) und/oder der Balancinganschluss (31) eine Steckverbindung umfasst, wobei die Steckverbindung des Hauptanschlusses (23) separat von der Steckverbindung des Balancinganschlusses (31) angeordnet ist.
Batterie (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Balancingabschnitt (30) einen Schalter (33) umfasst, der eingerichtet ist, um den Balancingpfad (13) zwischen dem Batterieabschnitt (20) und dem Balancinganschluss (31) zu öffnen oder zu schließen, wobei der Schalter (33) vorzugsweise über ein Batterie-Management-System (24) ansteuerbar ist.
Batterie (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (33) zumindest ein Relais und/oder eine Relais-Halbleiterkombination umfasst, wobei der Balancingpfad (13) vorzugsweise eine erste Leitung (13a) und eine zweite Leitung (13b) umfasst und der Schalter (33) vorzugsweise ein zweipoliger Schalter ist, der dazu eingerichtet ist, die erste Leitung (13a) und zweite Leitung (13b) des Balancingpfads (13) synchron zu öffnen und zu schließen.
Batterie (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Balancingabschnitt (30) einen Strombegrenzer (32) umfasst, der zwischen dem Batterieabschnitt (20) und dem Balancinganschluss (31) im Balancingpfad (13) angeordnet ist.
Batterie (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (32) einen Widerstand (32a) im Balancingpfad (13) umfasst.
Batterie (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (32) eine thermische Regelung (32b) umfasst, die vorzugsweise durch eine thermische Abschaltung realisiert ist.
Batterie (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (32) eine Überspannungsabschaltung (32c) umfasst und/oder der Strombegrenzer (32) eine Sicherung (32d), vorzugsweise als Schmelzsicherung oder Pyrofuse ausgeführt, umfasst.
Batteriesystem (1), das mehrere parallel und/oder seriell geschaltete Batterien (10) nach einem der vorigen Ansprüche umfasst.
Batteriesystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien (10) über deren Hauptstromanschlüsse (23) in einem Hauptnetz (11) zusammengeschaltet sind, wobei das Hauptnetz (11) mit einer Last und/oder einer Stromversorgung verbindbar oder verbunden ist.
Batteriesystem (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien (10) über deren Balancinganschlüsse (31) in einem Balancingnetz (43) zusammengeschaltet sind.
Batteriesystem (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Balancingnetz (43) an eine Konditionierungseinrichtung (40) angeschlossen ist, die eingerichtet ist, um die Batterien (10) über deren Balancinganschlüsse (31) auf einen vorgegebenen Ladezustand zu bringen, wobei die Konditionierungseinrichtung (40) einen mit einer Stromversorgung verbindbaren oder verbundenen Lader (41) und/oder Entlader (42) umfasst.
Batteriesystem (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Balancingnetz (43) ein Strombegrenzer vorgesehen ist.
Batteriesystem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausbildet.