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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochvolt-Batteriesystem zum Speichern elektrischer Energie in einer Anzahl miteinander verschalteter elementarer Speicherzellen unter Überwachung und Regelung durch ein Batteriemanagement-System bei elektrischer Verbindung der verschalteten elementaren Speicherzellen über Leistungsschalter in einer Hochvolt-Verteilerbox zu externen Hochvolt-Anschlüssen hin.
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Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze zum Aufbau eines Hochvolt-Batteriesystems der genannten Art bekannt, die im Fall sehr hoher Kapazitäten als stationäre Systeme aufgeführt sind.
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Die meisten Hochvolt-Batteriesysteme sind in einem Container untergebracht und verfügen über ein Gateway, das parallelgeschaltete Sub-Batteriesysteme steuert. Dies hat den Nachteil, dass bekannte Hochvolt-Batteriesysteme sehr massiv, schwer und unhandlich im Transport und im Verbau sind. Dabei nimmt Nachfrage nach stationären Hochvolt-Batteriespeichern zur Netzstabilität oder als Notstromaggregate unterschiedlicher Größe bzw. elektrischer Kapazität immer mehr zu. Aktuell gibt es wenig skalierbare Anwendungen für derartige stationäre Hochvolt-Energiespeicher mit hohen Kapazitäten. Ohne eine jeweils passende Neuentwicklung muss also auf Standard-Größen zurückgegriffen werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hochvolt-Batteriesystem zu schaffen, das bei anpassbarer Kapazität leichter transportierbar und aufbaubar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 bei einem Hochvolt-Batteriesystem zum Speichern elektrischer Energie in einer Anzahl miteinander verschalteter elementarer Speicherzellen, die über eine analoge Leitung und/oder eine Datenleitung unter Überwachung und Regelung durch ein Batteriemanagement-System sind und die bei elektrischer Verbindung der verschalteten elementaren Speicherzellen über Hochvolt-Pfade mit Leistungsschaltern in einer Hochvolt-Verteilerbox zu externen Hochvolt-Anschlüssen hin verbunden sind, dadurch gelöst, dass im Bereich der Hochvolt-Verteilerbox mindestens ein Knoten zu einem im Wesentlichen elektrisch gleichartigen Sub-System vorgesehen ist, der als Schnittstelle für eine analoge Leitung und/oder eine Datenleitung des Sub-Systems zu dem Batteriemanagement-System sowie als Anschluss für einen Hochvolt-Pfad des Sub-Systems ausgeführt ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auch bei Hochvolt-Batteriesystemen eine Skalierbarkeit durch Zuschaltung mindestens eines Sub-Systems auch die mechanischen Anforderungen an Transport und Aufbau vor Ort deutlich erleichtert. Ein im Wesentlichen elektrisch gleichartiges Sub-System vereinfacht vorzugsweise in Form eines Standardisierten Bausteins erleichtert die Skalierbarkeit ebenfalls in beiderlei Hinsicht: Systeme mit im Wesentlichen gleichartigen elektrischen Eigenschaften bauen auch im Wesentlichen gleich und benötigen den im Wesentlichen gleichen Raum und gleiche Betriebsbedingungen. Das ist für die Auswahl elektrischer Komponenten, aber auch zur mechanischen Fixierung oder Kühlung ein wesentlicher Vorteil. Zugleich greift ein Sub-System jedoch auch auf Ressourcen des Hochvolt-Batteriesystems zu, das dem Sub-System nun quasi als Basissystem dient: Über eine Schnittstelle für eine analoge Leitung und/oder eine Datenleitung ist das Sub-System mit dem Batteriemanagement-System des Basissystems verbunden. Das Sub-System verfügt also nicht über ein eigenes, separates Batteriemanagement-System. Das Sub-System ist aufgrund der elektrisch eingestellten Gleichartigkeit mit der Verschaltung elementarer Speicherzellen des Basis-Systems ebenfalls durch das Batteriemanagement-System des Basis-Systems überwachbar und regelbar. Das Sub-System kann damit als passives System betrachtet werden, das Basis-System hingegen als aktives System. Dabei kann das mindestens eine Sub-System unter räumlicher Trennung von dem Basis-System angeordnet sind, so dass sich in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine verteilte Struktur aus mindestens einem Basis-System und mehreren damit elektrisch verbundenen Sub-Systemen ergibt
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach ist der Knoten im Bereich der Hochvolt-Verteilerbox des Basis-Systems vorgesehen. Die Hochvolt-Verteilerbox ist damit bei geringem Aufwand als Zentrum diverser Schnittstellen weiter ausgebaut.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schnittstelle für den Hochvolt-Pfad des Sub-Systems als Parallelschaltung ausgeführt. Die Gleichartigkeit des Basis-Systems mit dem mindestens einen Sub-System liegt also mindestens in einer gemeinsamen Spannungsebene im Bereich des Knotens.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hochvolt-Batteriesystems ist in dem Hochvolt-Pfad des Sub-Systems eine Strom-Messstelle vorgesehen, die in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vor dem Knoten angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Strom-Messstelle als Hall-Sensor ausgeführt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in dem Knoten die Schnittstelle für den Hochvolt-Pfad und/oder die analoge Leitung und/oder die Datenleitung des Sub-Systems als Stecker ausgeführt.
