DE102021119607A1

DE102021119607A1 - Energiespeichervorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102021119607A1
Application number: DE102021119607.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Karges; Alexander KROHMER
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung (1), aufweisend zumindest einen Anschluss (5) zum Anschließen der Energiespeichervorrichtung (1) an ein elektrisches Netz sowie Batteriezellen (2) zum Speichern von Energie und eine Zellkontaktiereinrichtung (4), die dazu eingerichtet ist, die Batteriezellen (2) mit dem zumindest einen Anschluss (5) zu verbinden. Es ist vorgesehen, dass die Zellkontaktiereinrichtung (4) als mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung (4) ausgestaltet ist, wobei die mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung zumindest ein Lagensystem (6) für eine jeweilige Spannungslage aufweist, wobei das zumindest eine Lagensystem (6) zumindest eine jeweilige Leiterlage (7) umfasst, um die Batteriezellen (2) mit dem zumindest einen Anschluss (5) der Energiespeichervorrichtung (1) zu verbinden, die mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung eine Schalteinrichtung (9) aufweist, die eine Steuereinheit (11) und mehrere ansteuerbare Schalteinheiten (10) aufweist, wobei die Steuereinheit (11) dazu eingerichtet ist, die Batteriezellen (2) gemäß einer aus zumindest zwei vorbestimmten Schaltungskonfigurationen (12) der Schalteinheiten (10) mit dem jeweiligen Lagensystem (6) zu verschalten, um die jeweilige Spannungslage in dem zumindest einen Lagensystem (6) bereitzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, aufweisend zumindest einen Anschluss zum Anschließen der Energiespeichervorrichtung an ein elektrisches Netz, ein Verfahren zum Betreiben der Energiespeichervorrichtung und ein Fahrzeug, aufweisend zumindest eine Energiespeichervorrichtung.
Energiespeichervorrichtungen für Hochvoltsysteme weisen eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen auf. Diese sind miteinander verschaltet, um vorbestimmte Spannungen bereitzustellen. Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden Zellkontaktierungssysteme verwendet, wobei es sich in der Regel um Blechstanzteile handelt, welche die einzelnen Batteriezellen miteinander verschalten. Diese Busbars weisen dünne Metallstrukturen auf, welche die Batteriezellen an den jeweiligen Polen kontaktieren. Durch die Busbars wird zum Zeitpunkt der Fertigung der Energiespeichervorrichtung eine unveränderbare Konfiguration vorgegeben, wie die einzelnen Batteriezellen miteinander verschaltet sind. In der Konfiguration ist insbesondere eine Anzahl der jeweils parallegeschalteten und reihengeschalteten Batteriezellen vorgegeben.
Diese Zellkontaktierungskonzepte weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Ein Nachteil besteht darin, dass eine Zellenkonfiguration der Verschaltung der einzelnen Batteriezellen statisch vorgegeben ist. Es ist somit nicht möglich, diese während eines Betriebs der Energiespeichervorrichtung zu verändern, um unterschiedliche Spannungen bereitzustellen. Funktionen, welche eine Regelung der Spannung ermöglichen, werden nach dem Stand der Technik aus diesem Grund in gesonderte Elemente der Energiespeichervorrichtung ausgelagert. Dies betrifft beispielsweise Wechselrichter zur Bereitstellung einer Wechselspannung. Somit weisen die Zellkontaktierungskonzepte mit klassischen Busbars keinerlei Intelligenz auf und stellen keine Schaltfunktion oder Möglichkeiten der Variation der Verschaltung der Batteriezellen bereit. Aus diesem Grund ist es auch erforderlich, eine zusätzliche Energiespeichervorrichtung in einem Fahrzeug bereitzustellen, um ein Niedervoltsystem des Fahrzeugs mit einer Spannung von üblicherweise 12 V zu versorgen.
Die Busbars übernehmen auch keinerlei mechanische Strukturfunktion in der Energiespeichervorrichtung, um beispielsweise eine Anordnung von Batteriezellen mechanisch zu stabilisieren. Diese Funktion wird ebenfalls durch separate mechanische Stabilisierungselemente in den Energiespeichervorrichtungen bereitgestellt.
Aus Sicherheitsgründen ist es ferner erforderlich, Trennelemente und Sicherungselemente in Energiespeichervorrichtungen bereitzustellen, um einzelne Batteriezellen im Fall eines Kurzschlusses vor einem Durchbrennen zu schützen und eine Bereitstellung einer Hochspannung im Fall einer Reparatur oder eines Unfalls abzustellen.
Die beschriebene Bereitstellung zusätzlicher Bauteile in der Energiespeichervorrichtung, führt dazu, dass Zellkontaktierungssysteme durch diese Aufteilung der Funktionen auf einzelne Bauteile sehr kleinteilig aufgebaut sind. Hierdurch ergibt sich ein sehr hoher Aufwand in der Herstellung der Energiespeichervorrichtungen.
In der Gebrauchsmusterschrift AT 009790 U1 ist eine Hochvoltbatterie mit Verbindereinheit offenbart. Die beschriebene Hochvoltbatterie besteht aus einer Anzahl in Reihe angeordneter Zellen, einer Tragstruktur und einer Deckplatte, in welcher Hochstromverbinder für die einzelnen Zellen und eine Zellüberwachungseinheit angebracht sind. Um niedrigere Kosten für Herstellung, Montage und Logistik zu erreichen, ist die Deckplatte als eine mehrlagige Leiterplatte mit mindestens zwei leitenden Lagen eingerichtet.
In der DE 10 2014 118 188 A1 ist Einzelkontaktierungssystem für eine elektrochemische Vorrichtung offenbart. Das Kontaktierungssystem ist für eine elektrochemische Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Zellen umfasst ausgelegt. Dasselbe Kontaktierungssystem weist ein Signalleitungssystem mit einer oder mehreren Signalleitungen auf. Das Signalleitungssystem weist mindestens eine flexible Leiterplatte auf, wobei die flexible Leiterplatte mindestens eine flexible Isolationsfolie mindestens eine an der Isolationsfolie angeordnete Leiterbahnen umfasst.
