WO2012130385A1 - Batteriesystem - Google Patents

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WO2012130385A1
WO2012130385A1 PCT/EP2012/001059 EP2012001059W WO2012130385A1 WO 2012130385 A1 WO2012130385 A1 WO 2012130385A1 EP 2012001059 W EP2012001059 W EP 2012001059W WO 2012130385 A1 WO2012130385 A1 WO 2012130385A1
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Jose Lopez de Arroyabe
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a battery system according to the preamble of claim 1.
  • Battery systems of hybrid vehicles have a plurality of series connected battery cells. It is known that the state of charge level of battery cells should be kept in a certain range to achieve the longest possible lifetime. If a battery is overcharged, i. H. the state of charge level rises above a predetermined value, or the battery is over-discharged, i. H. If the state of charge falls below a predetermined value, this is at the expense of the battery life.
  • each of the series-connected battery cells in each case such a second winding is connected in parallel.
  • the first winding or each second winding is assigned in each case a switch formed by a MOSFET.
  • the switches are controlled by a battery management electronics.
  • Top balancing is performed when the state of charge level of one of the series connected battery cells exceeds a predetermined value, thereby closing the switch associated with the "overcharged battery cell” causing the transformer to bypass the second winding associated with the overcharged battery cell is loaded. Subsequently, this switch is opened and the switch associated with the first winding is closed. The stored in the transformer, supplied by the overcharged battery cell energy is then over the first Winding in the entire, formed by the individual battery cells connected in series cell arrangement fed back.
  • Such charge compensation can be very effective, i. H. be carried out at a high frequency.
  • the object of the invention is to further develop the known from the prior art, an active charge equalization enabling battery system, in particular such that it can be easily loaded externally.
  • the starting point of the invention is a battery system according to the preamble of claim 1, d. H. comprising a cell assembly comprising a plurality of battery cells connected in series and a transformer enabling active charge balancing between the individual battery cells.
  • the transformer has a first winding which can be switched in parallel to the entire cell arrangement, and a plurality of second windings, each of which is in each case switchable in parallel to one of the battery cells.
  • the basic idea of the invention is to expand the transformer by a further winding, which will be referred to below as the third winding, wherein the third winding is provided for feeding energy from an external energy source.
  • the external energy source an example of a solar cell arrangement is to be considered.
  • Such a battery system would be suitable for use in a vehicle, in particular in a hybrid vehicle or in a pure electric vehicle. It would be conceivable for the solar cell arrangement to be located on an external side of a body component, z. B. on a vehicle roof, is arranged and used to charge the battery system.
  • the battery system has a "high-voltage cell arrangement" with an operating voltage of more than 300 V.
  • Such systems are particularly suitable for applications in hybrid or electric vehicles.
  • a further advantage of the invention is the fact that a transformer arrangement provided for active charge equalization can be expanded with comparatively little effort by a "third winding", via which energy can be supplied by an external energy source.
  • electrical energy from another energy source could also be fed into the battery system.
  • electrical energy from another energy source could also be fed into the battery system.
  • pelletizing elements which use the thermal energy contained in the exhaust gas of an internal combustion engine to generate electric current and feed it via the third winding in the battery system.
  • FIGURE 1 shows a battery system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a battery system 1 with a cell arrangement 2, which is formed by a plurality of series-connected battery cells 3a, 3b, 3c, 3d, 3e.
  • a transformer 4 is provided.
  • the transformer 4 has a first winding 5, which is switchable by closing a switch So parallel to the entire cell assembly 2.
  • a plurality of second windings 6a-6e are provided.
  • Each of the battery cells 3a-3e is associated with a second winding 6a-6e, respectively.
  • the battery cell 3a is the second winding 6a, the battery cell 3b the second winding 6b, the battery cell 3c the second winding 6c, the battery cell 3d the second winding 6d and the battery cell 3e the second winding 6e assigned.
  • Each of the second coils 6a - 6e by closing of a switch associated therewith Si, S2, S3, S 4, S 5 parallel to the second winding 6a in question - are switched 3e - 6e associated battery cell 3a.
  • switches S 0 , S1 - S5 may be semiconductor devices, such as. As MOSFETs act.
  • the switches S 0 , S 1 -S 5 can be switched controlled by a battery management electronics 7.
  • the transformer 4 further comprises a third winding 8, which is electrically connected to an external power source 10 via a DC / AC converter 9.
  • the external energy source 10 may be a
  • the DC / AC converter 9 can also by the battery management electronics 7 are controlled, which is symbolized by the control signal Sw.

