EP4569583A1 - Hochvolt-batteriesystem - Google Patents

Hochvolt-batteriesystem

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Publication number
EP4569583A1
EP4569583A1 EP23764628.6A EP23764628A EP4569583A1 EP 4569583 A1 EP4569583 A1 EP 4569583A1 EP 23764628 A EP23764628 A EP 23764628A EP 4569583 A1 EP4569583 A1 EP 4569583A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
sub
battery system
voltage battery
node
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23764628.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lars Weller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ElringKlinger AG
Original Assignee
ElringKlinger AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ElringKlinger AG filed Critical ElringKlinger AG
Publication of EP4569583A1 publication Critical patent/EP4569583A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/50—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2105/00—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load
    • H02J2105/10—Local stationary networks having a local or delimited stationary reach

Definitions

  • the present invention relates to a high-voltage battery system for storing electrical energy in a number of interconnected elementary storage cells under monitoring and control by a battery management system with electrical connection of the interconnected elementary storage cells via circuit breakers in a high-voltage distribution box to external high-voltage connections .
  • High-voltage battery systems are housed in a container and have a gateway that controls sub-battery systems connected in parallel. This has the disadvantage that known high-voltage battery systems are very massive, heavy and cumbersome to transport and install. Demand for stationary high-voltage battery storage systems for grid stability or as emergency power generators of different sizes or electrical capacity is increasing more and more. There are currently few scalable applications for such stationary high-voltage energy storage devices with high capacities. Without a suitable new development, standard sizes have to be used.
  • the object of the present invention to create a high-voltage battery system that is easier to transport and assemble with an adjustable capacity.
  • This object is achieved according to the invention by the features of claim 1 in a high-voltage battery system for storing electrical energy in a number of interconnected elementary storage cells, which are connected via an analog line and / or a data line under monitoring and control by a battery management system and a electrical connection of the interconnected elementary storage cells via high-voltage paths with power switches in a high-voltage distribution box to external high-voltage connections, solved in that the high-voltage battery system comprises a base system in which at least one node is essentially electrical Similar sub-system is provided, which is designed as an interface for an analog line and / or a data line of the sub-system to the battery management system and as a connection for a high-voltage path of the sub-system, and a sub-system itself in Essentially only one module that is interconnected.
  • This adjustment of a total capacity of a high-voltage battery system according to the invention can be carried out by connecting one or more sub-systems to the node in the base system with a reduced number of battery management systems.
  • the present invention is based on the finding that, even in the case of high-voltage battery systems, scalability by connecting at least one sub-system also significantly facilitates the mechanical requirements for transport, construction and installation on site of a high-voltage battery system consisting of several units.
  • the basic system forms a first unit and is capable of operating on its own as a high-voltage battery system with a certain electrical capacity and performance.
  • a essentially compared with this basic system Electrically similar sub-system, preferably in the form of a standardized module, also simplifies the scalability of a high-voltage battery system according to the invention in both respects: systems with essentially similar electrical properties also build essentially the same and require essentially the same space and the same operating conditions.
  • a sub-system also accesses resources of the base system that are not present in the sub-system: the sub-system is connected to the battery management system via an interface for an analog line and/or a data line of the basic system.
  • the sub-system therefore has u. a. does not have its own, separate battery management system. Due to the electrically adjusted similarity with the interconnection of elementary storage cells of the basic system, the sub-system can also be monitored and controlled by the battery management system of the basic system.
  • the sub-system can therefore be viewed as a passive system, at least from a control perspective, while the basic system can be viewed as an active system.
  • the at least one sub-system can be arranged with spatial separation from the base system, so that in a preferred embodiment of the invention a distributed structure results from at least one base system and at least one sub-system electrically connected to it.
  • a current measuring point is provided in the high-voltage path of the sub-system, which in one exemplary embodiment of the invention is arranged in front of the node.
  • the current measuring point is preferably designed as a low-loss and compact Hall sensor.