In der DE 10 2014 224 371 A1 ist ein Batteriesystem mit einer hybriden Batterie offenbart. Das Batteriesystem weist einen Wechselrichter auf, der eingangsseitigen mit der Batterie verbunden ist, und dazu ausgebildet ist, eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung in eine ausgangsseitig anliegende insbesondere mehrphasige Wechselspannung umzuwandeln. Das Batteriesystem weist eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, durch Steuern von mehreren Halbleiterschaltern des Wechselrichters den Wechselrichter in drei Funktionsmodi zu betreiben.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine variable Verschaltung von Batteriezellen einer Energiespeichervorrichtung zu ermöglichen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, die zumindest einen Anschluss zum Anschließen der Energiespeichervorrichtung an einem elektrischen Netz aufweist. Die Energiespeichervorrichtung weist ferner Batteriezellen zum Speichern von Energie auf und eine Zellkontaktiereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Batteriezellen mit dem zumindest einen Anschluss elektrisch leitend zu verbinden. Mit anderen Worten wird eine Energiespeichervorrichtung bereitgestellt, die mehrere Batteriezellen zum Speichern der Energie aufweist. Bei den Batteriezellen kann es sich beispielsweise um Lithiumionenakkumulatoren handeln, die in einem Muster angeordnet sein können. Die Energiespeichervorrichtung kann insbesondere ein Hochvoltspeicher für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug sein.
Es ist vorgesehen, dass die Zellkontaktiereinrichtung als mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung ausgestaltet ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Zellkontaktiereinrichtung um eine Anordnung mehrerer Lagen. Diese Lagen können beispielsweise gestapelt in einer sogenannten Sandwichstruktur angeordnet sein. Die mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung weist zumindest ein Lagensystem für eine jeweilige Spannungslage auf, wobei das zumindest eine Lagensystem zumindest eine Leiterlage umfasst. Mit anderen Worten umfasst die mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung das zumindest eine Lagensystem, das für die jeweilige Spannungslage vorgesehen ist. Das zumindest eine Lagensystem umfasst die zumindest eine Leiterlage zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zumindest zwischen einigen der Batteriezellen. Bei der Leiterlage kann es sich um eine elektrisch leitfähige Schicht (z.B. aus Kupfer und/oder Aluminium) handeln, welche strukturiert auf ein elektrisch isolierendes Substrat aufgetragen wurde, wodurch diese vorbestimmte elektrisch leitende Verbindungen aufweist. Es ist auch möglich, dass das Lagensystem mehrere solcher Leiterlagen aufweist. Dies kann beispielsweise vorgesehen sein, wenn eine jeweilige Leiterlage des Lagensystems einem bestimmten Pol der Batteriezellen oder einer bestimmten Phase zugewiesen ist. Es ist vorgesehen, dass die Batteriezellen durch die zumindest eine Leiterlage mit dem zumindest einen Anschluss der Energiespeichervorrichtung elektrisch leitend verbunden sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Batteriezellen durch das Lagensystem kontaktiert werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die jeweiligen Pole der Batteriezellen durch Steckverbindungen mit den Leitern der zumindest einen elektrisch Leiterlage verbunden sind. Die Leitungen der Leiterlage können beispielsweise Aluminium und/oder Kupfer aufweisen.
Die mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung weist eine Schalteinrichtung auf, die eine Steuereinheit und mehrere ansteuerbare Schalteinheiten aufweist. Mit anderen Worten, es ist vorgesehen, dass ansteuerbare Schalteinheiten bereitgestellt sind, wobei es sich um Leistungsschaltungen handeln kann. Diese können durch die Steuereinheit angesteuert werden, um dadurch beispielsweise auf leitend oder sperrend geschaltet zu werden. Die Steuereinheit kann beispielsweise einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor mit angeschlossen HV-Schaltelement umfassen. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Schalteinheiten so anzusteuern, dass die Batteriezellen gemäß der zumindest zwei vorbestimmten Schaltungskonfigurationen mit dem jeweiligen Lagensystem verschaltet sind. Dadurch kann die jeweilige Spannungslage in dem Lagensystem bereitgestellt werden. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass eine variable Verschaltung der Batteriezellen mit dem Lagensystem ermöglicht ist. Eine Gesamtheit der Schaltzustände der jeweiligen Schalteinheiten kann durch die Schaltungskonfigurationen vorgegeben sein. In den Schaltungskonfigurationen können die einzelnen Schaltzustände aller Schalteinheiten vorbestimmt sein. Die Schaltungskonfigurationen können sich voneinander unterscheiden, wodurch es möglich ist, unterschiedliche Spannungslagen in dem zumindest einen Lagensystem bereitzustellen. Mit anderen Worten kann es beispielsweise möglich sein, dass die Batteriezellen in Abhängigkeit von der gewählten Schaltungskonfiguration unterschiedlich miteinander verschaltet werden, wodurch sich eine jeweilige Spannungslage in dem zumindest ein Lagensystem ergibt. Die Spannungslage kann an dem Anschluss der Energiespeichervorrichtung bereitgestellt sein. Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Spannungslage nicht fest vorgegeben ist, wie dies beispielsweise bei einer gestanzten Busbar nach dem Stand der Technik der Fall ist. Es ist dagegen möglich, die Verschaltung der Batteriezellen über die schaltbaren Schalteinheiten variabel durch eine Wahl einer der Schaltungskonfigurationen festzulegen, um die gewünschte Spannungslage bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Batteriezellen der Energiespeichervorrichtung als boolsche Operatoren verschalt sein. Je nach Schaltungskonfiguration ergeben sich in einem jeweiligen Lagensystem andere Spannungssummen oder Spannungsüberlagerungen der Zellspannungen. Über die Mehrlagigkeit im Kontaktierungsaufbau kann ein multidimensionales Zellkontaktiersystem bereitgestellt sein.
