DE212010000081U1 - Fehlertolerantes modulares Batteriemanagementsystem - Google Patents

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Abstract

Modulares Batteriemanagementsystem zum Verwalten mehrerer Batterien und zum Betreiben einer Last, wobei das System Folgendes umfasst:
mehrere Batteriemanagement-Steuerungsmodule;
mehrere bidirektionale Spannungsumsetzermodule, die jeweils mit den Batterien verbunden sind und mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind, wobei die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule miteinander parallel geschaltet sind; und
mehrere Energiespeichermodule, die jeweils mit den bidirektionalen Spannungsumsetzermodulen parallel geschaltet sind und mit der Last verbunden sind; wobei:
die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule dafür konfiguriert sind, elektrische Energie von den Batterien zu der Last oder von den Energiespeichermodulen zu den Batterien zu übertragen; und
die Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, ein vorgegebenes Programm auf der Grundlage der Zustandsinformationen jeder Batterie auszuführen und die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule zu steuern.

Description

  • QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/187,273, eingereicht am 15. Juni 2009, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Batteriemanagementsysteme für Elektrofahrzeuge oder Hybrid-Elektrofahrzeuge und betrifft insbesondere ein fehlertolerantes modulares Batteriemanagementsystem (MBMS), das in der Lage ist, kritische Lasten mit hohem Leistungsbedarf zu versorgen.
  • HINTERGRUND
  • Der elektrische Leistungsbedarf für Elektrofahrzeuge (EF) oder Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEF) kann sehr hoch sein. Während des Anlass-/Fahrmodus und während des Fahr-/Brems-/internen bzw. externen Lademodus des Fahrzeugs durchläuft die Batterie Entlade- und Ladezyklen. Das Management der Gebrauchstüchtigkeit der Batterie, des Ladezustandes der Batterie und der Batterietemperatur ist bei Elektrofahrzeugen oder Hybrid-Elektrofahrzeugen von kritischer Bedeutung, weil die Zufuhr von elektrischer Energie während der Fahrt nicht unterbrochen werden darf. Darüber hinaus können unterschiedliche Batterietypen sowie ein unterschiedlicher Spannungs- und Leistungsbedarf in unterschiedlichen Elektrofahrzeugen oder Hybrid-Elektrofahrzeugen unterschiedliche Batteriemanagementsysteme erfordern. Darum kann die Gesamtkonzeption des Batteriestromversorgungssystems aufgrund der Unterschiede beim Batterietyp, dem Leistungsbedarf und der Fahrzeugbetriebsspannung von einem Fahrzeugdesign zum anderen vollkommen verschieden sein. Mitunter kann die Zeit zum Laden und Austauschen der Batteriepacks für den Nutzer eine vorübergehende Betriebsunterbrechung bedeuten. Ein ausgefallener Batteriepack kann zu einer sofortigen Betriebsstörung des Elektrofahrzeugs oder Hybrid-Elektrofahrzeugs führen. Herkömmlicherweise sind die Batteriepacks (oder -zellen) in Reihe geschaltet und bilden eine Batteriepack-Anordnung (BPA), um den Motoren des Elektrofahrzeugs oder Hybrid-Elektrofahrzeugs und anderen Hilfssystemen eine hohe Spannung und einen hohen Strom zuzuführen. Da die Batteriepacks oder -zellen in Reihe geschaltet sind, fließt der Lade- und Entladestrom gleichzeitig durch jeder Batteriepack (oder jede Batteriezelle). Das verursacht Probleme beim Ausgleichen der Kennfelder der einzelnen Batteriepacks (oder -zellen). Ein herkömmliches Batteriemanagementsystem detektiert Ladezustand, Gebrauchstüchtigkeit und Batterietemperatur der einzelnen Batteriepacks (-zellen) mit Hilfe eines komplizierten Batteriemanagements aufgrund der Reihenschaltungen der Batterien. Der einzelne Batteriepack (oder die einzelne Batteriezelle) wird in Abhängigkeit vom detektierten Zustand des Batteriepacks (oder der Batteriezelle) zu den in Reihe geschalteten Batteriepacks (oder -zellen) hinzugeschaltet (EIN) oder von den in Reihe geschalteten Batteriepacks (oder -zellen) getrennt (AUS). Infolge dessen schwankt die BPA-Ausgangsspannung. Dadurch entstehen Instabilitätsprobleme bei den Motoransteuerungen und zugehörigen Schaltkreisen. Darum wird ein Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer eingesetzt, um die schwankende BPA-Ausgangsspannung in eine stabile Spannungsversorgung für Motoransteuerungen und zugehörige Schaltkreise zu verwandeln. Jedoch muss der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer bei einer hohen Spannung und einem hohen Strom arbeiten. Die hohe Verlustleistung in dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer verschlechtert allgemein die Zuverlässigkeit des Systems insgesamt. Das System schaltet sich ab, sobald der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer ausfällt. Darüber hinaus kann die Leistung der Batteriepack-Anordnung (BPA) nicht so ohne Weiteres erhöht oder verringert werden, um sie an verschiedene Lastzustände anzupassen. Außerdem kann ein toter Batteriepack oder eine tote Batteriezelle erst ersetzt werden, wenn die Batteriepack-Anordnung (BPA) aus dem Fahrzeug ausgebaut wurde.
