-
Die Erfindung betrifft ein Batteriespeichersystem.
-
Batteriespeichersysteme der in Rede stehenden Art werden zunehmend in elektrischen Antriebssystemen, insbesondere in mobilen Anwendungen wie zum Beispiel Elektro-PKWs, Elektro-Bussen, Elektro-Sonderfahrzeugen, Elektro-Schiffen oder auch in Hybridfahrzeugen, eingesetzt. Die Batteriespeichersysteme dienen dabei zur Energieversorgung von elektrischen Antriebskomponenten wie Steuerungen, Elektromotoren und elektronischen Wechselrichtern.
-
Für derartige Batteriespeichersysteme werden insbesondere Hochleistungsbatterien eingesetzt. Hierbei sind vor allem Lithium(Li)-Ionen-Batterien von großer Bedeutung, da diese neben einer hohen Leistungs- und Energiedichte – je nach Betriebsweise – auch mit einer langen Lebensdauer aufwarten können. Vor allem Lithium-Batterien auf Basis von Nickel-Mangan-Cobalt zeichnen sich durch eine sehr hohe spezifische Energiedichte aus, weshalb solche Batterien bevorzugt in mobilen Anwendungen eingesetzt werden. Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer solcher Batteriesysteme hängen jedoch entscheidend von der Betriebsführung, nämlich der Art der Aufladung und Entladung, sowie von weiteren Parametern, vor allem von der Temperatur und vom Ladezustand ab. Für die Alterung von Lithium-Batterien ist der Temperatur- und Spannungseinfluss ganz entscheidend. Die Alterung nimmt stark zu, wenn man sich außerhalb der Spannungs- und vor allem außerhalb der vorgegebenen Temperaturgrenzen bewegt. Bei vielen Batterie-Managementsystemen ist deshalb eine Temperaturregelung zur Kühlung integriert. Ein gutes beziehungsweise schlechtes Temperaturmanagement macht bis zu einem Faktor drei in der Batterielebensdauer aus.
-
In mobilen Anwendungen sind üblicherweise mehrere Einzelbatterien zur Erhöhung der elektrischen Leistung parallel angeordnet. Dabei besteht eine einzelne Lithium-Batterie aus vielen Einzelzellen, welche – je nach Zellentypeine Grundspannung von ca. 3.2V bis 3.7V aufweisen. Durch eine Reihenschaltung dieser Zellen erreicht man eine hohe DC-Spannung von bis zu mehreren hundert Volt. Für den Betrieb einer einzelnen Batterie, bestehend aus vielen Einzelzellen, ist ein sogenanntes Batterie-Management-System erforderlich. Dieses misst die Temperatur und die Spannung jeder Einzelzelle sowie meist auch die Umgebungsbedingungen und sorgt dafür, dass die Batterie innerhalb ihres zulässigen Sicherheitsbereichs betrieben wird. Die Daten werden gesammelt, ausgewertet, aufgezeichnet und an ein externes System übertragen. Meist wird dadurch ein sogenanntes „Balancing“ abgeleitet, was dafür sorgt, dass die Gesamtbatterie möglichst effizient arbeitet.
-
Um die Gesamtleistung für eine bestimmte Anwendung zu erhöhen, werden derartige Einzelbatterien parallel betrieben. Die Einzelbatterien selbst bestehen aus einer Anordnung von Zellen, die mittels eines internen Batterie-Management-Systems zusammengeschaltet sind. Bei bekannten Anordnungen erfolgt ein direktes ungeregeltes Parallelschalten mehrerer Hochvolt-Einzelbatterien oder aber auch das ungeregelte Parallelschalten einzelner Zellen innerhalb einer Einzelbatterie.
-
Derartige Anordnungen, sowohl die Parallelschaltung von Hochvolt-Einzelbatterien als auch das Parallelschalten von Einzelzellen, sind mit mehreren Nachteilen behaftet:
Jede Batterie, insbesondere einzelne Zelle eines solchen Systems hat einen individuellen produktions- und alterungsbedingten Innenwiderstand. Dadurch ergibt sich eine unterschiedliche Erwärmung und eine unterschiedliche Maximalleistung sowie eine unterschiedliche Alterung der einzelnen Batterien im Gesamtsystem. Das Gesamtsystem muss daher auf die schwächste Batterie wie auch auf den Ladungs- und Entladungsgrad der Batterien des Gesamtsystems ausgelegt werden.
-
Die Batteriespannungen oder Zellspannungen sind unterschiedlich. Dies hat asymmetrische Belastungen zur Folge und es begrenzt wieder die geringste Leistung das Gesamtsystem.