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Vorzugsweise umfasst der Stecker des Sub-Systems in einem Gehäuse einen Hochvolt-Pfad und einen Niedervolt-Pfad. Damit ist eine sichere und kompakte Bauform für eine zuverlässige elektrische Verbindung vorgesehen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung verfügt eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch über ein vorteilhaftes Sicherungsmittel, dass der Stecker des Sub-Systems einen Schalter umfasst, durch den der Stecker des Hochvolt-Pfads erst bei mechanisch gesicherter Fixierung des Knotens freischaltbar ist.
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Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßes Hochvolt-Batteriesystem ein Sub-System mit einer Serienschaltung elementarer Speicherzellen, Schütze als Schalter in dem Hochvolt-Pfad, eine Sicherung und vorzugsweise einen Economizer zur internen Spulenstromregelung der Schütze als Alternative zu einer externen Puls-Weiten-Modulation bzw. PWM-Regelung..
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In einer Weiterbildung ist eine erfindungsgemäße Verbindungvorrichtung ist eine Niederspannungsversorgung von Schützen des Sub-Systems über den Schalter in dem Stecker des Hochvolt-Pfads geführt. Damit ist sichergestellt, dass ein Hochvolt-Stecker solange stromlos und potentialfrei geschaltet ist, bis eine sichere elektrische Verbindung der Stecker in dem Knoten vorhanden ist.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels eines Hochvolt-Batteriesystems als Basis-System mit mindestens einem Knoten;
- 2: einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Hochvolt-Batteriesystems als Basis-System mit einem zwei Schnittstellen umfassenden Knoten;
- 3: einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Sub-Systems und
- 4: ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines skalierbar erweiterbaren Hochvolt-Batteriesystems unter Verwendung von Basis-Systemen und daran anageschlossenen Sub-Systemen.
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Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritt stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz eines Hochvolt-Batteriesystems dargestellt und beschrieben, das besonders auf eine stationäre Anwendung als Notstromsystem oder Ausgleichsspeicher mit großer Kapazität ausgelegt ist. Es ist aber für den Fachmann jedoch offensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung auf einen Einsatz verteilter Energiespeicher in einem Fahrzeug zu Lande, zu Wasser oder in der Luft möglich ist, insbesondere unter Nutzung eines Cell-to-Chassis-Ansatzes.
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1 stellt einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels eines Hochvolt-Batteriesystems 1 als Basis-System 2 mit mindestens einem Knoten 3 dar. Das Hochvolt-Batteriesystem 1 ist zum Speichern elektrischer Energie in einer Anzahl miteinander elektrisch verschalteter elementarer elektro-chemischer Speicherzellen 4 ausgebildet, vorzugsweise von Lithium-Ionen Zellen zylindrischer Bauform, die in diesem Ausführungsbeispiel Form von Modulen Mod miteinander verschaltet sind. Hier sind 16 Module Mod in einer Serienschaltung miteinander verbunden. Jedem der Module Mod ist ein eigener Zellüberwachungsschaltkreis csc zugeordnet, wie durch die gleichlautenden Zähler angedeutet. Der Zellüberwachungsschaltkreis csc überwacht das jeweilige Modul Mod über verschiedene Sensoren fortlaufend, um auf dieser Basis entsprechende Mess- und Zustandsdaten zu erstellen. Auf diese Daten der Zellüberwachungsschaltkreise csc aufbauend erfolgt eine übergeordnete Kontrolle und Regelung der soweit beschriebenen elektro-chemischen Speicheranordnung in einem Batteriemanagement-System 7, kurz BMS. Die Module Mod verfügen über eine analoge Leitung 5 zur Übertragung elektrischer Leistung und eine Datenleitung 6 zur Übersendung von Daten zur Regelung und Überwachung an das Batteriemanagement-System 7, hier als reversible isoSPI Datenleitung realisiert. Die analoge Leitung 5 ist als elektrische Verbindung der Module Mod aus darin miteinander verschalteten elementaren Speicherzellen 4 als Hochvolt-Pfad ausgeführt, der sich über Leistungsschalter 8 in einer Hochvolt-Verteilerbox 9 zu einem externen Hochvolt-Anschluss eHV con 10 für beide Polaritäten hin erstreckt.