  • the interface for the high-voltage path and/or the analog line and/or the data line of the sub-system are designed as plugs in the node.
  • the plug of the sub-system includes the interface of the high-voltage path and the low-voltage path in a common housing. This provides a safe and compact design for a reliable electrical connection of the sub-system to the node of the base system.
  • a device according to the invention has an advantageous securing means in that the plug of the sub-system comprises a switch, through which the plug of the high-voltage path can only be unlocked when the node is mechanically secured.
  • a high-voltage battery system preferably comprises a sub-system with a series connection of elementary storage cells, contactors as switches in the high-voltage path, a fuse and preferably an economizer for internal coil current control of the contactors as an alternative to external pulse width modulation or PWM control.
  • a low-voltage supply of circuit breakers or protectors of the sub-system is routed via the switch in the plug of the high-voltage path. This ensures that a high-voltage plug is switched off and potential-free until there is a mechanically safe electrical connection between the plugs in the node.
  • Figure 1 a circuit diagram of a first exemplary embodiment of a high-voltage battery system as a basic system with at least one node;
  • Figure 2 a circuit diagram of a second exemplary embodiment of a high-voltage battery system as a basic system with a node comprising two interfaces;
  • Figure 1 shows a circuit diagram of a first exemplary embodiment of a high-voltage battery system 1 as a basic system 2 with at least one node 3.
  • the high-voltage battery system 1 is designed to store electrical energy in a number of electrically interconnected elementary electro-chemical storage cells 4, preferably lithium-ion cells of cylindrical design, which in this exemplary embodiment are interconnected in the form of modules Mod.
  • modules Mod preferably lithium-ion cells of cylindrical design, which in this exemplary embodiment are interconnected in the form of modules Mod.
  • 16 mod modules are connected to each other in a series circuit.
  • Each of the Mod modules is assigned its own cell monitoring circuit esc, as indicated by the identical counters.
  • the cell monitoring circuit esc continuously monitors the respective module Mod via various sensors in order to create corresponding measurement and status data on this basis.
  • the Mod modules have an analog line 5 for transmitting electrical power and a data line 6 for sending data for control and monitoring to the battery management system 7, here implemented as a reversible isoSPI data line.
  • the analog line 5 is designed as an electrical connection of the modules Mod from elementary memory cells 4 interconnected therein as a high-voltage path, which extends via circuit breakers 8 in a high-voltage distribution box 9 to an external high-voltage connection eHV con 10 for both polarities.
  • the high-voltage distribution box 9 includes, in addition to the battery management system 7 operated at a low voltage level of 12 V, the circuit breakers 8 connected to the battery management system 7 via an analog control line, which are provided for each polarity, essentially a fuse F and a Current measuring resistor SNT, which in turn is connected to the battery management system 7 via a reversible isoSPI data line 6. From the battery management system 7, the data line 6 runs on the high-voltage distribution box 9 to an external low-voltage connection eLV con 11 of the isoSPI bus.
  • the system described above and known from the prior art is now developed as a basic system 2 for a scalable expansion of an electrical capacity through the at least one node 3 on the high-voltage path 5, on which at least one essentially electrically similar sub-system 12 is shot.
  • the node 3 is provided in the area of the high-voltage distribution box 9 and has as a connection a plug 13 for a high-voltage path 5 of the sub-system 12 on the low-voltage level and also an interface for the data line 6 of the sub-system 12 to the battery management System 7 of the basic system 2, as described in detail below.
  • the interface for connecting a high-voltage path 6 of the sub-system 12 to the high-voltage path 6 of the base system 2 is connected via high-voltage plug 13 as a parallel connection in node 3.
  • two sub-systems 12 can be connected in parallel to the base system 2 in the area of the node 3. become infected.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a second exemplary embodiment of a high-voltage battery system as a basic system 2 with two interfaces or Connector 13 comprising node 3.
  • a current measuring point 14 is now provided in the high-voltage path 5 of the basic system 12.