Die Erfindung umfasst auch optionale Weiterbildungen, durch die sich weitere Vorteile ergeben.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch die zumindest zwei Schaltungskonfigurationen jeweilige Parallelverschaltungen zumindest einige der Batteriezellen und/oder jeweilige Reihenverschaltungen zumindest einiger der Batteriezellen vorgegeben sind. Mit anderen Worten ist durch die Schaltungskonfigurationen vorgegeben, welche Verbindung zumindest einige der Batteriezellen bezüglich ihrer Parallelverschaltungen und/oder ihrer Reihenverschaltungen aufweisen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine vorbestimmte Stromstärke und/oder eine vorbestimmte Spannungslage eingestellt werden kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch zumindest zwei der Schaltungskonfigurationen jeweilige Hochvoltspannungslagen bereitgestellt werden. Durch eine der Schaltungskonfigurationen kann beispielsweise die Hochvoltspannungslage von 400 V und durch zumindest eine weitere der Schaltungskonfigurationen die Hochvoltspannungslage von 800 V vorgegeben sein. Es ist auch möglich, dass eine der Hochvoltspannungslagen mit über 800V, beispielsweise 900V, vorgegeben sein kann. Mit anderen Worten ist eine der Schaltungskonfigurationen so definiert, dass die Batteriezellen der Energiespeichervorrichtung in der Schaltungskonfiguration der Art miteinander verschaltet sind, dass eine Hochvoltspannungslage in dem zumindest einem Lagensystem bereitgestellt wird. Entsprechend ist eine weitere der Schaltungskonfigurationen so definiert, dass die Batteriezellen so miteinander verschaltet sind, dass eine zweite Spannungslage in dem zumindest einem Lagensystem bereitgestellt ist. Eine weitere der Schaltungskonfigurationen kann eine Spannungslage über 800V, beispielsweise 900V vorgeben. Spannungslagen in diesem Spannungsbereich werden auch als Hochvoltlagen bezeichnet. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass beispielsweise Hochvoltspannungen für den Standard von 400 V als auch für den Standard von 800 V durch die Energiespeichervorrichtung bereitgestellt werden können. Die Bereitstellung unterschiedlicher Hochvoltspannungslagen ermöglicht eine Verwendung unterschiedlicher Ladeinfrastruktursysteme. Bei älteren Systemen ist eine Spannungslage von 400V verbreitet, während bei neueren eine Spannungslage von 800V üblich ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch zumindest eine der Schaltungskonfigurationen eine Niedervoltspannungslage vorgegeben ist. Mit anderen Worten sind durch eine der Schaltungskonfigurationen die Schaltzustände der Schalteinheiten so vorgegeben, dass in zumindest einem der Lagensysteme eine Spannungslage für Niedervoltsysteme bereitgestellt wird. Die Niedervoltspannungslage kann beispielsweise eine Spannung von 12 V aufweisen. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass durch die Energiespeichervorrichtung eine Niedervoltspannung bereitgestellt werden kann. Dadurch ist es möglich, dass auch eine in Fahrzeugen erforderliche Niedervoltspannung durch die Energiespeichervorrichtung bereitgestellt werden kann. Es ist somit nicht erforderlich, eine zusätzliche Energiespeichervorrichtung zur Bereitstellung der Niedervoltspannung in dem Fahrzeug anzuordnen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung zumindest zwei der Lagensysteme aufweist, wobei die Schalteinrichtung dazu eingerichtet ist, die jeweiligen Batteriezellen gemäß der gewählten Schaltungskonfiguration mit keiner, einer oder mehreren der Lagensystem gleichzeitig zu verschalten. Mit anderen Worten weist die mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung mehrere Lagensysteme auf. Die Lagensysteme können die jeweiligen Leiterlagen aufweisen, die dazu vorgesehen sein können, die Batteriezellen zu kontaktieren. Die Lagensysteme können dabei voneinander verschiedene Leiterlagen bereitstellen, wobei in einem jeweiligen der zumindest zwei Lagensysteme eine jeweilige Spannungslage bereitgestellt sein kann. Zumindest einige der Batteriezellen können dabei zu einem vorbestimmten Zeitpunkt gemäß zumindest einer der Schaltungskonfigurationen mit keiner der Lagensysteme verbunden sein, mit einem der Lagensysteme verbunden sein oder mit beiden der Lagensysteme. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt ein erster Teil der Batteriezellen mit einem ersten der Lagensysteme verbunden ist und ein zweiter Teil der Batteriezellen mit einem zweiten der Lagensysteme. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt beispielsweise eine Hochvoltspannungslage und eine Niedervoltspannungslage gleichzeitig bereitgestellt sein können.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest zwei Lagensysteme mit einem jeweiligen Batterieanschluss verbunden sind. Mit anderen Worten umfasst die Energiespeichervorrichtung mehrere Batterieanschlüsse, welche mit einem jeweiligen Lagensystem verbunden sind, um die jeweilige Spannungslage des Lagensystems bereitzustellen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Batterieanschluss zur Bereitstellung einer Niedervoltspannung von 12 V aus einem der Lagensysteme bereitgestellt ist und ein Batterieanschluss zur Bereitstellung einer Hochvoltspannung von 400 V oder 800 V aus einem anderen der Lagensysteme.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest einzelne der Batteriezellen über eine der jeweiligen Schalteinheiten mit zumindest einem der jeweiligen Lagensysteme verbunden sind, die in einem Normalzustand sperrend ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Schalteinheiten, welche jeweilige der Batteriezellen mit zumindest einer der Spannungslagen verbinden, in einem Standardzustand auf nicht leitend geschaltet sind. Mit anderen Worten sind die einzelnen Batteriezellen, ohne eine Ansteuerung der jeweiligen Schalteinheiten nicht leitend mit dem Lagensystem verbunden. Es ist somit erforderlich, die einzelnen Schalteinheiten anzusteuern, damit die jeweiligen Batteriezellen mit dem Lagensystem elektrisch leitend verbunden sind. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass in einem Normalzustand keine leitende Verbindung zwischen den Batteriezellen und dem Lagensystem hergestellt ist. Es ist somit nicht erforderlich eine Sicherheitsverjüngung oder eine andere Sicherungsmaßnahme, wie sie bei einer Busbar nötig ist, bereitzustellen. So kann beispielsweise im Fall eines Unfalls oder eines Kurzschlusses einer der Batteriezellen ein Durchbrennen der jeweiligen Batteriezelle ausgeschlossen sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schalteinrichtung dazu eingerichtet ist, zwischen den zumindest zwei vorbestimmten Schaltungskonfigurationen in Abhängigkeit von einer Zeit nach einem vorbestimmten Wechselverfahren umzuschalten. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Schalteinrichtung dazu eingerichtet ist, die Schalteinheiten gemäß einer der zumindest zwei vorbestimmten Schaltungskonfigurationen zu schalten und diese Schaltung der Schalteinheiten in Abhängigkeit von einer Zeit durch einen Wechsel der Schaltungskonfiguration zu verändern. Dadurch kann eine aktive Symmetrierung ermöglicht sein. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von der Zeit die Schaltungskonfigurationen ausgetauscht werden. Dies kann beispielsweise vorgesehen sein, wenn in den Schaltungskonfigurationen nur manche der Batteriezellen kontaktiert werden. Eine Belastung derselben Zellen über einen längeren Zeitraum könnte dazu führen, dass diese stärker altern würden, als die anderen Batteriezellen. Durch einen Austausch der Schaltungskonfiguration durch eine andere der Schaltungskonfigurationen könnte nach einer vorbestimmten Zeit andere der Batteriezellen kontaktiert werden und die davor belasteten Batteriezellen abgetrennt werden. Dadurch kann es ermöglicht sein, beispielsweise zu einem bestimmten Zeitpunkt nur einen Teil der Batteriezellen mit dem Lagensystem zu verbinden, wobei der Teil der verbundenen Batteriezellen über die Zeit variiert. Hierdurch kann vermieden werden, dass bestimmte der Batteriezellen stärker verschleißen als andere.Dadurch können im Vergleich zu reinen Niedervoltspeichern die Batteriezellen durch eine geringere Zyklisierung besser geschont werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schalteinrichtung dazu eingerichtet ist, zwischen den zumindest zwei vorbestimmten Schaltungskonfigurationen in Abhängigkeit von einem Ladezustand (State-of-Charge, SOC) oder Gesundheitszustand (State of Health, SoH) der Batteriezellen nach einem vorbestimmten aktiven Symmetrierungsverfahren umzuschalten. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass durch die Schalteinrichtung nach dem vorbestimmten aktiven Symmetrierungsverfahren zwischen den Schaltungskonfiguration umgeschaltet wird. Die Schaltungskonfigurationen können beispielsweise jeweils unterschiedliche Batteriezellen für eine Kontaktierung vorsehen. Um einen übermäßigen Verschleiß bestimmter Batteriezellen zu vermeiden, kann es vorgesehen sein, dass der Ladezustand oder der Gesundheitszustand durch die Steuereinheit protokolliert und/oder anhand bestimmter Alterungsparameter, wie dem Innenwiderstand, erfasst wird und die Schaltungskonfigurationen in Abhängigkeit von dem Ladezustand oder dem Gesundheitszustand der Batteriezellen gewechselt wird, um einen gleichmäßigen Verschleiß der Batterien sicherstellen zu können. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine aktive Schaltungskonfiguration gewechselt wird, wenn die in der aktiven Schaltungskonfiguration kontaktierten Batteriezellen einen Schwellenwert in Bezug auf den Ladezustand anderer Batteriezellen unterschreiten. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass über die Betriebszeit der Energiespeichervorrichtung aus den aktuell kontaktierten Batteriezellen signifikant mehr Energie bezogen wurde, als aus den anderen der Batteriezellen. Durch den Wechsel der aktiven Schaltungskonfiguration kann eine Bypassschaltung geändert werden, sodass die in der vorherigen Schaltungskonfiguration angeschlossenen Batteriezellen nicht mehr kontaktiert werden, sondern andere der Batteriezellen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schalteinrichtung zur Bereitstellung einer eine Wechselrichterfunktion eingerichtet ist und die Schalteinrichtung dazu eingerichtet ist, in der Wechselrichterfunktion in einer vorbestimmten zeitlichen Reihenfolge vorbestimmte Schaltungskonfigurationen anzusteuern, um in dem Lagensystem eine Wechselspannung durch eine zeitlich variierende Verschaltung bereitzustellen. Mit anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass zumindest einzelne der Batteriezellen mit einer jeweiligen Wechselschaltung mit dem Lagensystem verbunden sein können. Die Wechselschaltungen können als Doppel-H-Brücken bereitgestellt sein. Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Schalteinheiten mit zeitlich variierenden Schaltzuständen anzusteuern, um eine vorbestimmte Wechselspannung bereitzustellen. Der Versatz kann dabei derart gewählt sein, dass durch eine Überlagerung einzelner Batteriezellen in einer Reihenschaltung ein sinusartiger Verlauf der Wechselspannung erzeugt werden kann. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass ein zentraler Inverter an Elektromaschinen eines Fahrzeugs entfallen kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schalteinrichtung dazu eingerichtet ist, in zumindest einer der zeitlichen Reihenfolgen der Schaltungskonfigurationen eine Dreiphasenwechselspannung als jeweilige Spannungslage des Lagensystems bereitzustellen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass durch die Reihenfolge der Schaltungskonfigurationen in zumindest einer der Lagen eine Dreiphasenwechselspannung bereitgestellt wird. Das jeweilige Lagensystem kann beispielsweise drei Leiterlagen aufweisen, wobei einer jeweiligen der drei Leiterlagen eine jeweilige Phase der Dreiphasenwechselspannung zugewiesen sein kann.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. In dem Verfahren ist es vorgesehen, dass durch die Schalteinrichtung die Batteriezellen gemäß der gewählten Schaltungskonfiguration mit dem zumindest einem Lagensystem verschaltet werden, um eine jeweilige Spannungslage in dem zumindest einem Lagensystem bereitzustellen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das zumindest eine Energiespeichervorrichtung aufweist. Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug oder ein Hybridfahrzeug handeln. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen ausgebildet sein.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung;
2 eine mögliche Schaltungskonfiguration zur Bereitstellung einer Niedervoltspannungslage mit jeweiligen Schaltzuständen von Schalteinrichtungen;
3 zwei mögliche Schaltungskonfigurationen zur Bereitstellung jeweiliger Hochvoltspannungslagen in einem hierfür vorgesehenem Lagensystem;
4 eine wechselnde Verschaltung der Batteriezellen in Abhängigkeit einer Zeit oder eines Belastungszustands der Batteriezellen;
5 eine mögliche mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung, welche zur Bereitstellung einer Niedervoltspannungslage und einer Wechselspannungslage eingerichtet ist;
6 eine Wechselschaltungseinrichtung zur Bereitstellung einer Phase einer Wechselspannung;
7 eine mögliche Anordnung von drei Wechselschaltungseinrichtungen zur Bereitstellung einer Dreiphasenwechselspannung;
8 eine detailliertere schematische Darstellung der Energiespeichervorrichtung aus 1;
9 eine schematische Darstellung der Energiespeichervorrichtung zur Ermöglichung der in 3. gezeigten Schaltung;
10 eine schematische Darstellung der Energiespeichervorrichtung zur Ermöglichung der in 2. gezeigten Bypassschaltung; und
11 eine detailliertere schematische Darstellung der Energiespeichervorrichtung zur Bereitstellung einer Niedervoltspannungslage und einer Wechselspannungslage aus 5.

