DE102021214617A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Batterieeinheit eines Elektrofahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Batterieeinheit (10) umfasst mindestens einen ersten Strang (3) aus elektrisch in Reihe geschalteten Batteriemodulen (2). Jedes Batteriemodul (2) des mindestens einen ersten Strangs (3) umfasst eine Leistungselektronikeinheit (14), die einen DC/DC-Wandler umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Wenn der mindestens eine Strang (3) von einem Bordnetz des Elektrofahrzeugs getrennt wird, werden Messwerte empfangen, die eine Temperatur mindestens eines Batteriemoduls (2) repräsentieren, und zum Heizen der Batterieeinheit (10) wird eine erste Gruppe von Leistungselektronikeinheiten (14) abhängig von den empfangenen Messwerten gesteuert, sodass jeder der DC/DC-Wandler der ersten Gruppe von Leistungselektronikeinheiten (14) in einem der folgenden Modi arbeitet: Abwärtswandlungsmodus, Aufwärtswandlungsmodus, Umgehungsmodus, und Durchgangsmodus. Die erste Gruppe von Leistungselektronikeinheiten (14) wird derart gesteuert, dass die DC/DC-Wandler der ersten Gruppe in mindestens zwei unterschiedlichen Modi arbeiten und ein Energietransfer zwischen mindestens zwei Batteriemodulen (2) erfolgt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Batterieeinheit für ein Elektrofahrzeug. Ferner betrifft sie ein Batteriesystem, ein elektrisches Fahrzeug, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium.
  • HINTERGRUND
  • Ein Hochspannungsbatteriepack eines Batterieelektrofahrzeugs oder eines Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugs wird in der Regel durch Gruppieren von Batteriezellen in Parallel- und/oder Reihenschaltung zum Erstellen von Batteriezellenmodulen gebildet. Diese Module werden dann elektrisch in Reihe geschaltet, um eine erforderliche hohe Spannung auf einem DC-Zwischenkreis des Batteriepacks bereitzustellen.
  • Die optimale Effizienz von Hochspannungsbatterien liegt innerhalb eines gewissen Temperaturbereichs. Bei sehr niedrigen Temperaturen steigen die internen Widerstände einer Batterie im Allgemeinen an. Dies führt oftmals zu einer entsprechenden Reduzierung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs. Aus diesem Grund werden Hochspannungsbatterien in Elektrofahrzeugen oftmals einer Temperatursteuerung ausgesetzt, bevor das Elektrofahrzeug gestartet wird.
  • Heutzutage wird ein Hochspannungsheizelement verwendet, um die Batterie vor Betrieb, insbesondere in kalten Bedingungen, zu erhitzen. Beispielsweise zeigt EP 2 853 001 B1 ein Stromversorgungssystem eines Hybrid-Elektrofahrzeugs, das eine Batteriegruppe und ein mechanisch mit der Batteriegruppe verbundenes Batterieheizelement aufweist.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Batterieeinheit eines Elektrofahrzeugs bereitzustellen, die eine Verbesserung der Effizienz von Hochspannungsbatterien bei reduzierten Hardwarekosten gestatten.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird die oben genannte Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Gemäß einem ersten und einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben einer Batterieeinheit eines Elektrofahrzeugs.
  • Ein Elektrofahrzeug gemäß dieser Offenbarung ist ein Fahrzeug, das einen Elektroantrieb umfasst. Somit ist ein Elektrofahrzeug gemäß dieser Offenbarung ein vollständig elektrisches Fahrzeug, mitunter auch als Batterieelektrofahrzeug („BEV“) bezeichnet, oder ein Hybrid-Elektrofahrzeug („HEV“), insbesondere ein Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug („PHEV“). Die Batterieeinheit kann auch als Batteriepack bezeichnet werden.
  • Die Batterieeinheit umfasst mindestens einen ersten Strang aus Batteriemodulen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei jedes Batteriemodul mehrere elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltete Batteriezellen umfasst. Jedes Batteriemodul des mindestens einen ersten Strangs aus Batteriemodulen umfasst eine Leistungselektronikeinheit und die Batteriemodule des mindestens einen ersten Strangs aus Batteriemodulen sind über ihre jeweilige Leistungselektronikeinheit in Reihe geschaltet. Jede der Leistungselektronikeinheiten umfasst einen DC/DC-Wandler, der mindestens im Abwärtswandlungsmodus, Aufwärtswandlungsmodus, Umgehungsmodus zum Umgehen des jeweiligen Batteriemoduls und Durchgangsmodus zum direkten Verbinden einer DC-Zwischenkreisschaltung mit dem jeweiligen Batteriemodul betreibbar ist.
  • Diese Struktur und Konfiguration der Batteriemodule und DC/DC-Wandler gestattet einen äußerst flexiblen Betrieb der Batteriemodule. Diese Flexibilität lässt sich zum Heizen der Batterieeinheit, aber unabhängig vom Heizaspekt auch für einen Spannungs- und/oder Ladestatusausgleich der Batteriemodule und zum Optimieren hinsichtlich bereitgestellter Energie oder Leistung nutzen. Verschiedene Batteriemodule können beispielsweise abhängig von Alter, Chemie, Herstellung und Größe der Zellen der Batteriemodule ausgewählt werden.
  • Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Ist der mindestens eine Strang aus Batteriemodulen von einem Bordnetz des Elektrofahrzeugs getrennt, so werden Messwerte empfangen, die eine Temperatur mindestens eines Batteriemoduls repräsentieren, und zum Heizen der Batterieeinheit wird eine erste Gruppe von Leistungselektronikeinheiten abhängig von den empfangenen Messwerten gesteuert, sodass jeder der DC/DC-Wandler der ersten Gruppe von Leistungselektronikeinheiten in einem der folgenden Modi arbeitet: Abwärtswandlungsmodus, Aufwärtswandlungsmodus, Umgehungsmodus, und Durchgangsmodus. Ferner wird die erste Gruppe von Leistungselektronikeinheiten derart gesteuert, dass die DC/DC-Wandler der ersten Gruppe in mindestens zwei unterschiedlichen Modi arbeiten und ein Energietransfer zwischen mindestens zwei Batteriemodulen erfolgt. Die erste Gruppe von Leistungselektronikeinheiten umfasst einige oder alle Leistungselektronikeinheiten des mindestens einen ersten Strangs aus Batteriemodulen.
  • Insbesondere werden für alle Batteriemodule die Messwerte empfangen, und die erste Gruppe von Leistungselektronikeinheiten wird abhängig von allen empfangenen Messwerten gesteuert.
  • Dies gestattet vorteilhafterweise ein Selbstheizen der Batterieeinheit ausschließlich mit Komponenten der Batterieeinheit, die auch verwendet werden, wenn die Batterieeinheit als Stromversorgung verwendet wird und/oder wenn die Batterie geladen wird. Somit ist ein Selbstheizen der Batterie ohne dedizierte Heizvorrichtung möglich.
  • Insbesondere kann das Selbstheizen der Batterie während einer Stoppzeit und/oder vor einem Starten des Fahrzeugs durchgeführt werden.
  • Abhängig von der Temperatur der Batterieeinheit kann die Vorrichtung ein Hin- und Herbewegen von Energie zwischen den unterschiedlichen Batteriemodulen und auch durch unterschiedliche Stränge anpassen. Das Bewegen von Energie von gewissen Batteriemodulen zu anderen Batteriemodulen führt zu einer Zellenerwärmung. Daher kann das Heizen durchgeführt werden, bis die Temperatur der Batteriemodule bzw. Zellen in einem vordefinierten Bereich liegt, sodass das Elektrofahrzeug ohne Beeinträchtigung der Zellen der Batteriemodule gefahren oder von der Ladestation geladen werden kann.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform des ersten und des zweiten Aspekts umfasst die Batterieeinheit mindestens eine Zirkulationsleitung, die ein Fluidkühlmittel zirkuliert, um Wärme zu absorbieren, die durch die Zellen mindestens einiger der Batteriemodule und/oder durch die Elektronikeinheiten mindestens einiger der Batteriemodule erzeugt wird, wenn die jeweiligen Batteriemodule Energie jeweils von einem oder mehreren anderen Batteriemodulen empfangen und/oder an diese übertragen, und um die absorbierte Wärme zumindest teilweise an andere Batteriemodule zu übertragen.
  • Die Zirkulationsleitung kann in einem Kühlkörper angeordnet sein, der an Gehäusen der Batteriemodule des mindestens einen ersten Strangs befestigt ist.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform des ersten und des zweiten Aspekts ist die Zirkulationsleitung zur Wärmeübertragung thermisch mit einem oder mehreren anderen Wärmekreisläufen des Elektrofahrzeugs außerhalb der Batterieeinheit gekoppelt. Insbesondere kann die Zirkulationsleitung thermisch mit einem zum Heizen eines Innenraums des Elektrofahrzeugs verwendeten Wärmekreislaufs gekoppelt sein.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform des ersten und des zweiten Aspekts ist die Zirkulationsleitung als serieller Kühlkreislauf konfiguriert. Insbesondere sind die Batteriemodule Seite an Seite angeordnet, und die Zirkulationsleitung kann entlang einer serpentinen-förmigen Linie angeordnet sein, sodass sie entlang einem nach dem anderen Batteriemodulverläuft und dass sie jeweils entlang sämtlicher Zellen und der Leistungselektronikelemente der Batteriemodule verläuft.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform des ersten und des zweiten Aspekts ist die Zirkulationsleitung als paralleler Kühlkreislauf konfiguriert. Insbesondere kann die Zirkulationsleitung derart angeordnet sein, dass die jeweiligen parallelen Leitungsabschnitte entlang der Zellen und der Leistungselektronikelemente der Batteriemodule, die Seite an Seite angeordnet sind, verlaufen.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform des ersten und des zweiten Aspekts umfasst die Batterieeinheit einen oder mehrere zweite Stränge aus zweiten Batteriemodulen, wobei die zweiten Batteriemodule des einen oder der mehreren Stränge elektrisch in Reihe geschaltet sind und jedes zweite Batteriemodul mehrere elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltete Batteriezellen umfasst. Wird der mindestens eine erste Strang aus Batteriemodulen zum Heizen der Batterieeinheit verwendet, so wird der zweite Strang durch eine Ladestation oder ein anderes Fahrzeug geladen oder zum Antreiben des Elektrofahrzeugs verwendet. Die Batteriemodule des mindestens einen ersten Strangs und die zweiten Batteriemodule des mindestens einen zweiten Strangs können auf gleiche Weise konfiguriert sein oder können unterschiedlich konfiguriert sein. Der zweite Strang kann elektrisch mit dem Bordnetz des Elektrofahrzeugs verbunden sein.