  • the current measuring point 14 is arranged in front of the node 3 for measuring the individual strand currents and is each designed as a Hall sensor. This means that the current flow in each of up to two sub-systems 12 can be determined separately.
  • This measurement data is transmitted to the battery management system 7 via a CAN, KI 15 or KI 30C data line 6 and is also forwarded to higher authorities via a low-voltage plug eLV-con in the high-voltage distribution box 7.
  • a vehicle control unit VCU communicates with the battery management system 7 of the base system 2 and, via this battery management system 7, also with the sub-systems each connected to the base system 2 via the node 3 12.
  • the saving of separate battery management systems 7 in the sub-systems 12 leads to significant cost savings, but limits the number of sub-systems 12 that can be connected to a basic system 2 to two in the present exemplary embodiment. Therefore you can also use node 3 here no additional connections are provided for further parallel connections.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of an exemplary embodiment of a sub-system 12.
  • the sub-system 12 itself essentially only comprises a series connection of 16 modules and therefore corresponds to one of the basic systems 2 described above in terms of electrical properties.
  • the sub-system 12 is a passive system, since it does not include its own battery management system BMS, but is controlled and regulated by the battery management system BMS of a base system 2 that is associated with each other by interconnection.
  • the high-voltage paths 5 only have one fuse F and two circuit breakers SW.
  • a plug 15 of the sub-system 12 in a housing includes an interface for the high-voltage path 5 and the low-voltage path 6.
  • the plug 15 of the sub-system 12 includes a switch 16, which is designed so that the high-voltage path 5 can only be activated when it is mechanically secured to the plug 13 of the node 3.
  • a low-voltage supply from contactors SW of the sub-system 12 is routed in the plug 15 via the switch 16.
  • Each sub-system 12 essentially only includes one module interconnected with each other and thus represents a pure expansion of an electrical storage capacity without its own control and monitoring functionalities. With essentially the same size as a basic system 2, sub-systems 12 are also comparatively cheaper than basic systems 2.
  • FIG. 4 shows a block diagram of an exemplary embodiment of a scalable high-voltage battery system 1 that can therefore be flexibly expanded to meet specific requirements.
  • What was previously known was a serial and/or parallel one Interconnection of parts in the respective scope of several basic systems 2.
  • each of the basic systems 2 is expanded by one or two sub-systems 12 connected in parallel through the nodes 3 described above in the sense of a step-by-step or Scalable expansion of an electrical capacity of the high-voltage battery system 1 expandable.
  • the outlined high-voltage battery system 1 is also in the relevant basic systems 2 using basic systems 2 and up to two sub-systems 12 connected to them in partial steps without additional circuitry and/or adaptation effort expandable.
  • a high-voltage battery system has been described above, which, compared to known devices, is easier to transport and construct with an overall capacity that can be adjusted via scaling in the form of sub-systems 12. Furthermore, according to a form according to the invention, stationary high-voltage energy storage devices with high capacities can be constructed more flexibly with easier handling of subsystems due to their different positioning. At the same time, the sub-systems 12 are designed to be reduced in complexity by using the control and monitoring functionalities of a respective associated base system 2 with safe and reliable interconnection via node 3, at least by saving on their own battery management systems.
  • Mod module esc cell monitoring circuit each assigned to a module mod

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochvolt-Batteriesystem (1) zum Speichern elektrischer Energie in einer Anzahl miteinander elektrisch verschalteter elementarer Speicherzellen (4), die über eine analoge Leitung und/oder eine Datenleitung (6) unter Überwachung und Regelung durch ein Batteriemanagement-System (7) sind und bei elektrischer Verbindung der verschalteten elementaren Speicherzellen (4) über Hochvolt-Pfade (5) mit Leistungsschaltern (8) in einer Hochvolt-Verteilerbox (9) zu externen Hochvolt-Anschlüssen (10) hin. Um ein Hochvolt-Batteriesystem zu schaffen, das bei anpassbarer Kapazität leichter transportierbar und aufbaubar ist, wird vorgeschlagen, dass das Hochvolt-Batteriesystem (1) ein Basis-System (2) umfasst, in dem Basis-System (2) mindestens einen Knoten (3) zu einem im Wesentlichen elektrisch gleichartigen Sub-System (12) aufweist, wobei der Knoten (3) als Schnittstelle für eine analoge Leitung (6) und/oder eine Datenleitung des Sub-Systems (12) zu dem Batteriemanagement-System (7) des Basis-Systems (2) sowie als Schnittstelle für einen Hochvolt-Pfad (5) des Sub-Systems (12) ausgebildet ist, und ein Sub-System (12) selber im Wesentlichen nur eine miteinander verschaltete Modulen (Mod) umfasst.