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Abstract

Batteriezellen aufweist, einem Transformator, der eine erste Wicklung aufweist, die parallel zu der Zellanordnung schaltbar ist, und mehrere zweite Wicklungen, wobei jede zweite Wicklung parallel zu einer der Batteriezellen schaltbar ist. Der Transformator weist eine dritte Wicklung auf, die zum Einspeisen von Energie aus einer externen Energiequelle vorgesehen ist.

Description

Batteriesystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Batteriesystem ist aus einem Beitrag mit dem Titel .Aktiver Ladungsausgleich für Litium-Ionen-Batterien" bekannt, der in der Zeitschrift ATZ Elektronik 02/2008 Jahrgang 3, Seiten 62 - 66 veröffentlicht wurde. Autor dieses Beitrags ist Werner Rößler.
Batteriesysteme von Hybridfahrzeugen weisen eine Vielzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen auf. Es ist bekannt, dass zur Erreichung einer möglichst langen Lebensdauer das Ladezustandsniveau von Batteriezellen in einem bestimmten Bereich gehalten werden sollte. Wird eine Batterie überladen, d. h. steigt das Ladezustandsniveau über einen vorgegebenen Wert, oder wird die Batterie zu stark entladen, d. h. sinkt das Ladezustandsniveau unter einen vorgegebenen Wert, so geht dies massiv zu Lasten der Lebensdauer der Batterie.
In dem oben erwähnten Beitrag wird ein Batteriesystem beschrieben, bei dem mittels einer durch eine Batteriemanagementelektronik gesteuerten Transformatoreinrichtung ein aktiver Ladungsausgleichs zwischen einzelnen in Reihe geschalteten Batteriezellen des Batteriesystems durchgeführt werden kann. Unter dem Begriff„aktiver Ladungsausgleich" ist zu verstehen, dass Energie zwischen den Zellen„verschoben" wird, sobald die Spannung einer Batteriezelle zu sehr von der durchschnittlichen Spannung der in Reihe geschalteten Batteriezellen abweicht. Auf Seite 64 des eingangs genannten Beitrags ist eine entsprechende Schaltungsanordnung dargestellt. Die Trans- formatoranordnung, mittels der der aktive Ladungsausgleich durchgeführt wird, weist eine erste Windung auf, die parallel zu der durch die in Reihe geschalteten Batteriezellen gebildeten Zellanordnung geschaltet ist. Ferner sind mehrere zweite Wicklungen vorgesehen, wobei jeder der in Reihe geschalteten Batteriezellen jeweils eine solche zweite Wicklung parallel geschaltet ist. Der ersten Wicklung bzw. jeder zweiten Wicklung ist jeweils ein durch einen MOSFET gebildeter Schalter zugeordnet. Die Schalter werden durch eine Batteriemanagementelektronik angesteuert.
Grundsätzlich sind zwei Fälle denkbar, bei denen ein Ladungsausgleich durchzuführen ist. Man spricht von„Bottom-Balancing" einerseits bzw. von „Top-Balancing" andererseits.
Ein„Bottom-Balancing" findet statt, wenn das Ladezustandsniveau einer der in Reihe geschalteten Batteriezellen unter einen zulässigen Wert abgesunken ist. In diesem Fall muss die„schwache Batteriezelle" geladen werden. Hierzu wird der der ersten Wicklung zugeordnete Schalter geschlossen, was dazu führt, dass der Transformator aus dem ganzen Batterieblock magnetisch aufgeladen wird. Nachdem der der ersten Wicklung zugeordnete Schalter wieder geöffnet ist, kann die im Transformator gespeicherte magnetische Energie gezielt in die„schwache Batteriezelle" verschoben werden, in dem der dieser Zelle zugeordnete Schalter geschlossen wird.
Ein„Top-Balancing" wird durchgeführt, wenn das Ladezustandsniveau einer der in Reihe geschalteten Batteriezellen einen vorgegebenen Wert überschreitet. Hierbei wird der der„überladenen Batteriezelle" zugeordnete Schalter geschlossen, was dazu führt, dass der Transformator über die der überladenen Batteriezelle zugeordnete zweite Wicklung geladen wird. Anschließend wird dieser Schalter geöffnet und der der ersten Wicklung zugeordnete Schalter geschlossen. Die im Transformator gespeicherte, von der überladenen Batteriezelle gelieferte Energie wird dann über die erste Wicklung in die gesamte, durch die einzelnen in Reihe geschalteten Batteriezellen gebildete Zellanordnung zurückgespeist.
Ein derartiger Ladungsausgleich kann sehr effektiv, d. h. mit einer hohen Frequenz durchgeführt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, das aus dem Stand der Technik bekannte, einen aktiven Ladungsausgleich ermöglichende Batteriesystem weiter zu entwickeln, insbesondere derart, dass es in einfacher Weise von extern ge- laden werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Batteriesystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 , d. h. mit einer Zellanordnung, die mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen aufweist und einem Transformator, der einen aktiven Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen ermöglicht. Der Transformator weist hierzu eine erste Wicklung auf, die parallel zu der gesamten Zellanordnung schaltbar ist, und mehrere zweite Wicklungen, von denen jede jeweils parallel zu einer der Batteriezellen schaltbar ist.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den Transformator um eine weitere Wicklung, die im Folgenden als dritte Wicklung bezeichnet wird, zu erweitern, wobei die dritte Wicklung zum Einspeisen von Energie aus einer externen Energiequelle vorgesehen ist. Bei der externen Energiequelle ist exemplarisch an eine Solarzellenanordnung zu denken.