  • Dies gestattet vorteilhafterweise, dass sich auch während des Fahrens des Elektrofahrzeugs das Selbstheizen der Batterieeinheit zum Heizen des Innenraums des Elektrofahrzeugs verwenden lässt.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform des ersten und des zweiten Aspekts werden weitere Messwerte empfangen, die eine Spannung und/oder einen Ladezustand mindestens eines Batteriemoduls repräsentieren, und die erste Gruppe von Leistungselektronikeinheiten wird zudem abhängig von den empfangenen weiteren Messwerten gesteuert. Dies gestattet vorteilhafterweise, dass Zellen während des Selbstheizens nicht zu stark geladen oder ungenügend geladen werden.
  • Insbesondere werden die zweiten Messwerte für alle Batteriemodule empfangen, und die erste Gruppe von Leistungselektronikeinheiten wird abhängig von allen empfangenen zweiten Messwerten gesteuert.
  • Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Batteriesystem, das eine Batterieeinheit für ein Elektrofahrzeug und eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt umfasst. Die Batterieeinheit umfasst mindestens einen ersten Strang aus elektrisch in Reihe geschalteten Batteriemodulen. Jedes Batteriemodul umfasst mehrere elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltete Batteriezellen und jedes Batteriemodul des mindestens einen ersten Strangs aus Batteriemodulen umfasst eine Leistungselektronikeinheit und die Batteriemodule des mindestens einen ersten Strangs aus Batteriemodulen sind über ihre jeweilige Leistungselektronikeinheit in Reihe geschaltet, jede der Leistungselektronikeinheiten umfasst einen DC/DC-Wandler, der mindestens im Abwärtswandlungsmodus, Aufwärtswandlungsmodus, Umgehungsmodus zum Umgehen des jeweiligen Batteriemoduls und Durchgangsmodus zum direkten Verbinden einer DC-Zwischenkreisschaltung mit dem jeweiligen Batteriemodul betreibbar ist.
  • Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Elektrofahrzeug, das ein Batteriesystem gemäß dem dritten Aspekt umfasst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen des ersten und des zweiten Aspekts gelten auch für den dritten und den vierten Aspekt.
  • Gemäß einem fünften Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Computerprogramm, das bei Ausführung durch einen Prozessor einer Batteriemanagementvorrichtung bewirkt, dass die Batteriemanagementvorrichtung das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt oder einer vorteilhaften Ausführungsformen des ersten Aspekts durchführt.
  • Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in einer beliebigen geeigneten Programmiersprache wie JAVA, C++ usw. implementiert werden. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speicherungsmedium (CD-ROM, DVD, Blu-ray-Disc, Speicherstick, flüchtiger oder nichtflüchtiger Speicher, integrierter Speicher/Prozessor usw.) gespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder eine andere programmierbare Vorrichtung wie insbesondere eine Steuereinheit für eine Batterie eines Elektrofahrzeugs derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen durchgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie dem Internet bereitgestellt sein, aus dem es durch einen Benutzer oder automatisch bei Bedarf heruntergeladen werden kann.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein computerlesbares Medium, umfassend ein Computerprogramm, das bei Ausführung des Programms durch einen Prozessor einer Batteriemanagementvorrichtung bewirkt, dass die Batteriemanagementvorrichtung das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt oder einer vorteilhaften Ausführungsformen des ersten Aspekts durchführt.
  • Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, d. h. Hardware, oder in einer beliebigen Hybridform, d. h. mittels Softwarekomponenten und Hardwarekomponenten, implementiert werden.
  • Figurenliste
  • Es versteht sich, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung lediglich beispielhaft sind und einen Überblick oder Rahmen zum Verständnis des Wesens und Charakters der Ansprüche bereitstellen sollen. Die beigefügten Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der Erfindung bereitzustellen. Die Zeichnungen veranschaulichen eine oder mehrere Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien und der Wirkungsweise der verschiedenen Ausführungsformen.
  • Die gleichen Elemente in unterschiedlichen Figuren der Zeichnungen sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Zeichnungen sind nicht zwangsweise maßstabsgetreu, sondern dazu ausgelegt, die Offenbarung deutlich zu veranschaulichen.
    • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems für ein Elektrofahrzeug,
    • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Batterieeinheit mit Batteriemodulen, die in verschiedenen Modi arbeiten,
    • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Batteriemoduls,
    • 4a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kühlkreislaufs der Batterieeinheit,
    • 4b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kühlkreislaufs der Batterieeinheit und
    • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms für ein Programm.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Offenbarung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die Ausführungsformen der Offenbarung zeigen, genauer beschrieben.