Description

Hochvolt-Batteri ©system
Die vorliegende Erfindung betri f ft 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 .
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 .
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 j eweils passende Neuentwicklung muss also auf Standard-Größen zurückgegri f fen werden .
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hochvolt- Batteriesystem zu schaf fen, das bei anpassbarer Kapazität leichter transportierbar und aufbaubar ist . 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 verbunden sind und eine elektrische Verbindung der verschalteten elementaren Speicherzellen über Hochvolt-Pfade mit Leistungsschaltern in einer Hochvolt-Verteilerbox zu externen Hochvolt-Anschlüs sen hin aufweisen, dadurch gelöst , dass das Hochvolt-Batteriesystem ein Basis-System umfasst , in dem 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 ausgebildet ist , und ein Sub-System selber im Wesentlichen nur eine miteinander verschaltete Modulen umfasst . Damit ist eine Gesamt-Kapazität eines Hochvolt-Batteriesystems leichter über eine Anzahl von Sub-Systemen in festgelegten Schriftgrößen skaliert anpassbar . Diese Anpassung einer Gesamt-Kapazität eines erfindungsgemäßen Hochvolt-Batteriesystems ist durch Anschließen eines oder mehrerer Sub-Systeme an dem Knoten in dem Basis-System unter verminderter Anzahl von Batteriemanagement-Systemen durchführbar .
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 sowie Einbau eines aus mehreren Einheiten bestehenden Hochvolt-Batteriesystems vor Ort deutlich erleichtert . Das Basis-System bildet eine erste Einheit und ist als Hochvolt-Batteriesystem mit einer bestimmten elektrischen Kapazität und Leistung für sich betriebs fähig . Ein im Wesentlichen im Vergleich mit diesem Basis-System elektrisch gleichartiges Sub-System vereinfacht vorzugsweise in Form eines standardisierten Bausteins die Skalierbarkeit eines erfindungsgemäßen Hochvolt-Batteriesystems ebenfalls in beiderlei Hinsicht : Systeme mit im Wesentlichen gleichartigen elektrischen Eigenschaften bauen auch im Wesentlichen gleich und benötigen den im Wesentlichen gleichen Raum sowie gleiche Betriebsbedingungen . Das ist für die Auswahl elektrischer Komponenten, aber auch mit Blick auf eine mechanische Fixierung und Kühlung ein wesentlicher Vorteil . Zugleich grei ft ein Sub- System j edoch auch auf Ressourcen des Basis-Systems zu, die in dem Sub-System nicht vorhanden sind : 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 u . a . 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 zumindest aus regelungstechnischer Sicht 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 sein, so dass sich in einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung eine verteilte Struktur aus mindestens einem Basis-System und mindestens einem damit elektrisch verbundenen Sub-System ergibt .
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 . In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schnittstelle für den Hochvolt-Pfad des Sub-Systems als Parallelschaltung ausgeführt . Die elektrische Gleichartigkeit des Basis-Systems mit dem mindestens einen Sub-System l iegt also mindestens in einer gemeinsamen Spannungsebene im Bereich des Knotens .