  • Dementsprechend besteht auf diesem technischen Gebiet Bedarf an einem verbesserten Batteriemanagementsystem mit Fehlertoleranzmerkmalen zum Lösen der Probleme des Batterie-Ungleichgewichts und toter Batteriezellen. Des Weiteren ist es wünschenswert, zusätzliche Merkmale, wie zum Beispiel die Änderung der Potenzialschienenspannung, der Leistungsabgabekapazität und der Anzahl der Batterien, zu realisieren.
  • Die obige Beschreibung des Hintergrundes soll das Verständnis eines fehlertoleranten modularen Batteriemanagementsystems verbessern. Weder beschreibt sie den einschlägigen Stand der Technik für das fehlertolerante modulare Batteriemanagementsystem, das in der vorliegenden Anmeldung offenbart ist, noch stellt sie diesen dar.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein modulares Batteriemanagementsystem zum Verwalten mehrerer Batterien und zum Betreiben einer Last. Gemäß einem Aspekt enthält das System mehrere Batteriemanagement-Steuerungsmodule; mehrere bidirektionale Spannungsumsetzermodule, die jeweils mit den Batterien verbunden sind und mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind, wobei die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule miteinander parallel geschaltet sind; und mehrere Energiespeichermodule, die jeweils mit den bidirektionalen Spannungsumsetzermodulen parallel geschaltet sind und mit der Last verbunden sind. Die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule sind dafür konfiguriert, elektrische Energie von den Batterien zu der Last oder von den Energiespeichermodulen zu den Batterien zu übertragen. Die Batteriemanagement-Steuerungsmodule sind dafür konfiguriert, ein vorgegebenes Programm auf der Grundlage der Zustandsinformationen jeder Batterie auszuführen und die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule zu steuern.
  • Die Energiespeichermodule können Kondensatoren, Superkondensatoren, Ultrakondensatoren, Schwungräder oder jegliche Form von recyclingfähigen elektrischen Energiespeicherelementen sein.
  • Die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule können dafür konfiguriert sein, elektrische Energie von den Energiespeichermodulen zu den Batterien zu übertragen, um die Batterien zu laden, wenn die Spannung in den Energiespeichermodulen einen vorgegebenen Wert übersteigt.
  • Die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule können jeweils über mehrere erste Schalter mit den Batterien verbunden sein. Die Energiespeichermodule sind jeweils über mehrere zweite Schalter mit den bidirektionalen Spannungsumsetzermodulen parallel geschaltet. Die Last ist über einen dritten Schalter mit den Energiespeichermodulen verbunden. Die mehreren ersten Schalter, die mehreren zweiten Schalter und der dritte Schalter werden durch die Batteriemanagement-Steuerungsmodule gesteuert.
  • Die Batteriemanagement-Steuerungsmodule können dafür konfiguriert sein, einen der mehreren ersten Schalter und das mit dem Schalter verbundene bidirektionale Spannungsumsetzermodul gleichzeitig zu deaktivieren.
  • Das modulare Batteriemanagementsystem kann des Weiteren mehrere Batteriezustandsüberwachungsmodule enthalten, die jeweils mit den Batterien verbunden sind, mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind, und dafür konfiguriert sind, den Zustand jeder Batterie zu überwachen und die Zustandsinformationen jeder Batterie an die Batteriemanagement-Steuerungsmodule zu senden. Die Batteriezustandsüberwachungsmodule und die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule sind über einen Steuerbus mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden.
  • Wenn ein Batteriemanagement-Steuerungsmodul nicht mehr richtig arbeitet, so können die anderen Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sein, die Funktionen des Batteriemanagement-Steuerungsmoduls fortzuführen.
  • Die Batteriemanagement-Steuerungsmodule können dafür konfiguriert sein, die Ausgangsspannungspegel der bidirektionalen Spannungsumsetzermodule auf der Grundlage einer Instruktion von einem Benutzer zu justieren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Systemblockschaubild eines fehlertoleranten modularen Batteriemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Patentanmeldung.
  • 2 ist ein Schaltbild des in 1 gezeigten fehlertoleranten modularen Batteriemanagementsystems.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es wird nun ausführlich auf eine bevorzugte Ausführungsform des in der vorliegenden Patentanmeldung offenbarten fehlertoleranten modularen Batteriemanagementsystems eingegangen, von dem in der folgenden Beschreibung auch Beispiele dargelegt sind. Beispielhafte Ausführungsformen des in der vorliegenden Patentanmeldung offenbarten fehlertoleranten modularen Batteriemanagementsystems werden ausführlich beschrieben, wobei dem einschlägig bewanderten Fachmann klar ist, dass einige Merkmale, die für das Verständnis des fehlertoleranten modularen Batteriemanagementsystems nicht unbedingt erforderlich sind, aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit weggelassen worden sein können.
  • Des Weiteren versteht es sich, dass das in der vorliegenden Patentanmeldung offenbarte fehlertolerante modulare Batteriemanagementsystem nicht auf die unten beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränkt ist und dass durch einen Fachmann verschiedene Änderungen und Modifizierungen daran vorgenommen werden können, ohne dass vom Geist oder Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird. Zum Beispiel können Elemente und/oder Merkmale verschiedener veranschaulichender Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung miteinander kombiniert und/oder gegeneinander ausgetauscht werden.