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung 1. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann mehrere Batteriezellen 2 aufweisen und in einem Fahrzeug 21 angeordnet sein. Die Batteriezellen 2 können beispielsweise Lithiumionenzellen sein und jeweilige Zellkontakte 3 aufweisen, über welche die Batteriezellen 2 elektrisch leitend kontaktiert werden können. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann eine Zellkontaktiereinrichtung 4 aufweisen, die dazu eingerichtet sein kann, die Batteriezellen 2 mit zumindest einem Anschluss 5 der Energiespeichervorrichtung 1 zu verbinden. Die Zellkontaktiereinrichtung 4 kann als mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung eingerichtet sein und mehrere Lagensysteme 6 aufweisen. Die Lagensysteme 6 können übereinander in einer Sandwichstruktur angeordnet sein. Es kann vorgesehen sein, dass ein jeweiliges Lagensystem 6 zumindest eine Leiterlage 7 aufweist, die Leiterverbindungen aufweisen kann. Die einzelnen Leiterlagen 7 können durch elektrisch isolierende Isolierlagen 8 voneinander getrennt sein. Eine Anzahl der Leiterlagen 7 eines jeweiligen der Lagensysteme 6 kann von einer Zahl der Phasen einer Spannungslage abhängen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Energiespeichervorrichtung 1 so eingerichtet ist, dass die Energiespeichervorrichtung 1 eine Schalteinrichtung 9 aufweist, um ein variables Verschalten der Batteriezellen 2 zu ermöglichen. Die Schalteinrichtung 9 kann zu diesem Zweck mehrere Schalteinheiten 10 aufweisen, die durch eine Steuereinheit 11 angesteuert werden können, um einen jeweiligen Schaltzustand 15 der jeweiligen Schalteinheiten 10 einzustellen. Eine Gesamtheit aller oder zumindest einiger der Schaltzustände 15 der Schalteinheiten 10 zu einem Zeitpunkt kann als jeweilige Schaltungskonfiguration 12 in der Steuereinheit 11 gespeichert sein. Durch die Schaltungskonfiguration 12 wird somit eine Verschaltung zumindest einiger der Batteriezellen 2 mit dem zumindest einem der Lagensysteme 6 festgelegt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass durch die Schalteinrichtung 9 eine vorbestimmte Parallelverschaltung und/oder eine vorbestimmte Reihenverschaltung von zumindest einigen der Batteriezellen 2 ermöglicht werden kann. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Schalteinrichtung 9 dazu eingerichtet ist, zumindest einige der Batteriezellen 2 in der jeweiligen Schaltungskonfiguration 12 mit zumindest einem der Lagensysteme 6 zu verbinden oder von allen der Lagensysteme 6 zu trennen. Bei der Steuereinheit 11 kann es sich insbesondere um einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor handeln. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in einer der Schaltungskonfigurationen 12 vorgegeben ist, dass zumindest einige der Batteriezellen 2 mit einem der Lagensysteme 6 verbunden sind, welches zur Bereitstellung einer Niedervoltspannungslage vorgesehen ist.
In einer der Schaltungskonfigurationen 12 kann vorgesehen sein, dass zumindest einige der Batteriezellen 2 mit einem Lagensystem 6 zur Bereitstellung einer Hochvoltspannungslage verbunden sind, und der Art durch die Schalteinheiten 10 verschaltet sind, dass durch das Lagensystem 6 eine Spannungslage von 800 V bereitgestellt wird. Ein weitere Konfiguration kann vorsehen, dass zumindest einige der Batteriezellen 2 mit dem Lagensystem 6 für Hochvolt-Spannung verbunden sind, wobei diese derart durch die Schalteinheiten 10 miteinander verschaltet sein können, dass eine Spannungslage von 400 V durch das Lagensystem 6 bereitgestellt wird. Es kann, vorgesehen sein, dass manche der Batteriezellen 2 zu einem selben Zeitpunkt mit dem Hochvoltlagensystem 6 verbunden sind und andere der Batteriezellen 2 mit den Niedervoltlagensystem 6 verbunden sind. Dadurch können zeitgleich Spannungslagen von 12 V und 800 V bereitgestellt sein.
Die mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung kann derart eingerichtet sein, dass diese mechanisch stabilisierend wirkt. Es können beispielsweise Stabilisierungslagen 13 zwischen den Leiterlagen 7 und/oder den Isolierlagen 8 eingebracht sein, um eine vorbestimmte mechanische Eigenschaft der Energiespeichervorrichtung 1 zu ermöglichen. Um eine Kühlung zu ermöglichen kann es vorgesehen sein, dass die mehrlagigen Zellkontaktierungsvorrichtung an zumindest einer Seite zumindest bereichsweise mit einer Kühlungseinrichtung 14 der Energiespeichervorrichtung 1 in thermischen Kontakt steht, um Wärme aus der mehrlagigen Zellkontaktierungsvorrichtung abzuführen. Es kann vorgesehen sein, dass eine jeweilige der Batteriezellen 2 von der Energiespeichervorrichtung 1 durch ein Schalten auf Sperren abgetrennt werden kann. Dies kann, ein Standardschaltungszustand der Schalteinheit 10 sein. Dadurch kann verhindert werden, dass die jeweilige Batteriezelle 2 im Fall eines Kurzschlusses durchbrennt, oder die Energiespeichervorrichtung 1 im Fall eines Unfalls oder einer Reparatur Spannung an dem Anschluss 5 bereitstellt. Hierdurch können der bei Energiespeichervorrichtungen verbreitete Modulverbinder und/oder der Berührschutz entfallen. Die Batteriezellen 2 können somit „fail safe“ sein, weil die jeweiligen Schalteinheiten 10 standardmäßig offen geschaltet sein können. Dadurch kann beispielsweise die zentrale HV-Schütze entfallen. Es ist auch eine Teilabschaltung nach einem Unfall möglich, wobei beschädigte Batteriezellen gezielt abgetrennt sein können. Damit kann das Erfordernis einer Bereitstellung eines zusätzlichen Modulverbinders und/oder /Berührschutzes entfallen.