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hochvolt-Batteriesystems ist in dem Hochvolt-Pfad des Sub-Systems eine Strom-Messstelle vorgesehen, die in einem Aus führungsbeispiel der Erfindung vor dem Knoten angeordnet ist . Vorzugsweise ist die Strom-Messstelle verlustarm und kompakt als Hal l-Sensor ausgeführt .
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 .
Die Schnittstelle für den Hochvolt-Pfad und/oder die analoge Leitung und/oder die Datenleitung des Sub-Systems in dem Knoten sind vorzugsweise als elektro-mechanische Verbindung mit einem Stecker ausgeführt .
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Stecker des Sub-Systems die Schnittstelle des Hochvolt-Pfads sowie des Niedervolt-Pfads in einem gemeinsamen Gehäuse . Damit ist eine sichere und kompakte Bauform für eine zuverlässige elektrische Verbindung des Sub-Systems an dem Knoten des Basis-Systems vorgesehen .
In einer bevorzugten Weiterbildung verfügt eine erf indungsgemäße 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 .
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 Economi zer zur internen Spulenstromregelung der Schütze als Alternative zu einer externen Puls-Weiten-Modulation bzw . PWM-Regelung .
In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Niederspannungsversorgung von Leistungsschaltern oder Schützen des Sub-Systems über den Schalter in dem Stecker des Hochvolt-Pfads geführt . Damit ist sichergestellt , dass ein Hochvolt-Stecker solange stromlos und potential f rei geschaltet ist , bi s eine mechanisch sichere elektrische Verbindung der Stecker in dem Knoten vorhanden ist .
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Aus führungs formen unter Bezugnahme auf Aus führungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert . Darin zeigen in schematischer Darstellung :
Figur 1 : einen Schaltplan eines ersten Aus führungsbeispiels eines Hochvolt-Batteriesystems als Basis-System mit mindestens einem Knoten;
Figur 2 : einen Schaltplan eines zweiten Aus führungsbeispiels eines Hochvolt-Batteriesystems als Basis-System mit einem zwei Schnittstellen umfassenden Knoten;
Figur 3 : einen Schaltplan eines Aus führungsbeispiels eines Sub-Systems und Figur 4 : ein Blockschaltbild eines Aus führungsbeispiels eines skalierbar erweiterbaren Hochvolt-Batteriesystems unter Verwendung von Basis-Systemen und daran anage- schlossenen Sub-Systemen .
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritt stets die gleichen Bezugs zeichen 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 j edoch of fensichtlich, 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-Ansat zes .
Figur 1 stellt einen Schaltplan eines ersten Aus führungsbeispiels 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 Aus führungsbeispiel Form von Modulen Mod miteinander verschaltet sind . Hier sind 16 Module Mod in einer Serienschaltung miteinander verbunden . Jedem der Module Mod ist ein eigener Zellüberwachungs- schaltkreis esc zugeordnet , wie durch die gleichlautenden Zähler angedeutet . Der Zellüberwachungsschaltkreis esc überwacht das j eweilige Modul Mod über verschiedene Sensoren fortlaufend, um auf dieser Basis entsprechende Mess- und Zustandsdaten zu erstellen . Auf diese Daten der Zellüberwachungsschalt- kreise esc 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-Datenlei- tung 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 .
Die Hochvolt-Verteilerbox 9 umfasst neben dem auf einer Niederspannungsebene von 12 V betriebenen Batteriemanagement-System 7 die über eine analoge Steuerleitung an das Batteriemanagement-System 7 angeschlossenen Leistungsschalter 8 , die für j ede 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 .
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 .
Im vorliegenden Aus führungsbeispiel 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 Aus führungsbeispiel an das Basis-System 2 im Bereich des Knotens 3 zwei Sub-Systeme 12 in Parallelschaltung angeschlossen bzw . angesteckt werden .