  • 1 ist ein schematisches Systemblockschaubild eines fehlertoleranten modularen Batteriemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Patentanmeldung. 2 ist ein Schaltbild des in 1 gezeigten fehlertoleranten modularen Batteriemanagementsystems. Wenden wir uns 1 und 2 zu. Das fehlertolerante modulare Batteriemanagementsystem enthält mehrere Batteriezustandsüberwachungsmodule (201, 202, ..., 20n), mehrere bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule (401, 402, ..., 40n), mehrere Energiespeichermodule (1401, 1402, ..., 140n), mehrere Batteriemanagement-Steuerungsmodule (1201, ..., 120n) und mehrere Batteriepacks (oder -zellen) (101, 102, ..., 10n). Jeder Batteriepack (oder jede Batteriezelle), wie zum Beispiel 101, 102, ..., 10n, ist einzeln mit einem dedizierten Batteriezustandsüberwachungsmodul verbunden und dann über mehrere Schalter 301, 302, ..., 30n mit einem bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer (wie zum Beispiel 401, 402, ..., 40n) vernetzt. Diese Kombination heißt Batterieleistungsumsetzungsmodul (BLUM). Jeder Batteriepack (oder jede Batteriezelle) ist von anderen Batteriepacks (oder -zellen) isoliert. Diese Topologie unterscheidet sich von seriell angeschlossenen Batterien in herkömmlichen Batteriemanagementsystemen. Die Ausgänge des bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers sind parallel geschlossen, um die Gesamtkapazität des Ausgangsstroms zum Bereitstellen von Ladestrom zu erhöhen.
  • Die Batteriepacks können alle Arten von Batterien enthalten, wie zum Beispiel Blei-Säure-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien, Zebra-Na/NiCl2-Batterien, NiZn-Batterien, Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien, Eisen(II)-Batterien oder jegliche Formen von elektrischen nachladbaren Energiespeicherelementen.
  • Im Sinne des vorliegenden Textes meinen die Energiespeicher(ES)-Module Elektroenergiespeicherelemente, bei denen es sich zum Beispiel um Kondensatoren, Superkondensatoren, Ultrakondensatoren, Schwungräder oder jegliche Form von recyclingfähigen elektrischen Energiespeicherelementen handeln kann. In dieser Ausführungsform sind, wie in 1 dargestellt, die Energiespeichermodule die Kondensatoren 1401, ..., 140n, die jeweils mit allen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodulen über die Schalter 501, ..., 50n verbunden sind.
  • Im Sinne des vorliegenden Textes beziehen sich die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule auf elektrische Konstruktionen, die Energie aus Energiespeicher(ES)-Modulen in Batteriepacks (oder -zellen) laden können oder Energie aus Batteriepacks (oder -zellen) in Energiespeicher(ES)-Module und eine mit den Energiespeichermodulen verbundene Last umsetzen können.
  • Die Verbindungen zwischen den Ausgängen des bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers, den Energiespeichermodulen und der Last heißen „Potenzialschienen”. Elektrischer Strom kann von der Potenzialschiene zur Last abgezogen werden. Der Ladestrom wird zwischen den Ausgängen des bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers aufgeteilt. Die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule können von einem isolierten Typ oder einem nicht-isolierten Typ sein und sind dafür konfiguriert, Batteriespannungen zu den erforderlichen Ladespannungspegeln umzusetzen. Darum wird die Ladespannung durch die Ausgangsspannungseinstellungen des bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers und nicht durch die Endanschlussspannungen der seriell angeschlossenen Batterien in herkömmlichen Batteriemanagementsystemen bestimmt. Andererseits können die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule die Batterien laden, wenn genügend Energie in den Energiespeichermodulen gespeichert ist. Dadurch kann das Ungleichgewichtsproblem der Batteriepacks (oder Batteriezellen) in herkömmlichen Batteriemanagementsystemen gelöst werden.
  • Die Batteriezustandsüberwachungs(BZÜ)-Module (201, 202, ..., 20n) sind dafür konfiguriert, Batteriezustandsinformationen an die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule und die Batteriemanagementsteuerungs(BMSt)-Module (1201, ..., 120n) zu übermitteln. Die BMSt-Module sind dafür konfiguriert, Steuerungsinstruktionen an jedes Batterieleistungsumsetzungsmodul (BLUM) für jeden individuellen Betriebszustand zu senden. Zum Beispiel kann Batterieenergie von den Batterien über die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule zu der Potenzialschiene übertragen werden; die Batterien können Energie von der Potenzialschiene empfangen, um die Batterien über die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule zu laden; Batteriepacks können deaktiviert und vom System getrennt werden; Batterien können aus dem System herausgenommen werden, und zusätzliche Batterieleistungsumsetzungsmodule (BLUMs) können dem System hinzugefügt werden. Gleichzeitig können – je nach dem Algorithmus, der in dem BMSt-Programm ausgeführt wird – einige Batteriepacks (oder -zellen) Entladezyklen durchlaufen (Energie abgeben), andere Batterien können Ladezyklen durchlaufen (Energie empfangen), und wieder andere Batterien können vom System getrennt werden.