2 zeigt eine mögliche Schaltungskonfiguration 12 zur Bereitstellung einer Niedervoltspannungslage mit Schaltzuständen 15 von Schalteinrichtungen 9 der Energiespeichervorrichtungen 1. In einer ersten Schaltungskonfiguration 12 kann es vorgesehen sein, dass mehrere der gezeigten Schalteinheiten 10 in Serie geschaltet sind, um eine Spannung von 12 V in dem Lagensystem 6 für Niedervoltspannungen bereitzustellen. Es kann vorgesehen sein, dass in dieser Schaltungskonfiguration 12 eine der Schalteinheiten 10 derart geschaltet wird, dass eine vorangehende Batteriezelle über einen Bypass 16 der Hochvoltspannungslage mit einer nachfolgenden Batteriezelle verbunden ist. Dadurch erfolgt eine Trennung der drei gezeigten Batteriezellen 2 von der vorangehenden und der folgenden Batteriezelle. Zwei weitere der Schalteinheiten 10 können so geschaltet sein, dass die drei Batteriezellen 2 mit zwei Leitlagen des Niedervoltlagensystems 6 verbunden sein können, um in diesem eine Spannungslage von 12 V bereitzustellen. Die verschalteten Batteriezellen 2, welche zur Bereitstellung der 12 V ein Zellenfeld 18 bilden, können in Abhängigkeit einer Zeit, einer Belastungshistorie, oder eines Zustands variieren, sodass eine dynamische Bereitstellung der 12 V ermöglicht sein kann.
3 zeigt zwei mögliche Schaltungskonfigurationen 12 zur Bereitstellung jeweiliger Hochvoltspannungslagen in einem hierfür vorgesehenem Lagensystem 6. Es kann vorgesehen sein, dass die zwei gezeigten vorbestimmten Schaltungskonfigurationen 12 dafür vorgesehen sind, jeweilige Hochvoltspannungslagen in dem Lagensystem 6 bereitzustellen. Durch eine der Schaltungskonfigurationen 12 kann eine Spannungslage von 400 V bereitgestellt sein und durch die andere Schaltungskonfiguration 12 eine Spannungslage von 800 V bereitgestellt wird. Durch die jeweilige Schaltungskonfiguration 12 kann festgelegt sein, wie die in den Figuren gezeigten Schalteinheiten 10 geschaltet sein sollen, um die jeweilige Hochvoltspannung bereitzustellen. Dadurch kann bestimmt werden, wie die gezeigten Batteriezellen 2 in Reihe oder parallel geschaltet sind. Es kann vorgesehen sein, dass zur Bereitstellung einer Spannungslage von 400 V die Schalteinheiten 10 so geschaltet werden, dass jeweils eine der Batteriezellen 2 einer linken Spalte mit der einer rechten Spalte zu einer Zellengruppe 17 parallelgeschaltet ist. Eine solche Konfiguration ist auch als 2p Zellengruppe 17 bekannt .Diese Zellengruppen 17 können in Reihe geschaltet sein und dadurch eine Spannung von 400 V bereitstellen. Dadurch kann bei dieser Schaltungskonfiguration 12 eine Spannungslage von 400 V in dem Lagensystem 6 bereitgestellt sein.
In einer zweiten Schaltungskonfigurationen 12, die zur Bereitstellung einer Hochvoltspannungslage von 800 V vorgesehen sein kann, kann es vorgesehen sein, dass die direkten Schaltungen der Batteriezellen 2 der ersten Spalte sowie die der der zweiten Spalte unterbrochen sind. Stattdessen können die Schalteinheiten 10 so geschaltet sein, dass alle Batteriezellen 2 der ersten und der zweiten Spalte zueinander in Serie geschaltet sind. Hierdurch sind alle der gezeigten Batteriezellen 2 in Serie geschaltet, sodass sich eine Spannung von 800 V ergibt. Das gezeigt Beispiel bezieht sich auf Batteriezellen 2 entlang von zwei Spalten. Die entsprechende Art der Verschaltung kann jedoch auch analog für Batteriezellen 2 entlang mehrerer Spalten angewandt werden.
4 zeigt eine wechselnde Verschaltung der Batteriezellen 2 in Abhängigkeit einer Zeit oder eines Belastungszustands der Batteriezellen 2. Es kann vorgesehen sein, dass die Energiespeichervorrichtung 1 insgesamt 960 Batteriezellen 2 aufweist, welche in einer der Schaltungskonfiguration 12 in einer 192S5P Zellenkonfiguration verschaltet sein können. Dies bedeutet, dass jeweils 5 der Batteriezellen 2 miteinander zu der jeweiligen Zellengruppe 17 parallel geschaltet sind und 192 der Zellengruppen 17 in Serie geschaltet sind. Es kann vorgesehen sein, dass sowohl eine Hochvolt- als auch eine Niedervoltlage gleichzeitig durch die Energiespeichervorrichtung 1 bereitgestellt werden. Um eine Niedervoltlage bereitzustellen kann es erforderlich sein, zur Erreichung der 12 V Niedervoltspannungslage eine 4S5P Zellenkonfiguration der Batteriezellen 2 bereitzustellen, wobei jeweils 5 Batteriezellen 2 zu einer Zellengruppe 17 parallelgeschaltet sind. Vier der Zellengruppen 17 sind in Reihe geschaltet.
Um eine ungleichmäßige Belastung der Batteriezellen 2 über einen Lebenslauf der Energiespeichervorrichtung 1 vermeiden zu können, kann es vorgesehen sein, dass durch die Steuereinheit 11 die jeweiligen Schaltungskonfigurationen 12 in Abhängigkeit der Zeit oder eines Belastungszustands ausgewechselt werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in einem bestimmten Bereich das Zellenfeld 18 der 4S5P Zellkonfiguration bereitgestellt sein kann, wobei die Lage des Zellenfelds 18 zeitlich oder in Abhängigkeit eines Belastungszustands zeitlich variieren kann. Dadurch werden jeweils unterschiedliche Batteriezellen 2 zur Bereitstellung der 12 V Niedervoltspannungslage verwendet. Es kann sein, dass zeitgleich eine Hochvoltspannungslage von 800 V oder 400 V bereitgestellt werden soll. Zur Bereitstellung einer 800 V Hochvoltspannungslage kann es erforderlich sein, eine 188s5p Zellenkonfiguration bereitzustellen. Zur Bereitstellung einer 400 V Spannungslage kann eine Bereitstellung einer 94s5p Zellenkonfiguration erforderlich sein. Es kann somit möglich sein, dass beispielsweise zeitgleich ein Teil der Batteriezellen 2 zur Bereitstellung der Hochvoltspannungslage verwendet wird und ein anderer Teil der Batteriezellen 2 zur Bereitstellung der Niedervoltspannungslage. Durch eine Variation der Batteriezellen 2, welche der Hochvoltspannungslage, beziehungsweise der Hochvoltspannungslage zugeordnet werden, kann ein ungleichmäßiger Verschleiß der Batteriezellen 2 vermieden werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Batteriezellen 2 standardmäßig von der Zellkontaktiereinrichtung 4 getrennt sind. Mit anderen Worten ist eine jeweilige Batteriezelle durch eine jeweilige Schalteinheit 10 verbunden, welche standardmäßig auf offen geschaltet ist. Dadurch kann es möglich sein, Sicherungen oder Trennelemente zum Abtrennen der Energiespeichervorrichtung 1 von einem Netz eines Fahrzeugs 21 oder der einzelnen Batteriezellen 2 von der Zellkontaktiereinrichtung 4 einzusparen.