  • 1 zeigt ein Batteriesystem 1 für ein Elektrofahrzeug. Das Batteriesystem 1 umfasst eine Batterieeinheit 10 und eine Vorrichtung 11 zum Betreiben der Batterieeinheit 10. Die Vorrichtung 11 zum Betreiben der Batterieeinheit 10 kann auch als Batteriemanagementsystem bezeichnet werden. Die Vorrichtung 11 zum Betreiben der Batterieeinheit 10 umfasst beispielsweise eine Batteriemanagementsteuerung mit einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller.
  • Die Vorrichtung 11 zum Betreiben der Batterieeinheit 10 ist beispielsweise dazu ausgelegt, mit einer Fahrzeugsteuereinheit 12 zu kommunizieren.
  • Die Batterieeinheit 10 umfasst mehrere Batteriemodule 2. Die Batteriemodule 2 sind elektrisch in Reihe geschaltet, um einen ersten Strang 3 zu bilden. In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die Batterie nur einen ersten Strang 3. Alternativ kann die Batterie mehr als einen ersten Strang 3 aus Batteriemodulen 2 umfassen. Der erste Strang 3 aus Batteriemodulen 2 liefert eine DC-Zwischenkreisspannung zwischen Hauptverbinden 7, 9 der Batterieeinheit 10. Eine Nennspannung jedes Batteriemoduls 2 beträgt beispielsweise 48 V.
  • Die Batteriemodule 2 umfassen mehrere Batteriezellen 4, die elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, um ein Batteriemodul 2 zu bilden.
  • Darüber hinaus umfassen die Batteriemodule 2 jeweils eine Leistungselektronikeinheit 14. Die Batteriemodule 2 sind über ihre Leistungselektronikeinheiten 14 elektrisch in Reihe geschaltet, was in 1 durch Verbindung 19 angegeben ist.
  • Jede Leistungselektronikeinheit 14 umfasst einen DC/DC-Wandler. Zum Beispiel sind die DC/DC-Wandler dazu ausgelegt, die Ausgangsspannung des jeweiligen Batteriemoduls 2 auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Ferner können die DC/DC-Wandler dahingehend gesteuert werden, gegebenenfalls bestimmte Module 2 zu umgehen. Um dies zu erreichen sind die DC/DC-Wandler der Leistungselektronikeinheiten 14 im Abwärtswandlungsmodus, Aufwärtswandlungsmodus und auch im Durchgangsmodus und im Umgehungsmodus betreibbar.
  • Die DC/DC-Wandler weisen jeweils zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse auf. Die Eingangsanschlüsse sind elektrisch mit den Batteriezellen 4 des jeweiligen Batteriemoduls 2 verbunden und die Ausgangsanschlüsse sind elektrisch mit den nächsten, d. h. dem folgenden und dem vorhergehenden, Batteriemodulen 2 des ersten Strangs 3 in Reihe geschaltet. Somit sind die Batteriemodule 2 über ihre Leistungselektronikeinheiten 4 elektrisch in Reihe geschaltet.
  • Insbesondere umfassen die Leistungselektronikeinheiten 14 Schalter, die durch eine Steuereinheit zum Schalten der jeweiligen Batteriemodule 2 in einen Umgehungsmodus oder einen Durchgangsmodus betreibbar sind. In 2 sind die verschiedenen Modi gezeigt. Im Umgehungsmodus umgeht der DC-Zwischenkreis das jeweilige Modul, d. h. das Modul trägt nicht zur DC-Zwischenkreisspannung bei. Im Durchgangsmodus wird die Verbindung durch das Batteriemodul 2 geleitet, ohne dass der DC/DC-Wandler eine Ausgangsspannung beeinflusst. Somit ist die DC-Zwischenkreisschaltung elektrisch direkt mit dem jeweiligen Batteriemodul 2 verbunden.
  • Dieses Batteriesystem 1, in dem die Batteriemodule 2 jeweils eine Leistungselektronikeinheit 14 aufweisen, hat den Vorteil, dass beim Antreiben des Elektrofahrzeugs der aus jedem der Batteriemodule 2 entnommene Strom optimiert werden kann, um eine gleichmäßige Belastung der Batteriemodule 2 zu gewährleisten. Ferner ist es möglich, die Batterie entweder von einer 400V- oder einer 800V-Ladestation zu laden. Aufgrund der DC/DC-Wandler kann die Spannung auf der Seite des DC-Zwischenkreis auf einen höheren Wert aufwärtswandeln. Die Leistungsfähigkeit lässt sich selbst im Fall eines geringen Ladezustands einiger Module aufrechterhalten, indem mehr Module in Reihenschaltung hinzugefügt werden.
  • Die verschiedenen Betriebsmodi der DC/DC-Wandler, d. h. insbesondere der Umgehungsmodus und der Durchgangsmodus, haben den Vorteil, dass einzelne Batteriemodule 2 ein und ausgeschaltet werden können, um entweder zu der Spannungsversorgung und/oder dem Selbstheizen der Batterieeinheit 10 beizutragen oder nicht dazu beizutragen. Dadurch wird es möglich, die Batterieeinheit 10 äußerst flexibel zu verwenden und unterschiedliche Spannungspegel zu liefern. Diese vollständig schaltbare Batterie gestattet z. B. das Ersetzen der separaten Niederspannungsversorgung des Elektrofahrzeugs durch Zuführen von 48 V oder 12 V von einzelnen Batteriemodulen 2 der Batterieeinheit 10. Ferner kann eine durch nur ein oder nur einige wenige Batteriemodule 2 zugeführte niedrige Spannung verwendet werden, um einen DC-Zwischenkreiskondensator vorzuladen. Somit kann die Batterieeinheit 10 äußerst flexibel verwendet werden, um anderen Komponenten des Fahrzeugs zu ersetzen.