-
Da durch das direkte Parallelschalten solcher einzelner Batterien oder Zellen die schwächste Batterie oder Zelle das Verhalten des Gesamtverhaltens bestimmt, muss beispielsweise der Gesamtstrom und die Gesamtleistung beziehungsweise Gesamtkapazität aller Batterien reduziert werden, wenn durch eine Einzelbatterie aufgrund eines geringen Innenwiderstands bei Parallelschaltung ein viel höherer Strom fließt als durch die anderen. In diesem Fall würde dann die Batterie mit dem geringsten Innenwiderstand am stärksten erwärmt werden und somit auch am schnellsten altern.
-
Bei komplettem Ausfall einer Batterie in einem derartigen Gesamtsystem muss üblicherweise das gesamte System abgeschaltet werden.
-
Aus der
DE 20 2014 102 494 U1 ist eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie mit einem dreiphasigen Wechselrichter bekannt, wobei jede Phase dieses Wechselrichters als Hochsetzsteller für Gleichspannungen betrieben ist. An jede der Phasen des Wechselrichters kann eine Energieerzeugungseinheit oder ein Energiespeicher angeschlossen sein.
-
Mit dieser Vorrichtung kann mit äußerst geringem konstruktiven und softwaremäßigen Aufwand ein Energiemanagement insbesondere für ein Antriebssystem, wie es beispielsweise in mobilen Hybridantrieben oder in batterieelektrischen Antrieben zum Einsatz kommt, durchgeführt werden.
-
Mit den Hochsetzstellern werden Gleichspannungen von den Energieerzeugungseinheiten und/oder den Energiespeichern auf eine gemeinsame Zwischenkreisspannung transformiert.
-
An unterschiedlichen Phasen des Wechselrichters angeschlossene Energieerzeugungseinheiten sind unabhängig voneinander und können parallel Energie in den von der Zwischenkreisspannung gebildeten Zwischenkreis einspeisen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Batteriespeichersystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches bei geringem konstruktiven Aufwand eine erhöhte Funktionalität aufweist.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Die Erfindung betrifft ein Batteriespeichersystem mit einer Parallel-Anordnung von Einzelbatterien. Jeder Einzelbatterie ist ein individuelles Batterie-Management-System zugeordnet, welches von einem DC/DC-Wandler gebildet ist und welches die Spannung der jeweiligen Einzelbatterie auf eine Zwischenkreisspannung transformiert. Die Zwischenkreisspannung bildet ein gemeinsames Spannungsniveau für alle Einzelbatterien, wobei sich die Leistungen der Einzelbatterie zu einer Gesamtleistung addieren.
-
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass bei dem erfindungsgemäßen Batteriespeichersystem jeder Einzelbatterie ein eigener DC/DC-Wandler zugeordnet ist, wodurch ein Parallelbetrieb der Einzelbatterie im Batteriespeichersystem ermöglicht wird, der unabhängig von dem Zustand, insbesondere Alterungszustand, der einzelnen Einzelbatterien ist. Dies bedeutet insbesondere, dass der Betrieb des gesamten Batteriespeichersystems nicht durch die schwächste Einzelbatterie in diesem System eingeschränkt ist. Damit ist die Leistungsfähigkeit gegenüber herkömmlichen Parallelanordnungen von Einzelbatterien ohne DC/DC-Wandler erheblich erhöht.
-
Das erfindungsgemäße Batterie-Management-System in Form eines DC/DC-Wandlers, das einer Einzelbatterie zugeordnet ist, ist generell von einem internen Batterie-Management-System, mittels dessen einzelne Zellen, die eine Einzelbatterie ausbilden, zu unterscheiden.
-
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Batteriespeichersystems besteht darin, dass die Anzahl und auch die Ausbildung der Einzelbatterie (ebenso wie die Anzahl der in Reihe geschalteten Einzelzellen) frei wählbar ist, da die einzelnen Einzelbatterien im Batteriespeichersystem durch die einzelnen DC/DC-Wandler individuell angesteuert werden können. Damit ergibt sich in praktischen Anwendungen eine optimale Skalierbarkeit der speicherbaren Energiemenge.
-
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung wird ein homogenes redundantes Batteriespeichersystem dadurch bereitgestellt, das alle Einzelbatterien dieses Systems identisch ausgebildet sind.
-
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung wird ein diversitäres redundantes Batteriespeichersystem dadurch bereitgestellt, dass alle oder zumindest einige der Einzelbatterien des Systems unterschiedlich ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass in dem Batteriespeichersystem unterschiedliche Batterietypen eingesetzt werden können, wobei hierzu neben konventionellen Hochleistungsbatterien insbesondere auch Supercaps, das heißt Hochleistungskondensatoren für kurze, hohe Leistungsspitzen eingesetzt werden können. Damit kann das Batteriespeichersystem flexibel an unterschiedliche Anforderungsprofile angepasst werden.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mittels eines Batterie-Management-Systems die Lade- und Entladeleistung der zugeordneten Einzelbatterien individuell geregelt.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Umstand ausgenutzt, dass eine Einzelbatterie aus einer Anordnung von Zellen besteht, die von einem internen Batterie-Management-System gesteuert werden. Werden unterschiedliche Einzelbatterien ausgebildet, die aus gleichen Typen von Zellen, jedoch aus unterschiedlichen Anzahlen von Zellen bestehen, kann je nach Anzahl der Zellen die Größe der Einzelbatterie an einen vorhandenen Einbauraum angepasst werden.