Ein derartiges Batteriesystem wäre für den Einsatz in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Hybridfahrzeug oder in einem reinen Elektrofahrzeug geeignet. Denkbar wäre, dass die Solarzellenanordnung auf einer Außen- seite einer Karosseriekomponente, z. B. auf einem Fahrzeugdach, angeordnet wird und zum Laden des Batteriesystems verwendet wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Batteriesystem eine „Hochvoltzellanordnung" mit einer Betriebsspannung von mehr als 300 Volt auf. Derartige Systeme sind insbesondere für Anwendungen in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen geeignet.
Prinzipiell wäre es zwar denkbar, die von einer Solarzellenanordnung gelieferte elektrische Energie unmittelbar in die Zellanordnung bzw. in einzelne Batteriezellen einzuspeisen und nicht, wie von der Erfindung vorgeschlagen, über einen Transformator. Dies wäre allerdings bei Hochvoltbatterien, wie sie bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, aus Sicherheitsgründen nicht akzeptabel. Bei Fahrzeugen mit Hochvoltbatterien muss aus Sicherheitsgründen zwischen einem„Hoehvoltbereich" und einem Niedervoltbereich der elektrischen Anlage eine galvanische Trennung vorgesehen sein.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine für einen aktiven Ladungsausgleich vorgesehene Transformatoranordnung mit vergleichsweise geringem Aufwand um eine„dritte Wicklung", über die Energie von einer externen Energiequelle eingespeist werden kann, erweitert werden kann.
Alternativ zu einer Solarzellenanordnung könnte auch elektrische Energie aus einer anderen Energiequelle in das Batteriesystem eingespeist werden. Zu denken ist beispielsweise an Pelletierelemente, welche die im Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltene thermische Energie nutzen, um elektrischen Strom zu erzeugen und diesen über die dritte Wicklung in das Batteriesystem einspeisen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass mit heute verfügbaren Solarzellen und einer Solarfläche in der Größe eines herkömmlichen Autodachs bei Son- neneinstrahlungsbedingungen, wie sie in Mitteleuropa vorherrschen, in einem Tag eine Energie von ca. 600 Wh erzeugt werden kann, womit zumindest mehrere Startvorgänge eines Verbrennungsmotors durchgeführt werden können oder ein durchschnittliches Fahrzeug mehrmals aus dem Stand auf eine Geschwindigkeit von etwa 50 km/h beschleunigt werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur 1 zeigt ein Batteriesystem gemäß der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein Batteriesystem 1 mit einer Zellanordnung 2, die durch mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e gebildet ist. Ferner ist ein Transformator 4 vorgesehen. Der Transformator 4 weist eine erste Wicklung 5 auf, die durch Schließen eines Schalters So parallel zu der gesamten Zellanordnung 2 schaltbar ist. Ferner sind mehrere zweite Wicklungen 6a - 6e vorgesehen. Jeder der Batteriezellen 3a - 3e ist jeweils eine zweite Wicklung 6a - 6e zugeordnet. So ist der Batteriezelle 3a die zweite Wicklung 6a, der Batteriezelle 3b die zweite Wicklung 6b, der Batteriezelle 3c die zweite Wicklung 6c, der Batteriezelle 3d die zweite Wicklung 6d und der Batteriezelle 3e die zweite Wicklung 6e zugeordnet. Jede der zweiten Wicklungen 6a - 6e kann durch Schließen eines ihr zugeordneten Schalters Si, S2, S3, S4, S5 parallel zu der der betreffenden zweiten Wicklung 6a - 6e zugeordneten Batteriezelle 3a - 3e geschaltet werden.
Bei den Schaltern S0, S1 - S5 kann es sich Halbleiterbauelemente, wie z. B. MOSFETs, handeln. Die Schalter S0, S1 - S5 können durch eine Batteriemanagementelektronik 7 gesteuert geschaltet werden.
Der Transformator 4 weist eine ferner eine dritte Wicklung 8 auf, die über einen DC/AC-Wandler 9 elektrisch mit einer externen Energiequelle 10 verbunden ist. Bei der externen Energiequelle 10 kann es sich um eine
Solarzellenanordnung handeln. Der DC/AC-Wandler 9 kann ebenfalls durch die Batteriemanagementelektronik 7 angesteuert werden, was durch das Steuersignal Sw symbolisiert ist.
Über die dritte Wicklung 8 kann von der externen Energiequelle 10 gelieferte elektrische Energie in den Transformator 4 eingespeist und in der ersten Wicklung 5 zwischengespeichert werden. Durch Schließen des Schalters So kann die eingespeiste Energie dann der Zellanordnung 2 zugeführt werden. Alternativ dazu wäre es auch denkbar, die eingespeiste Energie durch Schließen eines der Schalter Si - S5 gezielt einer der Batteriezellen 3a - 3e zuzuführen.