5 zeigt eine mögliche mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung, welche zur Bereitstellung einer Niedervoltspannungslage und einer Wechselspannungslage eingerichtet ist. Die Niedervoltspannungslage kann in einem Lagensystem 6 bereitgestellt sein, welches zwei Leiterlagen 7 aufweisen kann. Eine der Leiterlagen 7 kann dabei zum Anschluss an eine Anode vorgesehen sein und die andere der Leiterlagen 7 für einen Anschluss an einer Kathode der Energiespeichervorrichtung 1. Das Lagensystem 6 für die Wechselspannungslage kann drei Leiterlagen 7 aufweisen, welche beispielsweise für jeweilige Phasen der Wechselspannungslage vorgesehen sein können. Das Lagensystem 6 der Niedervoltspannungslage kann einfache Schalteinheiten 10 aufweisen, um die Batteriezellen 2 mit dem Lagensystem 6 für die Niedervoltspannungslage zu verbinden oder von diesem zu trennen. Durch die Schalteinheiten 10 kann eine vorbestimmte Parallel- und/oder Serienschaltung der Batteriezellen 2 bereitgestellt sein. Das Lagensystem 6 für die Wechselspannung kann Wechselschaltungseinrichtungen 20 mit Wechselrichtern 19 aufweisen, um die Batteriezellen 2 der Art zu schalten, dass eine Wechselspannung in dem Lagensystem 6 bereitgestellt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Dreiphasenwechselspannung handeln.
6 zeigt eine Wechselschaltungseinrichtung zur Bereitstellung einer Phase einer Wechselspannung. Durch die Wechselschaltungseinrichtung können beispielsweise drei Batteriezellen 2 miteinander in Reihe geschaltet sein. Eine jeweilige der Batteriezellen 2 kann dabei mit einem jeweiligen Wechselrichter 19 verbunden sein. Der jeweilige Wechselrichter 19 kann eine Doppel-H-Brücke sein. Durch die Wechselrichter 19 kann eingestellt werden, mit welcher Polung die jeweilige Batteriezelle mit den anderen Batteriezellen 2 in Reihe geschaltet werden soll. Dadurch ist es möglich, dass eine jeweilige der Batteriezellen 2 eine positive oder negative Spannung in der Reihe bereitstellt. Aufgrund der Serienschaltung der drei Wechselrichter 19 addieren sich die drei Spannungen der drei Batteriezellen 2, sodass in Abhängigkeit einer gewählten Schaltungskonfiguration 12 eine resultierende Spannung an der Leitungslage bereitgestellt wird. Durch eine vorbestimmte zeitliche Abfolge von Schaltungskonfigurationen 12 können die Schaltungszustände der drei Wechselrichter 19 zeitlich variieren, sodass sich eine zeitlich ändernde Phasenspannung ergibt. Eine zeitliche Staffelung der Schaltungskonfigurationen 12 kann so gewählt sein, dass sich ein sinusartiger Verlauf der Phasenspannung ergeben kann.
7 zeigt eine mögliche Anordnung von drei Wechselschaltungseinrichtungen 20 zur Bereitstellung einer Dreiphasenwechselspannung. Die Wechselschaltungseinrichtungen 20 können wie in 6 ausgelegt sein. Und einer jeweiligen Phase zugewiesen sein. Die erste Wechselschaltungseinrichtung kann der Phase L1, die zweite Wechselschaltungseinrichtung der Phase L2, und die dritte Wechselschaltungseinrichtung der Phase L3 der der Dreiphasenspannung zugewiesen sein.
8 zeigt eine detailliertere schematische Darstellung der Energiespeichervorrichtung aus 1. Drei gezeigte Batteriezellen 2 können mit Leiterlagen 7 des Niedervoltlagensystems verbunden und in Reihe geschaltet sein.
9 zeigt eine schematische Darstellung der Energiespeichervorrichtung zur Ermöglichung der in 3 gezeigten Schaltung.
10 zeigt eine schematische Darstellung der Energiespeichervorrichtung zur Ermöglichung der in 2. gezeigten Bypassschaltung; und
11 zeigt eine detailliertere schematische Darstellung der Energiespeichervorrichtung zur Bereitstellung einer Niedervoltspannungslage und einer Wechselspannungslage aus 5. Einer jeweiligen Phase können jeweils drei der Batteriezellen 2 mit jeweiligen Wechselrichtern 19 zugeordnet sein, wie in 7 gezeigt. Durch eine zeitlich gestufte Ansteuerung kann ein sinusartiger Verlauf der Phasen erreicht werden.
Die Umsetzung von hochintegrierten und strukturtragenden Hochvoltspeichern (HVS) erfordert die Ausprägung und Umsetzung des Zellkontaktierungssystem (ZKS) in einer festen Platten-Struktur. Die Umsetzung einer Platten-Struktur legt die Erweiterung um sog. Embedding Technologien & -Lösungen nahe - d.h. das Zellkontaktierungssystem wird als intelligente und hochintegrierte Hochleistungselektronik ausgeführt.
Stand der Technik ist, dass Zellen über klassische „Busbars“ (Blech-Stanz-Teile) miteinander verschaltet werden. Diese bestehen aus dünnen leitenden Metallstrukturen, die die Zellen an den Polen kontaktieren und über ihr Design und Layout die entsprechenden seriellen und parallelen Verschaltungen der Zellen fix abbilden. Diese ZKS-Konzepte besitzen keinerlei Intelligenz, Schaltfunktion oder Variabilität. Des Weiteren können sie keinerlei Struktur-Funktion übernehmen und sind als separates Bauteil in den Maßketten des HVS zu berücksichtigen. Die komplette E/E des HVS befindet sich an separaten Stellen im HVS-Gehäuse. Andererseits ermöglicht die Verwendung von Embedding Technologien und Leiterplatten-Prozessen heute schon die Umsetzung von ultraflachen Hochleistungsmodulen. Eine Anwendung dieser Technologie im HVS gibt es bisher nicht.