-
So können gleiche Zelltypen aber Batterieblöcke mit unterschiedlicher Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen – je nach Einbaumöglichkeit – zum Beispiel in Fahrzeuge an unterschiedlichen Montagestellen installiert werden. Dadurch ergibt sich eine optimale Skalierbarkeit der speicherbaren Energie und eine höhere Ausnutzung vorhandener Einbauräume für Batterien in Fahrzeugen aller Art. Zum Beispiel können zusätzliche Batterien im Motorraum eines Lastkraftwagens verbaut werden, wenn der andere Raum für die elektrische Leistung nicht ganz ausreicht.
-
Durch die individuellen Regelvorgänge in den DC/DC-Wandlern kann der Beitrag der einzelnen Einzelbatterien zur von dem Batteriespeichersystem gelieferten Gesamtleistung schnell flexibel und an die aktuellen Betriebszustände der Einzelbatterie angepasst vorgegeben werden, wobei besonders vorteilhaft ist, dass diese einzelnen Regelvorgänge unabhängig voneinander sind. Die Leistungsregelung für eine Einzelbatterie beeinflusst somit alle übrigen Einzelbatterien nicht.
-
Damit können mit den DC/DC-Wandlern Leistungsschwankungen, insbesondere Leistungseinbrüche einzelner Einzelbatterien aufgrund von externen Einflüssen oder bedingt durch Alterungseffekte ohne Rückwirkungen auf das Gesamtsystem aufgefangen werden. Nimmt beispielsweise die Leistung einer Einzelbatterie ab, weil deren Kühlsystem ausgefallen ist, so erfolgt die Leistungsregelung des zugeordneten DC/DC-Wandlers für diese Einzelbatterie derart, dass dieser weniger Strom entnommen wird, so dass diese Einzelbatterie nicht überhitzt, wodurch ein Totalausfall der Einzelbatterie und des Gesamtsystems vermieden wird. Da der Betrieb aller anderen Einzelbatterien des Batteriespeichersystems hierdurch unbeeinträchtigt bleibt, ist die Gesamtleistung des Batteriespeichersystems nur um den Betrag der reduzierten Leistung der Einzelbatterie, deren Kühlsystem ausgefallen ist, reduziert, das heißt das Gesamtsystem bleibt durch die Leistungsminderung einer einzelnen Einzelbatterie nahezu unbehelligt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind während des Betriebs des Batteriespeichersystems über die Batterie-Management-Systeme einzelne Einzelbatterien zu- oder abschaltbar.
-
Dadurch kann im erfindungsgemäßen Batteriespeichersystem besonders flexibel und insbesondere ohne jegliche Ausfallzeiten des Gesamtsystems auf Ausfälle einzelner Einzelbatterien reagiert werden. Fällt beispielsweise eine Einzelbatterie des Batteriespeichersystems aus, so kann über den zugeordneten DC/DC-Wandler der Ausfall erkannt werden und diese Einzelbatterie abgeschaltet werden, ohne dass das Gesamtsystem abgeschaltet werden muss. Ebenso kann während des Betriebs des Batteriespeichersystems eine Einzelbatterie zugeschaltet werden, ohne dass das Gesamtsystem abgeschaltet werden muss, wodurch auf einfache Weise die Gesamtleistung des Batteriespeichersystems erhöht werden kann.
-
Generell erfolgt vorteilhaft mittels der Batterie-Management-Systeme eine Ansteuerung der einzelnen Einzelbatterien derart, dass deren Lebensdauer maximiert wird.
-
Hierzu erfolgt vorteilhaft in den einzelnen DC/DC-Wandlern oder mittels separater Erfassungsmittel eine fortlaufende Erfassung der Betriebszustände der angeschlossenen Einzelbatterien, wobei dann anhand derer Betriebszustände der Betrieb, insbesondre die Lade- oder Entladeleistung sowie der Lade- und Entladegrad der jeweiligen Einzelbatterien, geeignet über die jeweils zugeordneten DC/DC-Wandler vorgegeben wird. Damit wird die Lebensdauer des gesamten Batteriespeichersystems und damit dessen Verfügbarkeit signifikant erhöht.