Claims

Patentansprüche
1. Batteriesystem (19) mit
einer Zellanordnung (2), die mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen (3a - 3e) aufweist,
einem Transformator (4), der eine erste Wicklung (5) aufweist, die parallel zu der Zellanordnung (2) schaltbar ist, und mehrere zweite Wicklungen (6a - 6e), wobei jede zweite Wicklung (6a - 6e) parallel zu einer der Batteriezellen (3a - 3e) schaltbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Transformator (4) eine dritte Wicklung (8) aufweist, die zum Einspeisen von Energie aus einer externen Energiequelle (10) vorgesehen ist.
2. Batteriesystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die externe Energiequelle (10) eine Solarzellenanordnung ist.
3. Batteriesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schalter (So) vorgesehen ist, über den die erste Wicklung (5) parallel zu der Zellanordnung (2) schaltbar ist.
4. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Batteriezelle (3a - 3e) genau eine zweite Wicklung (6a - 6e) zugeordnet ist.
5. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder zweiten Wicklung (6a - 6e) ein zweiter Schalter (Si - S5) zugeordnet ist, wobei die einer Batteriezelle (3a - 3e) zugeordnete zweite Wicklung (6a - 6e) über den ihr zugeordneten zweiten Schalter (Si - S5) parallel zu der betreffenden Batteriezelle (3a - 3e) schaltbar ist
6. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Wicklung (8) über einen Wandler (9), insbesondere über einen DC/AC-Wandler, oder über einen dritten Schalter mit der externen Energiequelle (10) verbunden ist.
7. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einzelnen Schaltern (So, Si - S5) oder bei allen Schaltern um Halbleiterbauelemente, insbesondere um MOSFETs, handelt.
8. Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein MikroController (7) zum Steuern der Schalter (So, S! - S5) bzw. des Wandlers (9) vorgesehen ist.
9. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (19) in ein Fahrzeug eingebaut ist und die externe Energiequelle (10) durch eine auf einer Außenseite einer Karosseriekomponente des Fahrzeugs angeordnete Solarzellenanaordnung gebildet ist.
10. Batteriesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Solarzellenanordnung auf einem Dach des Fahrzeugs angeordnet ist.
1 1. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zellanordnung (2) um eine Hochvoltzellanordnung handelt, die eine Betriebsspannung von mehr als 300 Volt aufweist.
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