  • Diese spezielle Architektur der Batterieeinheit 10 und der Batteriemodulen 2 gestattet außerdem ein äußerst flexibles Selbstheizen der Batterieeinheit 10.
  • Jedes Batteriemodul 2 umfasst beispielsweise eine Zellenüberwachungsschaltung 13, die dazu ausgelegt ist, jeweilige Temperaturen der Zellen 4 des Batteriemoduls 2 zu überwachen (siehe 1). Beispielsweise werden für die Temperaturmessung der Batteriemodule zwei oder drei Temperatursensoren mit jedem Batteriemodul verwendet. Ein Hotspot jeder Zelle kann basierend auf einer vordefinierten Funktion geschätzt werden.
  • Die Zellenüberwachungsschaltungen 13 können dazu ausgelegt sein, mit der Vorrichtung 11 des Batteriesystems 1 zu kommunizieren, um aufgezeichnete Temperaturmessungen an die Vorrichtung 11 zu übertragen.
  • 2 zeigt zwei erste Stränge 3 aus Batteriemodulen 2, wobei die DC/DC-Wandler der Batteriemodule 2 in unterschiedlichen Modi arbeiten.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Batteriemoduls 2 der in 1 gezeigten Batterieeinheit 10 und dessen Leistungselektronikeinheit 14. Die Leistungselektronikeinheit 14 umfasst den DC/DC-Wandler und zusätzliche Schalter zum Steuern verschiedener Betriebsmodi der Leistungselektronikeinheit 14. In einem Abwärtswandlung/Aufwärtswandlung-Modus sind Schalter S3 und S4 eingeschaltet und Schalter S1 und S2 ausgeschaltet. In dem Abwärtswandlung/Aufwärtswandlung-Modus kann der Spannungsabfall zwischen Anschlüssen 20 und 21 auf eine vorbestimmte Spannung gemäß einem Ladezustand des Batteriemoduls 2 und gemäß einem Bedarf der Fahrzeugsteuereinheit 12 eingestellt werden.
  • In einem Umgehungsmodus sind die Schalter S1, S2 und S4 eingeschaltet und der Schalter S3 ist ausgeschaltet, sodass das Batteriemodul 2 umgangen wird. Dieser Modus kann gewählt werden, wenn eine spezifisches Batteriemodul 2 nicht zum Selbstheizen der Batterieeinheit 10 beitragen muss oder wenn ein bestimmtes Batteriemodul 2 defekt ist. Insbesondere kann der Umgehungsmodus gewählt werden, wenn nur einige Batteriemodule 2 z. B. zum Selbstheizen der Batterieeinheit 10 beitragen sollen. Somit ist die Anzahl von Modulen 2, die zu einer bestimmten Zeit einen Beitrag leisten sollen, vollkommen flexibel.
  • Ist die erforderliche Spannung auf der Seite des DC-Zwischenkreises gleich der Zellenspannung, so arbeitet der DC/DC-Wandler in einem Durchgangsmodus, in einem Durchgangsmodus sind die Schalter S1, S3 und S4 eingeschaltet und der Schalter S2 ist ausgeschaltet. In diesem Modus wird das Batteriemodul 2 in einem herkömmlichen Modus ohne Anpassen der Ausgangsspannung betrieben.
  • Ferner kann die Leistungselektronikeinheit 14 in einem Standby-Modus, in dem die Schalter S1 und S2 ausgeschaltet sind und die Schalter S3 und S4 eingeschaltet sind, und in einem Offenkreismodus, in dem alle Schalter ausgeschaltet sind und keine hohe Spannung vorliegt, betrieben werden.
  • Die Schalter S1, S2, S3 und S4 werden durch die Vorrichtung 11 zum Betreiben der Batterieeinheit 10 gesteuert.
  • 4a und 4b zeigen jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Batterieeinheit 10. Die Batterieeinheit 10 umfasst mehrere, insbesondere zwei, erste Stränge 3 aus Batteriemodulen 2. Jeder erste Strang 3 aus Batteriemodulen 2 umfasst mehrere, insbesondere sechs, Batteriemodule. Es sind jedoch auch andere Anzahlen von ersten Strängen 3 oder Zellen 4 pro Batteriemodul 2 möglich. Die Batteriemodule 2 sind Seite an Seite angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet.
  • Die Batterieeinheit 10 umfasst mindestens eine Zirkulationsleitung 23, die ein Fluidkühlmittel zirkuliert, um Wärme zu absorbieren, die durch die Zellen 4 mindestens einiger der Batteriemodule 2 und/oder durch die Elektronikeinheiten 14 mindestens einiger der Batteriemodule 2 erzeugt wird, wenn die jeweiligen Batteriemodule 2 Energie von einem oder mehreren anderen Batteriemodulen 2 empfangen und/oder an diese übertragen, und um die absorbierte Wärme zumindest teilweise an andere Batteriemodule 2 zu übertragen.