  • Die Batteriepacks (-zellen) können entweder in einem voll geladenen, in einem unsicheren oder in einem toten Zustand getrennt werden. Wenn eine der Batterien aus dem System herausgenommen werden muss, so aktiviert das Batteriezustandsüberwachungs(BZÜ)-Module ein Freigabesignal auf dem BZÜ-Modulpanel und an das BMSt-Modul. Die vollständig geladenen Batteriepacks (-zellen) werden unter der Steuerung des BMSt-Moduls wieder an das BLUM angeschlossen. Die unsicheren Batteriepacks (oder -zellen) werden unter der Steuerung des BMSt-Moduls wieder an das BLUM angeschlossen, wenn der unsichere Zustand vorüber ist.
  • Ein Benutzer kann eine Batterie aus dem modularen Batteriemanagementsystem herausnehmen. Gleichermaßen kann der Benutzer eine Austauschbatterie in dem modularen Batteriemanagementsystem installieren und kann dann das Batteriezustandsüberwachungsmodul aktivieren, um die Batteriemanagementsteuerungs(BMSt)-Module über den Batteriemanagementsystem(BMS)-Steuerbus zu informieren. Wenn eine neue Batterie in dem System installiert wird, so werden zusätzliche BZÜs und bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer benötigt. Die neue oder Austauschbatterie wird zu einem Teil des modularen Batteriemanagementsystems (MBMS). Mit dieser Technik kann der Benutzer die Ausgangsleistung des modularen Batteriemanagementsystems (MBMS) erhöhen, indem er weitere Batterieleistungsumsetzungsmodule (BLUMs) hinzufügt, ohne das größere Veränderungen am Systemaufbau vorgenommen werden müssen, oder kann Batteriepacks (-zellen) erforderlichenfalls aus dem System herausnehmen.
  • Die Leistungsdichte der Batterien (oder -zellen) kann auch die MBMS-Ausgangsleistung steigern. Die Energiespeichermodule sind zu der Potenzialschiene parallel geschlossen. Die Energiespeichermodule sind Energiespeichervorrichtungen, die innerhalb eines kurzen Zeitraums (zum Beispiel 10 bis 20 Minuten) mit hoher Energie aufgeladenen werden können. Die Energiespeichermodule dienen als Puffer für Lade-Überstrom und Einschalt-Ladestoßstrom. Wenn die Spannung in den Energiespeichermodulen einen voreingestellten Wert übersteigt, so instruieren die Batteriemanagementsteuerungs(BMSt)-Module die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule, die Batteriepacks (oder -zellen) durch den BMS-Steuerbus aufzuladen. Die ES-Module können so programmiert sein, beim Laden die Batteriepacks einzeln oder alle auf einmal oder nach dem Zufallsprinzip laden.
  • Die Batteriemanagementsteuerungs(BMSt)-Module sind programmierbare Einheiten, die dafür programmiert sein können, unterschiedliche Algorithmen auszuführen, die an unterschiedliche Fahrzeuganforderungen angepasst sind, zum Beispiel unterschiedliche Spannungspegel, unterschiedliche Batteriepack(oder -zellen)-Kennfelder und unterschiedliche Ladestromanforderungen. Das einzelne BMSt-Modul ist dafür konfiguriert, den BMS-Steuerbus zu überwachen. Sobald sich ein BMSt-Modul in einem Fehlerzustand befindet, übernehmen die anderen BMSt-Module die Steuerung, ohne das System abzuschalten.
  • Zusätzlich zu fehlerredundanten Merkmalen kann das Batteriemanagementsteuerungsmodul den Ausgangsspannungspegel der bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule innerhalb eines bestimmten Bereichs justieren, um das Drehmoment des Motors (Gleichstrom oder Wechselstrom) zu erhöhen, wenn zusätzliches Drehmoment für eine Bergauf-Fahrt benötigt wird. Es kann somit als eine Steuerung für das elektrische Drehmoment (EDS) dienen.
  • Wenden wir uns 1 und 2 zu. Das modulare Batteriemanagementsystem basiert auf einer redundanten Topologie. Darum wird hier die erste Stufe des Batterieleistungsumsetzungsmoduls (BLUM) ausführlich erklärt. Diese Beschreibung kann dann auf das gesamte System bis zu n Stufen ausgeweitet werden, wobei n eine positive ganze Zahl ist.