Figur 2 zeigt einen Schaltplan eines zweiten Aus führungsbeispiels eines Hochvolt-Batteriesystems als Basis-System 2 mit einem zwei Schnittstellen bzw . Stecker 13 umfassenden Knoten 3 . In Erweiterung des ersten Aus führungsbeispiels i st hier nun in dem Hochvolt-Pfad 5 des Basissystems 12 eine Strom-Messstelle 14 vorgesehen ist . Die Strom-Messstelle 14 i st zur Messung der einzelnen Strangströme vor dem Knoten 3 angeordnet und j eweils als Hall-Sensor ausgeführt . Damit ist der Stromfluss in j edem der bis zu zwei Sub-Systeme 12 getrennt bestimmbar . Eine Übermittlung dieser Messdaten findet durch einen CAN- , KI 15- oder KI 30C-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 kommuni ziert 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 j eweils 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 j eweils an ein Basis-System 2 anschließbaren Sub-Systeme 12 im vorliegenden Aus führungsbeispiel auf zwei . Daher können hier auch im Knoten 3 keine weiteren Anschlüsse für weitere Parallelschaltungen vorgesehen werden .
Figur 3 stellen einen Schaltplan eines Aus führungsbeispiels eines Sub-Systems 12 dar . Das Sub-System 12 selber umfasst im Wesentlichen nur 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 j edoch ein passives System, da es kein eigenes Batteriemanagementsystem BMS umfasst , sondern durch das Batteriemanagementsystem BMS eines j eweils durch Verschaltung zugehörigen Basis-Systems 2 kontrolliert und geregelt wird . Die Hochvolt-Pfade 5 weisen lediglich eine Sicherung F und zwei Leistungsschalter SW auf . In diesem Aus führungsbeispiel 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 . Jedes Sub-System 12 umfasst also selber im Wesentlichen nur eine miteinander verschaltete Modulen Mod stellt damit eine reine Erweiterung einer elektrischen Speicherkapazität ohne eigene Regelungs- und Überwachungs funktionalitäten dar . Bei im Wesentlichen gleicher Baugröße wie ein Basis-System 2 sind Sub-System 12 damit auch im Vergleich preiswerter als Basis-Systeme 2 .
Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Aus führungsbeispiels eines skalierbaren und damit flexibel einer j eweiligen Anforderung entsprechend erweiterbaren Hochvolt-Batteriesystems 1 . Bekannt war bislang eine serielle und/oder parallel Verschaltung von Teilen im j eweiligen Umfang von mehreren Basis-Systemen 2 . Nun ist j edes 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 ski z zierte Hochvolt-Batteriesystem 1 ist unter Verwendung von Basi s-Systemen 2 und j eweils bis zu zwei daran anageschlossenen Sub-Systemen 12 damit in Teilschritten ohne zusätzlichen Schaltungs- und/oder Anpassungsaufwand auch in den betref fenden Basi s-Systemen 2 erweiterbar . Eine maximale Ausbaustufe eines Hochvolt-Batteriesystems 1 ist in diesem Aus führungsbeispiel mit 16 Basis- Systemen 2 und j eweils zwei dran angeschlossenen Sub-Systemen 12 als Reihen #1 bis #16 erreicht . Damit können in einem Gesamtsystem aus ( 1 + 2 ) * 16 = 48 in ihrem Speicherverhalten elektrisch gleichartigen Einheiten zu j e 16 seriell verschal- teten elementaren elektro-chemischen Speicherzellen 4 . Diese gesamten Anordnung wird in der ski z zierten maximalen Ausbaustufe j edoch durch eine Begrenzung auf 16 Batteriemanagementsysteme 7 sicher überwacht und geregelt .