  • Beispielsweise umfasst die Batterieeinheit 10 eine Zirkulationsleitung 23 für jeden Strang aus Batteriemodulen der Batterieeinheit 10.
  • Jede der Zirkulationsleitungen 23 ist beispielsweise in einem Kühlkörper angeordnet, der an Gehäusen der Batteriemodule 2 befestigt ist.
  • Bevorzugt sind die Batteriemodule 2 eines ersten Strangs 3 Seite an Seite angeordnet.
  • Zum Beispiel ist, wie in 4a gezeigt, die Zirkulationsleitung 23 als serieller Kühlkreislauf konfiguriert. Die Zirkulationsleitung 23 ist beispielsweise entlang einer serpentinen-förmigen Linie angeordnet, sodass sie entlang einem nach dem anderen Batteriemodul 2verläuft und dass sie entlang aller Zellen 4 und der Leistungselektronikeinheit 14 des jeweiligen Batteriemoduls 2 verläuft.
  • Alternativ ist, wie in 4b gezeigt, die Zirkulationsleitung 23 als paralleler Kühlkreislauf konfiguriert. Insbesondere kann die Zirkulationsleitung 23 derart angeordnet sein, dass die jeweiligen parallelen Leitungsabschnitte entlang der Zellen 4 und der Leistungselektronikeinheit 14 eines jeweiligen Batteriemoduls 2, die Seite an Seite angeordnet sind, verlaufen.
  • Optional ist die Zirkulationsleitung 23 zur Wärmeübertragung thermisch mit einem oder mehreren anderen Wärmekreislauf des Elektrofahrzeugs außerhalb der Batterieeinheit 10 gekoppelt. Insbesondere kann die Zirkulationsleitung 23 thermisch mit einem zum Heizen eines Innenraums des Elektrofahrzeugs verwendeten Wärmekreislaufs gekoppelt sein.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms eines Programms zum Betreiben einer Batterieeinheit 10 eines Elektrofahrzeugs.
  • Das Programm kann auf einem Prozessor einer Vorrichtung 11 zum Betreiben der Batterieeinheit 10 ausgeführt werden. Die Vorrichtung 11 zum Betreiben der Batterieeinheit 10 kann eine verteilte Hardware- und/oder Softwarearchitektur umfassen. Somit kann der Prozessor in dem Elektrofahrzeug oder außerhalb des Fahrzeugs angeordnet sein.
  • In einem Schritt S01 wird das Programm gestartet. Ferner werden im Schritt S01 beispielsweise Programmvariablen initialisiert.
  • Der Start des Programms kann ein Triggersignal bewirkt werden. Das Triggersignal wird beispielsweise als Reaktion auf eine Anforderung eines Fahrers zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs während eines Stopps oder als Reaktion auf eine Anforderung zum Starten oder Laden des Elektrofahrzeugs erzeugt. Das Triggersignal kann durch die Fahrzeugsteuereinheit 12 gesendet werden.
  • In einem Schritt S03 wird überprüft, ob das Bordnetz des Fahrzeugs elektrisch von der Batterieeinheit oder von dem mindestens einen Strang 3 aus Batteriemodulen 2 der Batterieeinheit 10 getrennt ist. Ist das Bordnetz bereits getrennt, so fährt das Programm mit Schritt S05 fort. Ist das Bordnetz noch nicht getrennt, so wird ein Ausgangssignal zum Steuern einer jeweiligen Schaltereinstellung mindestens eines Schalters, der zum Verbinden/Trennen des Bordnetzes von dem mindestens einen Strang 3 bereitgestellt ist, bereitgestellt, sodass die Trennung des Bordnetzes und des mindestens einen ersten Strangs 3 erreicht wird.
  • In Schritt S05 werden Messwerte empfangen, die eine Temperatur mindestens eines Batteriemoduls 2 repräsentieren. Bevorzugt werden die Messwerte für alle Batteriemodule 2 der Batterieeinheit 10 empfangen. Beispielsweise stellt die Zellenüberwachungsschaltung 13 die Messwerte periodisch bereit. Alternativ kann eine Anforderung zum Bereitstellen der Messwerte an die Zellenüberwachungsschaltung 13 gesendet werden.
  • Optional werden in Schritt S05 zudem zweite Messwerte empfangen, die eine Ausgangsspannung und/oder einen Ladezustand der jeweiligen Batteriemodule 2 repräsentieren.
  • In Schritt S07 wird nach Empfang der Messwerte zum Heizen der Batterieeinheit 10 eine erste Gruppe von Leistungselektronikeinheiten 14 abhängig von den empfangenen Temperaturmesswerten und optional abhängig von den zweiten Messwerten derart gesteuert, dass jeder der DC/DC-Wandler der ersten Gruppe von Leistungselektronikeinheiten 14 in einem der folgenden Modi arbeitet: Abwärtswandlungsmodus, Aufwärtswandlungstopologie, Umgehungsmodus, Durchgangsmodus, und dass die DC/DC-Wandler der ersten Gruppe in mindestens zwei unterschiedlichen Modi arbeiten und ein Energietransfer zwischen mindestens zwei Batteriemodulen 2 erfolgt.