-
Gemäß einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere DC/DC-Wandler in einem einen Mehrfach-DC/DC-Wandler bildenden Gerät integriert.
-
Der konstruktive Aufwand zur Ausbildung aller DC/DC-Wandler des Batteriespeichersystems kann somit gering erhalten werden.
-
Gemäß einer ersten Variante ist eine Einzelbatterie von einer Einzelphase eines Mehrfach-DC/DC-Wandlers angesteuert.
-
Gemäß einer zweiten Variante ist eine Einzelbatterie von mehreren parallel geschalteten Einzelphasen eines Mehrfach-DC/DC-Wandlers angesteuert.
-
Das erfindungsgemäße Batteriespeichersystem kann besonders vorteilhaft in mobilen Systemen eingesetzt werden, wobei derartige mobile Systeme insbesondere als Land- oder Wasserfahrzeuge beliebiger Ausprägungen ausgebildet sein können.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1: Erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriespeichersystems.
-
2: Zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriespeichersystems.
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Batteriespeichersystems 1, das in einem Fahrzeug, im vorliegenden Fall in einem Elektro-Sonderfahrzeug integriert ist. Von diesem Fahrzeug sind schematisch die beiden nicht angetriebenen Fronträder 2 und die mittels eines Elektroantriebs angetriebene Heckachse 3 mit zwei Doppelrädern 4 dargestellt.
-
Das Batteriespeichersystem 1 umfasst im vorliegenden Fall sechs identisch ausgebildete Einzelbatterien 5 mit jeweils einer Spannung von 125 VDC und einem Maximalstrom von 240 A, wodurch eine Gesamtleistung des Batteriespeichersystems 1 von 180 KW erhalten wird. Prinzipiell kann das Batteriespeichersystem 1 auch aus unterschiedlichen Einzelbatterien 5 bestehen.
-
Jeweils drei der Einzelbatterien 5 sind über jeweils zwei Anschlüsse an einem Dreifach-DC/DC-Wandler 6 angeschlossen. Im vorliegenden Fall ist jeweils eine Einzelbatterie 5 an eine der drei Phasen des zugeordneten Dreifach-DC/DC-Wandlers 6 angeschlossen. Die beiden identisch ausgebildeten Dreifach-DC/DC-Wandler 6 sind Bestandteil des Batteriespeichersystems 1 und sind an einen Zwischenkreis 7 angeschlossen.
-
Die Dreifach-DC/DC-Wandler 6 werden über einen Fahrzeugbus, im vorliegenden Fall einen CAN-Bus 8 angesteuert.
-
Zum Laden der Einzelbatterien 5 wird Energie von einer externen Ladestation bezogen. Hierfür ist eine Ladeeinheit 9 mit einer Gleichrichterbrücke oder einem aktiv geregelten AC/DC Wandler vorgesehen.
-
Mit den beiden Dreifach-DC/DC-Wandlern 6 wird die Lade- und Entladeleistung der Einzelbatterien 5 individuell geregelt. Zum individuellen Aufladen einer Einzelbatterie 5 wird die notwendige Energie aus der Ladestation bezogen. Weiterhin können mit den Dreifach-DC/DC-Wandlern 6 einzelne Einzelbatterien 5 individuell zu- oder abgeschaltet werden. Diese Regelvorgänge beziehungsweise Zu- und Abschaltvorgänge können ohne Abschalten des Fahrzeugs durchgeführt werden.
-
Generell transformieren die beiden Dreifach-DC/DC-Wandler 6 die Batteriespannungen auf eine Zwischenkreisspannung, wobei die Zwischenkreisspannung größer ist als die einzelnen Batteriespannungen. Im vorliegenden Fall beträgt die Zwischenkreisspannung 600 VDC.
-
2 zeigt im zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriespeichersystems 1, das, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 in einem Fahrzeug integriert ist. Die Ausbildung des Fahrzeugs entspricht der Ausführungsform gemäß 1.
-
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind nur vier identische Einzelbatterien 5 vorgesehen, wobei jeder Einzelbatterie 5 ein separater DC/DC-Wandler in Form eines Dreifach-DC/DC-Wandlers 6 zugeordnet ist. In diesem Fall sind die drei Phasen eines DC/DC-Wandlers parallel geschaltet und steuern jeweils eine Einzelbatterie 5.
-
Die Funktionsweise des Batteriespeichersystems 1 gemäß 2 entspricht der Funktionsweise des Batteriespeichersystems 1 gemäß 1.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Batteriespeichersystem
- 2
- Fronträder
- 3
- Heckachse
- 4
- Doppelräder
- 5
- Einzelbatterie
- 6
- Dreifach-DC/DC-Wandler
- 7
- Zwischenkreis
- 8
- CAN-Bus
- 9
- Ladeeinheit
-
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
-
- DE 202014102494 U1 [0010]