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Die Hochvolt-Verteilerbox 9 umfasst neben dem auf einer Niederspannungsebene von 12V betriebenen Batteriemanagement-System 7 die über eine analoge Steuerleitung an das Batteriemanagement-System 7 angeschlossenen Leistungsschalter 8, die für jede Polarität vorgesehen sind, im Wesentlichen noch eine Sicherung F sowie einen Strommess-Widerstand SNT, der wiederum über eine reversible isoSPI Datenleitung 6 an das Batteriemanagement-System 7 angeschlossen ist. Von dem Batteriemanagement-System 7 aus läuft die Datenleitung 6 an der Hochvolt-Verteilerbox 9 zu einem externen Niedervolt-Anschluss eLV con 11 des isoSPI-Bus hin.
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Das vorstehend beschriebene und aus dem Stand der Technik bekannte System wird nun als Basis-System 2 für eine skalierbare Erweiterung einer elektrischen Kapazität durch den mindestens einen Knoten 3 an dem Hochvolt-Pfad 5 ausgebaut, an den mindestens ein im Wesentlichen elektrisch gleichartigen Sub-System 12 angeschossen ist. Der Knoten 3 ist im Bereich der Hochvolt-Verteilerbox 9 vorgesehen und weist als Anschluss einen Stecker 13 für einen Hochvolt-Pfad 5 des Sub-Systems 12 auf der Niedervoltebene und zudem eine Schnittstelle für die Datenleitung 6 des Sub-Systems 12 zu dem Batteriemanagement-System 7 des Basis-Systems 2 auf, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle zum Anschließen eines Hochvolt-Pfad 6 des Sub-Systems 12 zu den Hochvolt-Pfad 6 des Basis-Systems 2 über Hochvolt-Stecker 13 als Parallelschaltung im Knoten 3 angeschlossen. Damit können im vorliegenden Ausführungsbeispiel an das Basis-System 2 im Bereich des Knotens 3 zwei Sub-Systeme 12 in Parallelschaltung angeschlossen bzw. angesteckt werden.
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2 zeigt einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Hochvolt-Batteriesystems als Basis-System 2 mit einem zwei Schnittstellen bzw. Stecker 13 umfassenden Knoten 3. In Erweiterung des ersten Ausführungsbeispiels ist hier nun in dem Hochvolt-Pfad 5 des Basissystems 12 eine Strom-Messstelle 14 vorgesehen ist. Die Strom-Messstelle 14 ist zur Messung der einzelnen Strangströme vor dem Knoten 3 angeordnet und jeweils als Hall-Sensor ausgeführt. Damit ist der Stromfluss in jedem der bis zu zwei Sub-Systeme 12 getrennt bestimmbar. Eine Übermittlung dieser Messdaten findet durch einen CAN-, KI15- oder KI30C-Datenleitung 6 an das Batteriemanagement-System 7 statt und wird über einen Niederspannungs-Stecker eLV-con der Hochvolt-Verteilerbox 7 auch an höhere Instanzen weitergeleitet. So kommuniziert in nicht weiter dargestellter Art und Weise eine Fahrzeugkontrolleinheit VCU mit dem Batteriemanagement-System 7 des Basis-Systems 2 und über dieses Batteriemanagement-System 7 auch mit den jeweils über den Knoten 3 an das Basis-System 2 angeschlossenen Sub-Systemen 12. Die Einsparung eigener Batteriemanagement-Systeme 7 in den Sub-Systemen 12 führt zu einer deutlichen Kosteneinsparung, beschränkt aber die Anzahl der jeweils an ein Basis-System 2 anschließbaren Sub-Systeme 12 im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf zwei. Daher können hier auch im Knoten 3 keine weiteren Anschlüsse für weitere Parallelschaltungen vorgesehen werden.