  • Somit bewirkt das Steuern ein aktives Laden und Entladen von Batteriemodulen, wodurch ein Heizen der Batteriezellen 4 der beteiligten Batteriemodule 2 bewirkt wird.
  • Insbesondere wird in Schritt S07 mindestens ein Ausgangssignal zum Steuern einer jeweiligen Schaltereinstellung der Schalter S1, S2, S3, S4 oder der Leistungselektronikeinheiten 14 bereitgestellt.
  • Dieses Steuern zum Selbstheizen der Batterieeinheit 10 kann fortgesetzt werden, bis die Zellentemperatur der Zellen 4 der Batteriemodule 2 in einem vordefinierten Bereich liegt, sodass sie zum Antreiben des Elektrofahrzeugs verwendet werden können oder von einer Ladestation geladen werden können, ohne die Zellen 4 zu beschädigen oder die Leistungsfähigkeit zu reduzieren.
  • In Schritt S09 wird das Programm beendet.
  • Zum Steuern des Selbstheizens der Batterieeinheit 10 kann eine Dauer des Selbstheizens vordefiniert sein und/oder ein Prozentanteil der beteiligten Batteriemodule 2 oder ersten Strängen 3 vordefiniert sein.
  • Außerdem kann die Auswahl von Batteriemodulen 2 oder ersten Strängen 3, die am Selbstheizen beteiligt sind, von verschiedenen Faktoren, beispielsweise Alter, Größe usw. der Zellen 4 der Batteriemodule 2, oder von spezifischen Eigenschaften der Batteriemodule 2 oder der ersten Stränge 3 abhängen.
  • Somit ist die Vorrichtung 11 zum Betreiben der Batterie 10 dazu ausgelegt, beispielsweise während einer Fahrzeugstoppzeit, wenn die Batterie nicht elektrisch mit dem Bordnetz des Elektrofahrzeugs verbunden ist, die Batterieeinheit 10 derart zu steuern, dass Energie von einem oder mehreren Batteriemodulen 2 zu einem oder mehreren anderen ersten Strängen 3 bewegt wird. Wenn die DC/DC-Wandler beginnen, im Abwärtswandlungs- oder Aufwärtswandlungsmodus zu arbeiten, erzeugen sie Verluste, die das Fluidkühlmittel, dass auch die Batteriezellen 4 passiert, erhitzen. Abhängig von der Temperatur der Batterieeinheit 10 ist die Vorrichtung 11 zum Betreiben der Batterieeinheit 10 dazu ausgelegt, dass Hin- und Herbewegen von Energie durch die verschiedenen ersten Stränge 3 anzupassen. Darüber hinaus führt das Bewegen von Energie von gewissen Batteriemodulen 2 zu anderen Batteriemodulen 2 zu einer Zellenerwärmung.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriesystem
    2
    Batteriemodul
    3
    Strang aus Batteriemodulen
    4
    Batteriezelle
    7,9
    Hauptverbinder
    10
    Batterieeinheit
    11
    Vorrichtung zum Betreiben einer Batterieeinheit
    12
    Fahrzeugsteuereinheit
    13
    Zellenüberwachungsschaltung
    14
    Leistungselektronikeinheit
    19
    Verbindung
    20,21
    Anschlüsse
    23
    Zirkulationsleitung
    S01, ...,S09
    Programmschritte
  • 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
    • EP 2853001 B1 [0004]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Batterieeinheit (10) eines Elektrofahrzeugs, wobei - die Batterieeinheit (10) mindestens einen ersten Strang (3) aus elektrisch in Reihe geschalteten Batteriemodulen (2) umfasst, - jedes Batteriemodul (2) mehrere elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltete Batteriezellen (4) umfasst, - jedes Batteriemodul (2) des mindestens einen ersten Strangs (3) aus Batteriemodulen (2) eine Leistungselektronikeinheit (14) umfasst und die Batteriemodule (2) des mindestens einen ersten Strangs (3) aus Batteriemodulen (2) über ihre jeweilige Leistungselektronikeinheit (14) in Reihe geschaltet sind, - jede der Leistungselektronikeinheiten (14) einen DC/DC-Wandler umfasst, der mindestens im Abwärtswandlungsmodus, Aufwärtswandlungsmodus, Umgehungsmodus zum Umgehen des jeweiligen Batteriemoduls (2) und Durchgangsmodus zum direkten Verbinden einer DC-Zwischenkreisschaltung mit dem jeweiligen Batteriemodul (2) betreibbar ist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: wenn der mindestens eine erste Strang (3) von einem Bordnetz des Elektrofahrzeugs getrennt ist, - Empfangen von Messwerten, die eine Temperatur mindestens eines Batteriemoduls (2) repräsentieren, - zum Heizen der Batterieeinheit (10), Steuern einer ersten Gruppe der Leistungselektronikeinheiten (14) abhängig von den empfangenen Messwerten, sodass - - jeder der DC/DC-Wandler der ersten Gruppe der Leistungselektronikeinheiten (14) in einem der folgenden Modi arbeitet: Abwärtswandlungsmodus, Aufwärtswandlungsmodus, Umgehungsmodus und Durchgangsmodus, - - die DC/DC-Wandler der ersten Gruppe der Leistungselektronikeinheiten (14) in mindestens zwei unterschiedlichen Modi arbeiten und - - ein Energietransfer zwischen mindestens zwei Batteriemodulen (2) erfolgt, wobei die erste Gruppe von Leistungselektronikeinheiten (14) einige oder alle Leistungselektronikeinheiten (14) des mindestens einen ersten Strangs (3) aus Batteriemodulen (2) umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Batterieeinheit (10) mindestens eine Zirkulationsleitung (23) umfasst, die ein Fluidkühlmittel zirkuliert, - um Wärme zu absorbieren, die durch die Zellen (4) mindestens einiger der Batteriemodule (2) und/oder durch die Elektronikeinheiten (14) mindestens einiger der Batteriemodule (2) erzeugt wird, wenn die jeweiligen Batteriemodule (2) jeweils Energie von einem oder mehreren anderen Batteriemodulen (2) empfangen und/oder an diese übertragen, und - um die absorbierte Wärme zumindest teilweise an andere Batteriemodule (2) zu übertragen.