  • Die Struktur der ersten Batterieleistungsumsetzungsmodul(BLUM)-Stufe enthält eine Batterie 101, die einen Plus (+)-Pol, einen Minus(–)-Pol und ein Batterietemperatursignal 1101. Die Batterie 101 ist mit einem BZÜ-Modul 201 verbunden. Das BZÜ 201 ist ein elektrischer Schaltkreis, der die Batteriezustände überwacht, zum Beispiel den Ladezustand, die Gebrauchstüchtigkeit, die Batterietemperatur und den Ladezustand oder -status, und die Informationen über einen Signalweg 601 an einen Batteriemanagementsystem(BMS)-Steuerbus 1 zurückmeldet. Das Steuersignal 801 vom BZÜ-Steuerbus 1 dient zum Anzeigen – mittels Statusanzeige-Bauelementen, wie zum Beispiel LEDs, einem Anzeigefeld oder Lampen – des Batteriebetriebsstatus, wie zum Beispiel Laden, Entladen, Batterie tot, Verbindung zum bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer oder Trennung vom bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer. Die Ausgangsspannung der Batterie 101 wird in den Schalter 301 eingespeist. Der Schalter 301 ist ein elektrisch betätigter Schalter, der zum Steuern der elektrischen Verbindung zwischen dem BZÜ-Modul 201 und dem bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 401 dient. Der Schalter 301 wird elektrisch durch ein Steuersignal 901 gesteuert, das von den Batteriemanagementsteuerungs(BMSt)-Modulen 1201, ..., 120n übertragen wird. Der Schalter 301 kann während Wartungs- oder Reparaturarbeiten manuell deaktiviert werden. Dadurch soll die Gefahr eines Stromschlages während Wartungs- oder Reparaturarbeiten vermieden werden. Außerdem steuert das Signal 901 den EIN- oder AUS-Status des bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 401. Wenn der Schalter 301 durch das Signal 901 oder durch manuelles Schalten deaktiviert wird, so wird gleichzeitig der bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 401 deaktiviert. Der bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 401 kann während Wartungs- oder Reparaturarbeiten durch das Steuersignal 1001 deaktiviert werden.
  • Das Temperatursignal 1101 der Batterie 101 wird ebenfalls in den bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 401 eingespeist. Das bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodul 401 justiert den Lade- oder Entladestrom entsprechend dem Signal 1101. Die Stromverteilung zwischen unterschiedlichen Ebenen von bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodulen wird durch den Stromteiler-Signalbus 6 gesteuert, bei dem es sich um einen analogen oder digitalen Signalbus handeln kann. Der Stromteiler-Signalbus 6 ist bidirektional. Das bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodul 401 hat einen Stromteiler-Signalausgang, der bidirektional und mit dem Stromteiler-Signalbus 6 verbunden ist. Andere Stromteiler-Signalausgänge der bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule sind mit dem Stromteiler-Signalbus 6 verbunden. Das bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodul 401 justiert seinen Ausgangsstrom entsprechend dem Spannungspegel oder digitalen Signal des Stromteiler-Signalbus 6. Der Spannungspegel oder die digitalen Informationen des Stromteiler-Signalbus 6 stellen den durchschnittlichen Laststrom für jedes bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodul das. Der bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 401 kommuniziert mit dem BZÜ-Steuerbus über den bidirektionalen Bus 701. Die Ausgänge der bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule sind mit einer Potenzialschiene 2 verbunden. Die Potenzialschiene 2 verbindet die Energiespeichermodule 1401 bis 140n, den Motor-Controller 3 (der ein Einzel- oder Mehrfach-Controller sein kann), einen internen Ladekreis 4 und einen externen Ladekreis 5. Die Energiespeichermodule 1401 bis 140n sind über jeweilige Schalter 501 bis 50n mit der Potenzialschiene 2 verbunden. Die Schalter 501 bis 50n werden elektrisch durch das BMSt-Modul über jeweilige Steuersignale 1301 bis 130n gesteuert. Die Anzahl der Aktivierungen von Energiespeichermodulen wird über ein in das BMS eingebettetes Programm gesteuert. Die Energiespeichermodule 1401 bis 140n sind dafür konfiguriert, während des Ladens und Entladens Energiepuffer zu bilden. Während des Lademodus speichern sie Energie von dem externen Ladekreis, der regenerativen Bremsleistung und dem oder den internen Elektrizitätsgeneratoren. Diese Energie wird dafür verwendet, die Batterien 101 bis 10n über die jeweiligen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule 401 zu 40n wieder aufzuladen. Während des Entlademodus liefern sie Strom und Energie an den Motor-Controller und übermitteln die Stoßlastzustände, so dass die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule 401 bis 40n nicht überlastet werden. Die Batteriemanagementsteuerungs(BMSt)-Module 1201 bis 120n sind in einer Redundanztopologie verbunden und programmiert.
  • Wenn eines der BMSt-Module ausfällt, so führen die anderen BMSt-Module die Funktionen des ausgefallenen Moduls nahtlos fort. Die BMSt-Module sind über die bidirektionalen Kommunikationsbusse 1501 bis 150n mit dem BMS-Steuerbus 1 verbunden.
  • Die Schalter 301 bis 30n, 7, 8 und 9 werden durch die Batteriemanagement-Steuerungsmodule 1201 bis 120n über den BMS-Steuerbus gesteuert. Wenn das Fahrzeug geparkt wird, so werden die Schalter 301 bis 30n, 7, 8 und 9 AUS-geschaltet. Wenn das Fahrzeug vor dem Fahrzustand angelassen wird, so werden die Schalter 7 und 8 EIN-geschaltet. Der Schalter 8 wird AUS-geschaltet, wenn die Batterie (oder Zelle) nicht geladen zu werden braucht. Wen ein externes Laden erforderlich ist, so wird der Schalter 9 EIN-geschaltet, und die Schalter 7 und 8 werden AUS-geschaltet. Das dient zum Verhindern einer elektrischen Überlastung des Motor-Controllers 3 und des oder der internen Elektrizitätsgeneratoren 4 während eines externen Ladens. Wenn der Motor-Controller oder der oder die Elektrizitätsgeneratoren dafür ausgelegt sind, der Belastung zu widerstehen, so können die Schalter 7 und 8 EIN-geschaltet werden.