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3 stellen einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Sub-Systems 12 dar. Das Sub-System 12 selber umfasst eine Serienschaltung von 16 Modulen und entspricht damit von den elektrischen Eigenschaften einem der vorstehend beschriebenen Basis-Systeme 2. Von der Überwachung und Regelung her betrachtet ist das Sub-System 12 jedoch ein passives System, da es kein eigenes Batteriemanagementsystem BMS umfasst. Die Hochvolt-Pfade 5 weisen lediglich eine Sicherung F und zwei Leistungsschalter SW auf. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst ein Stecker 15 des Sub-Systems 12 in einem Gehäuse eine Schnittstelle für den Hochvolt-Pfad 5 und den Niedervolt-Pfad 6. Der Stecker 15 des Sub-Systems 12 umfasst einen Schalter 16, der dazu ausgebildet ist, dass der Hochvolt-Pfad 5 erst bei mechanisch gesicherter Fixierung am dem Stecker 13 des Knotens 3 freischaltbar ist. Zur Absicherung ist eine Niederspannungsversorgung von Schützen SW des Sub-Systems 12 in dem Stecker 15 über den Schalter 16 geführt.
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4 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines skalierbaren und damit flexibel einer jeweiligen Anforderung entsprechend erweiterbaren Hochvolt-Batteriesystems 1. Bekannt war bislang eine serielle und/oder parallel Verschaltung von Teilen im jeweiligen Umfang von mehreren Basis-Systemen 2. Nun ist jedes der Basis-Systeme 2 durch die vorstehend beschriebenen Knoten 3 um ein oder zwei parallel angeschlossene Sub-Systeme 12 im Sinne eines schrittweisen bzw. skalierbaren Ausbaus einer elektrischen Kapazität des Hochvolt-Batteriesystems 1 erweiterbar. Das skizzierte Hochvolt-Batteriesystem 1 ist unter Verwendung von Basis-Systemen 2 und jeweils bis zu zwei daran anageschlossenen Sub-Systemen 12 damit in Teilschritten ohne zusätzlichen Schaltungs- und/oder Anpassungsaufwand auch in den betreffenden Basis-Systemen 2 erweiterbar. Eine maximale Ausbaustufe eines Hochvolt-Batteriesystems 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit 16 Basis-Systemen 2 und jeweils zwei dran angeschlossenen Sub-Systemen 12 als Reihen #1 bis #16 erreicht. Damit können in einem Gesamtsystem aus 16+2*16 = 48 Einheiten zu je 16 seriell verschalteten elementaren elektro-chemischen Speicherzellen 4. Diese gesamten Anordnung wird in der skizzierten maximalen Ausbaustufe jedoch durch nur 16 Batteriemanagementsysteme 7 sicher überwacht und geregelt.
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Bezugszeichenliste
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- eHV-con
- externer Hochspannungs-Stecker
- eLV-con
- externer Niederspannungs-Stecker
- Mod
- Modul
- csc
- Zellüberwachungsschaltkreis, je einem Modul zugeordnet
- F
- Sicherung
- SHN
- Strommesswiderstand / Shunt
- SW
- Schalter
- PCR
- Vorladewiderstand / Precharge resistor
- 1
- Hochvolt-Batteriesystem
- 2
- Basis-System
- 3
- Knoten
- 4
- elementare elektro-chemischer Speicherzelle oder Modul
- 5
- analoge Leitung / Hochvolt-Pfad
- 6
- Datenleitung / Bus
- 7
- Batteriemanagement-System / BMS
- 8
- Leistungsschalter
- 9
- Hochvolt-Verteilerbox
- 10
- externer Hochvolt-Anschluss
- 11
- externer Niedervolt-Anschluss zu dem isoSPI-Bus
- 12
- Sub-System
- 13
- Stecker / Anschlussbereich eines Sub-Systems 12 an das Basis-System 2
- 14
- Strom-Messstelle
- 15
- Stecker des Sub-Systems 12 / CON
- 16
- Schalter im Stecker 15