Das ZKS wird durch eine Leiterplatte auf Basis von Embedding-Technologien ersetzt und besteht aus einem mehrlagigen Aufbau. Über diese hochintegrierte Schalteinheit 10 lassen sich vielfältige E/E-Funktionen des HVS, die bisher in separaten Steuergeräten verortet sind, und weitere neue Funktionen, die bisher nicht möglich sind, umsetzen. Diese sind der Hochvoltabgriff, die Darstellung einer variablen seriellen & parallelen Verschaltung der Zellen zur Variation der Hauptspannungslagen zwischen 400 V und 800 V, die Umsetzung einer fail-safe Alive-Leitung inklusive. Datensignalen und ein dynamischer Abgriff von 12 V in einem separaten Layer bei gleichzeitig variabler paralleler Verschaltung. Dadurch entfallen die HV-Schütze, eine zentrale Umschalteinheit für die 400 V Rückwärts-Kompatibilität, die 12 V-Fahrzeug.-Batterie, die DC/DC-Wandler, die Modulverbinder und die zentrale CSC (Cell-Safety-Ciruit). Es ergibt sich eine multiple Redundanz für die Sichere-Energie-Versorgung und die Möglichkeit einer Teilabschaltung des HVS im Schadensfall. Eine mögliche Erweiterung wäre der direkte HV-Wechselstrom Abgriff am Speicher, wodurch zusätzlich die HV-Inverter und der OBC (On-Board-Charger) entfallen könnten.
Das intelligente ZKS in Form einer festen Platten-Struktur kann die Deckel- und/oder Bodenstruktur einer HVS-Sandwich-Struktur bilden, die notwendig ist um einen hochintegrierten und struktur-tragenden HVS darzustellen (z.B. so-genannter Honeycomb-Speicher).
Bezugszeichenliste

1: Energiespeichervorrichtung
2: Batteriezellen
3: Zellkontakte
4: Zellkontaktiereinrichtung
5: Anschluss
6: Lagensystem
7: Leiterlage
8: Isolierlage
9: Schalteinrichtung
10: Schalteinheiten
11: Steuereinheit
12: Schaltungskonfiguration
13: Stabilisierungslage
14: Kühlungseinrichtung
15: Schaltzustand
16: Bypass
17: Zellengruppe
18: Zellenfeld
19: Wechselrichter
20: Wechselschaltungseinrichtungen
21: Fahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

AT 009790 U1 [0007]
DE 102014118188 A1 [0008]
DE 102014224371 A1 [0009]

Claims

Energiespeichervorrichtung (1), aufweisend zumindest einen Anschluss (5) zum Anschließen der Energiespeichervorrichtung (1) an ein elektrisches Netz sowie Batteriezellen (2) zum Speichern von Energie und eine Zellkontaktiereinrichtung (4), die dazu eingerichtet ist, die Batteriezellen (2) mit dem zumindest einen Anschluss (5) zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellkontaktiereinrichtung (4) als mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung ausgestaltet ist, wobei die mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung zumindest ein Lagensystem (6) für eine jeweilige Spannungslage aufweist, wobei das zumindest eine Lagensystem (6) zumindest eine jeweilige Leiterlage (7) umfasst, um die Batteriezellen (2) mit dem zumindest einen Anschluss (5) zu verbinden, die mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung eine Schalteinrichtung (9) aufweist, die eine Steuereinheit (11) und mehrere ansteuerbare Schalteinheiten (10) aufweist, wobei die Steuereinheit (11) dazu eingerichtet ist, die Batteriezellen (2) gemäß einer aus zumindest zwei vorbestimmten Schaltungskonfigurationen (12) der Schalteinheiten (10) mit dem jeweiligen Lagensystem (6) zu verschalten, um die jeweilige Spannungslage in dem zumindest einen Lagensystem (6) bereitzustellen.
Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zumindest zwei Schaltungskonfigurationen (12) jeweilige Parallelverschaltungen zumindest einiger der Batteriezellen (2) und/oder jeweilige Reihenverschaltungen zumindest einiger der Batteriezellen (2) vorgeben sind.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch zumindest eine der Schaltungskonfigurationen (12) eine erste Hochvoltspannungslage und durch zumindest eine der Schaltungskonfigurationen (12) eine zweite Hochvoltspannungslage vorgegeben ist.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch zumindest eine der Schaltungskonfigurationen (12) eine Niedervoltspannungslage von vorgegeben ist.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrlagige Zellkontaktierungsvorrichtung zumindest zwei Lagensysteme (6), aufweist, und die Schalteinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, die Batteriezellen (2) gemäß der gewählten Schaltungskonfiguration (12) mit keiner, einer oder mehreren der Lagensysteme (6) zu verschalten.
Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass, jedes der zumindest zwei Lagensysteme (6) mit einem jeweiligen Batterieanschluss (5) verbunden ist.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der Batteriezellen (2) über eine jeweilige der Schalteinheiten (10) mit zumindest einem der jeweiligen Lagensystemen (6) verbunden sind, die in einem Normalzustand sperrend ist.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, zwischen den zumindest zwei vorbestimmten Schaltungskonfigurationen (12) in Abhängigkeit von einer Zeit nach einem vorbestimmten Wechselverfahren umzuschalten.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, zwischen den zumindest zwei vorbestimmten Schaltungskonfigurationen (12) in Abhängigkeit von einer Lastverteilung der Batteriezellen (2) nach einem vorbestimmten Lastenausgleichsverfahren umzuschalten.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (9) eine Wechselrichterfunktion (19) aufweist, und die Schalteinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, die Wechselrichterfunktion (19) gemäß einer vorbestimmten zeitlichen Reihenfolge der Schaltungskonfigurationen (12) anzusteuern, um in dem Lagensystem (6) eine Wechselspannung durch abwechselndes Zuschalten und Wegschalten von Batteriezellen (2) zu erzeugen.
Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, in zumindest einer Abfolge der Schaltungskonfigurationen (12) eine Dreiphasenwechselspannung als jeweilige Spannungslage der Schaltungskonfiguration (12) bereitzustellen.
Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schalteinrichtung (9) die Batteriezellen (2) gemäß der gewählten, aus zumindest zwei vorbestimmten Schaltungskonfigurationen (12) mit dem zumindest einem Lagensystem (6) verschaltet wird, um die jeweilige Spannungslage an dem zumindest einen Anschluss (5) bereitzustellen.
Fahrzeug (21), aufweisend eine Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.