  • Wenden wir uns 2 zu. In dieser Schaltkreisimplementierung bilden die Batteriezustandsüberwachungsmodulbaugruppen (201, 201, ..., 20n) einen integralen Bestandteil des Systems. Der Bus A-Verbinder ist mit dem BMS-Steuerbus verbunden. Der Verbindungs- und Trennschalter und das bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodul bilden die bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzerbaugruppe, die ein integraler Bestandteil der Systeme ist. Der Bus B-Verbinder ist mit dem BMS-Steuerbus verbunden. Die Batteriezustandsüberwachungsmodulbaugruppen und die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzerbaugruppen sind verbunden mit dem BMS-Steuerbus. Die Ausgänge der bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzerbaugruppen sind mit der Gleichstrompotenzialschiene (2) parallel miteinander verbunden. Gleichermaßen sind die Batteriemanagement-Steuerungsmodule über die jeweiligen Bus A- und Bus B-Verbinder mit dem BMS-Steuerbus verbunden. Der Bus C-Verbinder bildet eine Schnittstelle zwischen der Fahrzeugsignalschnittstelle 10 und den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen (1201, ..., 120n) über den BMS-Steuerbus. Die Fahrzeugsignalschnittstelle 10 ist eine Steuerschnittstelle zu den Energiespeichermodulen, den internen Ladestromkreisen und externen Ladestromkreisen.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsformen besitzt das fehlertolerante modulare Batteriemanagementsystem mehrfache Redundanz auf allen Modulebenen. Diese Redundanzmerkmale erlauben gleichzeitige Wartungsoperationen und bieten eine Fehlertoleranz auf mehreren Ebenen. Darum besitzt das modulare Batteriemanagementsystem eine verbesserte Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Außerdem können die Module auf alle Ebenen aufgrund des modularen Aufbaus wirtschaftlich hergestellt werden.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsformen können einzelne Elemente oder Module aus dem MBMS herausgenommen oder dem MBMS hinzugefügt werden, ohne dass die Verfügbarkeit des Systems beeinträchtigt wird. Der Batteriepack (oder die Batteriezelle) kann aus dem MBMS herausgenommen oder dem MBMS hinzugefügt werden, ohne dass die Verfügbarkeit des Systems beeinträchtigt wird. Das BZÜ-Modul kann aus dem MBMS herausgenommen oder dem MBMS hinzugefügt werden, ohne dass die Verfügbarkeit des Systems beeinträchtigt wird. Das bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodul kann aus dem MBMS herausgenommen oder dem MBMS hinzugefügt werden, ohne dass die Verfügbarkeit des Systems beeinträchtigt wird. Das Energiespeichermodul kann aus dem MBMS herausgenommen oder dem MBMS hinzugefügt werden, ohne dass die Verfügbarkeit des Systems beeinträchtigt wird. Das BMSt-Modul kann aus dem MBMS herausgenommen oder dem MBMS hinzugefügt werden, ohne dass die Verfügbarkeit des Systems beeinträchtigt wird.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsformen bildet das MBMS einen Rahmen für EF oder HEF oder batteriebetriebene Maschinen oder Anlagen. Dieser Rahmen kann für unterschiedliche Batterietypen, unterschiedliche Potenzialschienenspannungen und unterschiedlichen Ausgangsleistungsbedarf verwendet werden. Das BZÜ-Modul und das bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodul können in einer spezifischen Anwendung zu einem einzelnen Modul (oder einer einzelnen Einheit) kombiniert werden. Die Batteriepacks (oder -zellen) werden einzeln anstatt in Reihenschaltung – wie bei herkömmlichen Systemen – betrieben. Das fehlertolerante modulare Batteriemanagementsystem löst das Ungleichgewichtsproblem bei Batteriepacks (oder Batteriezellen), das bei herkömmlichen, in Reihe geschalteten Batteriepacks besteht. Die Ausgangsspannung zu der Potenzialschiene wird durch die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule anstatt von der Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriepacks (oder -zellen) bestimmt. Wenn einige der Batteriepacks (oder -zellen) keine Ausgangsleistung liefern können, so können die übrigen Batteriepacks (oder -zellen) eine begrenzte Ausgangsleistung bei einer Nennspannung liefern, um die Motoransteuerungskreise zu betreiben. Der Ausgangsstrom wird durch die Summe der Ausgangsströme der einzelnen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer gebildet.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Energie während des Lademodus direkt in das oder die Energiespeicher(ES)-Module geladen. Dadurch kann der Ladezyklus beschleunigt werden. Die gespeicherte Energie in dem oder den Energiespeicher(ES)-Modulen lädt dann die Batteriepacks (oder -zellen) über die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule auf. Die Batteriepacks (oder -zellen) in dem MBMS können in unterschiedlichen Betriebsmodi gleichzeitig arbeiten, wie zum Beispiel Entladen der Batterie, Laden der Batterie, Batterie mit dem MBMS verbunden und Batterie vom MBMS getrennt. Die einzelnen Batteriepacks (oder -zellen) können im Entlade- oder Lademodus durch das BMSt-Modul programmiert werden. Während des Fahrzeugfahrmodus kann die Energie, die durch den oder die internen Elektrizitätsgeneratoren, durch regeneratives Bremsen und andere Stromerzeugungsvorrichtungen eingespeist wird, einige oder alle Batteriepacks (oder -zellen) durch das oder die Energiespeicher(ES)-Module und das oder die bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule aufladen. Dadurch kann die Reichweite des Fahrzeugs vergrößert werden. Die Lebensdauer der Batterie kann verlängert werden. Die Leistungsabgabe des MBMS kann durch die Hinzufügung von Batterieleistungsumsetzungsmodulen (BLUM) erhöht werden. Die Leistungsabgabe des MBMS kann durch Herausnahme von Batteriepacks (oder -zellen) oder Batterieleistungsumsetzungsmodulen (BLUMs) verringert werden. Die Ausgangsspannung MBMS kann durch Justieren der Ausgangsspannung der bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer justiert werden. Der in das BMSt-Modul eingebettete Steuerungsalgorithmus kann für die individuellen Modi des Ladens der Batteriepacks, des Entladens der Batteriepacks und des Trennens der Batteriepacks vom MBMS programmiert sein. Der Steuerungsalgorithmus innerhalb des BMSt-Moduls kann für unterschiedliche Batteriearten programmiert sein, zum Beispiel Nickel-Metallhydrid (NiHM), Lithium-Ionen (Li-Ion), Lithium-Ionen-Polymer usw. Das BMSt-Modul kann über ein BMS-Anzeigefeld mit einem Treiber verbunden sein. Informationen über Batterielade- und -entladestatus, Restenergie und Alarm für Batteriewartung können über das BMS-Anzeigefeld angezeigt werden.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsformen können die Batterien eine Kombination aus unterschiedlichen Arten sein. Zum Beispiel können Blei-Säure- und Lithium-Batterien gleichzeitig in dem System betrieben werden. Die Eigenart einer hohen Leistungsdichte der Lithium-Batterie und die Fähigkeit zur Tiefenentladung der Blei-Säure-Batterie können die Reichweite des Fahrzeugs verlängern.
  • Obgleich die vorliegende Patentanmeldung speziell anhand einiger ihrer Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich, dass verschiedene weitere Änderungen oder Modifikationen vorgenommen werden können, ahne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims (22)

  1. Modulares Batteriemanagementsystem zum Verwalten mehrerer Batterien und zum Betreiben einer Last, wobei das System Folgendes umfasst: mehrere Batteriemanagement-Steuerungsmodule; mehrere bidirektionale Spannungsumsetzermodule, die jeweils mit den Batterien verbunden sind und mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind, wobei die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule miteinander parallel geschaltet sind; und mehrere Energiespeichermodule, die jeweils mit den bidirektionalen Spannungsumsetzermodulen parallel geschaltet sind und mit der Last verbunden sind; wobei: die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule dafür konfiguriert sind, elektrische Energie von den Batterien zu der Last oder von den Energiespeichermodulen zu den Batterien zu übertragen; und die Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, ein vorgegebenes Programm auf der Grundlage der Zustandsinformationen jeder Batterie auszuführen und die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule zu steuern.
  2. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die Energiespeichermodule Kondensatoren, Superkondensatoren, Ultrakondensatoren, Schwungräder oder jegliche Form von recyclingfähigen elektrischen Energiespeicherelementen sind.
  3. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule dafür konfiguriert sind, elektrische Energie von den Energiespeichermodulen zu den Batterien zu übertragen, um die Batterien zu laden, wenn die Spannung in den Energiespeichermodulen einen vorgegebenen Wert übersteigt.
  4. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule jeweils über mehrere erste Schalter mit den Batterien verbunden sind, die Energiespeichermodule jeweils über mehrere zweite Schalter mit den bidirektionalen Spannungsumsetzermodulen parallel geschaltet sind, die Last über einen dritten Schalter mit den Energiespeichermodulen verbunden ist, und die mehreren ersten Schalter, die mehreren zweiten Schalter und der dritte Schalter durch die Batteriemanagement-Steuerungsmodule gesteuert werden.
  5. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 1, das des Weiteren mehrere Batteriezustandsüberwachungsmodule umfasst, die jeweils mit den Batterien verbunden sind, mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind, und dafür konfiguriert sind, den Zustand jeder Batterie zu überwachen und die Zustandsinformationen jeder Batterie an die Batteriemanagement-Steuerungsmodule zu senden, wobei die Batteriezustandsüberwachungsmodule und die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule über einen Steuerbus mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind.
  6. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 5, wobei, wenn ein Batteriemanagement-Steuerungsmodul nicht mehr richtig arbeitet, die anderen Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, die Funktionen des Batteriemanagement-Steuerungsmoduls fortzuführen.
  7. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, die Ausgangsspannungspegel der bidirektionalen Spannungsumsetzermodule auf der Grundlage einer Instruktion von einem Benutzer zu justieren.
  8. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 4, wobei die Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, einen der mehreren ersten Schalter und das mit dem Schalter verbundene bidirektionale Spannungsumsetzermodul gleichzeitig zu deaktivieren.