Vorstehend ist damit ein Hochvolt-Batteriesystem beschrieben worden, das bei über eine Skalierung in Form von Sub-Systemen 12 anpassbarer Gesamt-Kapazität im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen leichter transportierbar und aufbaubar i st . Ferner sind nach einer erfindungsgemäßen Form stationäre Hochvolt- Energiespeicher mit hohen Kapazitäten bei erleichterter Handhabung von Subsystemen durch deren unterschiedliche Positionierungen flexibler aufbaubar . Zugleich sind die Sub-Systeme 12 durch Nutzung von Regelungs- und Uberwachungs funktionalitä- ten eines j eweils zugehörigen Basis-Systems 2 unter sicherer und zuverlässiger Verschaltung über Knoten 3 in ihrer Komplexität mindestens durch Einsparung j eweils eigener Batteriemanagement-Systeme reduziert ausgeführt . Bezugs z ei chenl i s te eHV-con externer Hochspannungs-Stecker eLV-con externer Niederspannungs-Stecker
Mod Modul esc Zellüberwachungsschaltkreis , j e einem Modul Mod zugeordnet
CON Stecker
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 Lei stungs schal ter
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

Claims

Ansprüche Hochvolt-Batteriesystem (1) zum Speichern elektrischer Energie in einer Anzahl miteinander elektrisch verschal- teter elementarer Speicherzellen (4) , die über eine analoge Leitung und/oder eine Datenleitung (6) unter Überwachung und Regelung durch ein Batteriemanagement-System (7) verbunden sind und eine elektrische Verbindung der verschalteten elementaren Speicherzellen (4) über Hochvolt-Pfade (5) mit Leistungsschaltern (8) in einer Hochvolt-Verteilerbox (9) zu externen Hochvolt-Anschlüssen (10) hin aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochvolt-Batteriesystem (7) ein Basis-System (2) umfasst, in dem Basis-System (2) mindestens ein Knoten (3) zu einem im Wesentlichen elektrisch gleichartigen Sub-System (12) vorgesehen ist, wobei der Knoten (3) als Schnittstelle für eine analoge Leitung und/oder eine Datenleitung (6) des Sub-Systems (12) zu dem Batteriemanagement-System (7) des Basis-Systems (2) sowie als Schnittstelle für einen Hochvolt-Pfad (8) des Sub-Systems (12) ausgebildet ist, und ein Sub- System (12) selber im Wesentlichen nur eine miteinander verschaltete Modulen (Mod) umfasst. Hochvolt-Batteriesystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Knoten (3) im Bereich der Hochvolt-Verteilerbox (9) vorgesehen ist. Hochvolt-Batteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle für den Hochvolt-Pfad (5) des Sub-Systems (12) in dem Basis-System (2) als Parallelschaltung ausgeführt ist. Hochvolt-Batteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hochvolt- Pfad (8) des Basissystems (2) eine Strom-Messstelle (14) vorgesehen ist. Hochvolt-Batteriesystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-Messstelle (14) vor dem Knoten (3) angeordnet. Hochvolt-Batteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-Messstelle (14) als Hall-Sensor ausgeführt ist. Hochvolt-Batteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle für den Hochvolt-Pfad (5) und/oder die analoge Leitung und/oder die Datenleitung (6) des Sub-Systems (12) in dem Knoten (3) als elektro-mechanische Verbindung mit einem Stecker (15) ausgeführt sind. Hochvolt-Batteriesystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker (15) des Sub-Systems (12) einen Hochvolt-Pfad (5) und einen Nie- dervolt-Pfad für eine Datenleitung (6) in einem gemeinsamen Gehäuse umfasst. Hochvolt-Batteriesystem (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker (15) des Sub-Systems (12) einen Schalter (16) umfasst, der dazu ausgebildet ist, dass der Stecker (15) erst bei mechanisch gesicherter Fixierung des Hochvolt- Pfads (5) an dem Knoten (3) freischaltbar ist. Hochvolt-Batteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sub-System
(12) eine Serienschaltung elementarer Speicherzellen (4) , Schütze als Leistungsschalter (8) in dem Hochvolt-Pfad (5) , eine Sicherung (F) umfasst. Hochvolt-Batteriesystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sub-System (12) einen Economizer umfasst. Hochvolt-Batteriesystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederspannungsversorgung von Leistungsschaltern (8) des Sub-Systems (12) über den Schalter (16) in dem Stecker (15) des Hochvolt-Pfads geführt ist.
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