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zirkulationsleitung (23) zur Wärmeübertragung thermisch mit einem oder mehreren anderen Wärmekreisläufen des Elektrofahrzeugs außerhalb der Batterieeinheit (10) gekoppelt ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Zirkulationsleitung (23) als serieller Kühlkreislauf konfiguriert ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Zirkulationsleitung (23) als paralleler Kühlkreislauf konfiguriert ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Batterieeinheit (10) einen oder mehrere Stränge aus zweiten Batteriemodulen umfasst, wobei die zweiten Batteriemodule des einen oder der mehreren zweiten Stränge elektrisch in Reihe geschaltet sind und jedes zweite Batteriemodul mehrere elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltete Batteriezellen (4) umfasst und wobei - wenn der mindestens eine erste Strang (3) aus Batteriemodulen (2) zum Heizen der Batterieeinheit (10) verwendet wird - der zweite Strang durch eine Ladestation oder ein anderes Fahrzeug geladen oder zum Antreiben des Elektrofahrzeugs verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei weitere Messwerte empfangen werden, die eine Spannung und/oder einen Ladezustand mindestens eines Batteriemoduls (2) repräsentieren, und die erste Gruppe von Leistungselektronikeinheiten (14) zudem abhängig von den empfangenen weiteren Messwerten gesteuert wird.
  8. Vorrichtung (11) zum Betreiben einer Batterieeinheit (10) eines Elektrofahrzeugs, wobei - die Batterieeinheit (10) mindestens einen ersten Strang (3) aus elektrisch in Reihe geschalteten Batteriemodulen (2) umfasst, wobei jedes Batteriemodul (2) mehrere elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltete Batteriezellen (4) umfasst, - jedes Batteriemodul (2) des mindestens einen ersten Strangs (3) aus Batteriemodulen (2) eine Leistungselektronikeinheit (14) umfasst und die Batteriemodule (2) des mindestens einen ersten Strangs (3) aus Batteriemodulen (2) über ihre jeweilige Leistungselektronikeinheit (14) in Reihe geschaltet sind, - jede der Leistungselektronikeinheiten (14) einen DC/DC-Wandler umfasst, der mindestens im Abwärtswandlungsmodus, Aufwärtswandlungsmodus, Umgehungsmodus zum Umgehen des jeweiligen Batteriemoduls (2) und Durchgangsmodus zum direkten Verbinden einer DC-Zwischenkreisschaltung mit dem jeweiligen Batteriemodul (2) betreibbar ist, und - die Vorrichtung (11) zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgelegt ist.
  9. Batteriesystem (1), das Folgendes umfasst: - eine Batterieeinheit (10) für ein Elektrofahrzeug, wobei die Batterieeinheit (10) mindestens einen ersten Strang (3) aus elektrisch in Reihe geschalteten Batteriemodulen (2) umfasst, wobei jedes Batteriemodul (2) mehrere elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltete Batteriezellen (4) umfasst, wobei jedes Batteriemodul (2) des mindestens einen ersten Strangs (3) aus Batteriemodulen (2) eine Leistungselektronikeinheit (14) umfasst und die Batteriemodule (2) des mindestens einen ersten Strangs (3) aus Batteriemodulen (2) über ihre jeweilige Leistungselektronikeinheit (14) in Reihe geschaltet sind, jede der Leistungselektronikeinheiten (14) einen DC/DC-Wandler umfasst, der mindestens im Abwärtswandlungsmodus, Aufwärtswandlungsmodus, Umgehungsmodus zum Umgehen des jeweiligen Batteriemoduls (2) und Durchgangsmodus zum direkten Verbinden einer DC-Zwischenkreisschaltung mit dem jeweiligen Batteriemodul (2) betreibbar ist, und - eine Vorrichtung (11) nach Anspruch 8.
  10. Elektrofahrzeug, das ein Batteriesystem nach Anspruch 9 umfasst.
  11. Computerprogramm, das bei Ausführung durch einen Prozessor einer Batteriemanagementvorrichtung bewirkt, dass die Batteriemanagementvorrichtung das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchführt.
  12. Computerlesbares Medium, umfassend ein Computerprogramm, das bei Ausführung des Programms durch einen Prozessor einer Batteriemanagementvorrichtung bewirkt, dass die Batteriemanagementvorrichtung das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchführt.
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