  9. Modulares Batteriemanagementsystem zum Verwalten mehrerer Batterien und zum Betreiben einer Last, wobei das System Folgendes umfasst: mehrere Batteriemanagement-Steuerungsmodule; mehrere bidirektionale Spannungsumsetzermodule, die jeweils über mehrere erste Schalter mit den Batterien verbunden sind und mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind, wobei die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule miteinander parallel geschaltet sind; und mehrere Energiespeichermodule, die jeweils mit den bidirektionalen Spannungsumsetzermodulen parallel geschaltet sind und mit der Last verbunden sind; wobei: die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule dafür konfiguriert sind, elektrische Energie von den Batterien zu der Last oder von den Energiespeichermodulen zu den Batterien zu übertragen; und die Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, ein vorgegebenes Programm auf der Grundlage der Zustandsinformationen jeder Batterie auszuführen und die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule und die mehreren ersten Schalter zu steuern.
  10. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 9, wobei die Energiespeichermodule Kondensatoren, Superkondensatoren, Ultrakondensatoren, Schwungräder oder jegliche Form von recyclingfähigen elektrischen Energiespeicherelementen sind.
  11. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 9, wobei die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule dafür konfiguriert sind, elektrische Energie von den Energiespeichermodulen zu den Batterien zu übertragen, um die Batterien zu laden, wenn die Spannung in den Energiespeichermodulen einen vorgegebenen Wert übersteigt.
  12. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 9, wobei die Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, einen der mehreren ersten Schalter und das mit dem Schalter verbundene bidirektionale Spannungsumsetzermodul gleichzeitig zu deaktivieren.
  13. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 9, das des Weiteren mehrere Batteriezustandsüberwachungsmodule umfasst, die jeweils mit den Batterien verbunden sind, mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind, und dafür konfiguriert sind, den Zustand jeder Batterie zu überwachen und die Zustandsinformationen jeder Batterie an die Batteriemanagement-Steuerungsmodule zu senden, wobei die Batteriezustandsüberwachungsmodule und die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule über einen Steuerbus mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind.
  14. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 13, wobei, wenn ein Batteriemanagement-Steuerungsmodul nicht mehr richtig arbeitet, die anderen Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, die Funktionen des Batteriemanagement-Steuerungsmoduls fortzuführen.
  15. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 9, wobei die Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, die Ausgangsspannungspegel der bidirektionalen Spannungsumsetzermodule auf der Grundlage einer Instruktion von einem Benutzer zu justieren.
  16. Modulares Batteriemanagementsystem zum verwalten mehrerer Batterien und zum Betreiben einer Last, wobei das System Folgendes umfasst: mehrere Batteriemanagement-Steuerungsmodule; mehrere Batteriezustandsüberwachungsmodule, die jeweils mit den Batterien verbunden sind, mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind, und dafür konfiguriert sind, den Zustand jeder Batterie zu überwachen und die Zustandsinformationen jeder Batterie an die Batteriemanagement-Steuerungsmodule zu senden; mehrere bidirektionale Spannungsumsetzermodule, die jeweils über mehrere erste Schalter mit den Batterien verbunden sind und mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind, wobei die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule miteinander parallel geschaltet sind; und mehrere Energiespeichermodule, die jeweils mit den bidirektionalen Spannungsumsetzermodulen über mehrere zweite Schalter parallel geschaltet sind und über einen dritten Schalter mit der Last verbunden sind; wobei: die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule dafür konfiguriert sind, elektrische Energie von den Batterien zu der Last oder von den Energiespeichermodulen zu den Batterien zu übertragen; die Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, ein vorgegebenes Programm auf der Grundlage der Zustandsinformationen jeder Batterie auszuführen und die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule, die mehreren ersten Schalter, die mehreren zweiten Schalter und den dritten Schalter zu steuern; und die Batteriezustandsüberwachungsmodule und die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule über einen Steuerbus mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind.
  17. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 16, wobei die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule dafür konfiguriert sind, elektrische Energie von den Energiespeichermodulen zu den Batterien zu übertragen, um die Batterien zu laden, wenn die Spannung in den Energiespeichermodulen einen vorgegebenen Wert übersteigt.
  18. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 16, wobei die Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, einen der mehreren ersten Schalter und das mit dem Schalter verbundene bidirektionale Spannungsumsetzermodul gleichzeitig zu deaktivieren.
  19. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 16, wobei die Batteriemanagement-Steuerungsmodule dafür konfiguriert sind, die Ausgangsspannungspegel der bidirektionalen Spannungsumsetzermodule auf der Grundlage einer Instruktion von einem Benutzer zu justieren.
  20. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 16, wobei die Energiespeichermodule Kondensatoren, Superkondensatoren, Ultrakondensatoren, Schwungräder oder jegliche Form von recyclingfähigen elektrischen Energiespeicherelementen sind.
  21. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 5, wobei die Batteriezustandsüberwachungsmodule den Ladezustand, die Gebrauchstüchtigkeit, die Batterietemperatur und den Ladezustand/-status der Batterien überwachen.
  22. Modulares Batteriemanagementsystem nach Anspruch 1, wobei das Batteriemanagement-Steuerungsmodul den Ausgangsspannungspegel der bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzermodule innerhalb eines bestimmten Bereichs justieren kann.
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