WO2019201528A1 - Batteriesystem und verfahren zum betreiben eines batteriesystems - Google Patents

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WO2019201528A1 PCT/EP2019/056706 EP2019056706W WO2019201528A1 WO 2019201528 A1 WO2019201528 A1 WO 2019201528A1 EP 2019056706 W EP2019056706 W EP 2019056706W WO 2019201528 A1 WO2019201528 A1 WO 2019201528A1
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cells
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Michael Hinterberger
Berthold Hellenthal
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Audi Ag
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery system and a method for operating such a battery system.
  • the invention also relates to a motor vehicle with such a battery system.
  • DE 10 2011 053 728 A1 shows a battery system and a method for switching off series-connected energy storage modules of a battery of a battery system.
  • the battery system consists of several cells connected to modules equipped with control and communication devices to deactivate the battery cells when an error is detected.
  • DE 10 2011 013 182 A1 shows a safety traction battery for electric vehicles.
  • the safety traction battery consists of groups of cells equipped with external switchable disconnecting elements, by means of which one of the cell groups is disconnected from the battery in the event of a defect.
  • DE 10 2011 056 135 A1 shows a power generation plant with an energy storage system and an associated operating method. Several groups of battery cells are connected in series or in parallel via a switching unit as required. It is an object of the present invention to provide a solution by means of which a multiple battery cells exhibiting battery system can be particularly easily adapted to different requirements.
  • the battery system according to the invention in particular for a motor vehicle, comprises a plurality of battery cells which have respective battery cell housings with electrical connections via which the battery cells are electrically connected to one another, wherein a cell branch connecting the connections is arranged with a galvanic cell in the battery cell housings ,
  • the battery system according to the invention is characterized in that in each case a bypass branch for bridging the respective galvanic cell is arranged in the battery cell housings.
  • the cell branch comprises a switching element for opening and closing the cell branch and the bypass branch comprises a bypass switching element for opening and closing the bypass branch.
  • the battery system has a cell-external circuit arrangement with a plurality of switches for interconnecting the battery cells in different circuit configurations.
  • the battery system additionally comprises a control device, which is set up to control at least one request all switching elements and bridging switching elements of the battery cells for switching on and bridging the galvanic cells of the battery cells and to control all switches of the cell external circuit arrangement for producing the different circuit configurations.
  • a control device which is set up to control at least one request all switching elements and bridging switching elements of the battery cells for switching on and bridging the galvanic cells of the battery cells and to control all switches of the cell external circuit arrangement for producing the different circuit configurations.
  • a battery system is basically an interconnection of several galvanic cells or elements. Among them, in principle, both primary cells as also secondary cells fall.
  • the battery system is not limited in the present case to use in motor vehicles, but can be used to power any devices.
  • the battery cells can also be so-called solid-state cells and also conventional galvanic cells, such as, for example, lithium-ion cells or the like. Similarly, it may be at the battery cells in example, also fuel cells.
  • the switching elements, bridging switching elements and switches may be electronic switching elements, that is, for example, field effect transistors or diodes. In principle, however, these may also be electromechanical switches, for example relays. What is essential in the case of the switching elements, bridging switching elements and the switches is that they can switch the respective cell branches to the galvanic cells and by-pass branches or separate and connect external cell-side respective electrical connections between the battery cells.
  • An essential aspect of the battery system according to the invention is that both the said bypass branch and the respective switching elements or bridging switching elements of the cell branches and bypass branches are integrated directly in the battery cells, more precisely inside the battery cell housing.
  • another essential aspect of the battery system according to the invention relates to the cell-external circuit arrangement with the plurality of switches for interconnecting the battery cells in different circuit configurations.
  • the control device of the battery system it is possible, in order to fulfill at least one requirement, for example to fulfill a wide variety of power requirements, to control the cell-external circuit arrangement, ie the respective switches of the cell-external circuit arrangement, for different interconnection of the individual battery cells.
  • the control device and the switching elements and bridging switching elements which are arranged within the battery cells, drive.
  • the battery system according to the invention it is thus possible, on the one hand, to control flow of currents or energy flows inside the cell and, on the other hand, also to implement different current flows or cell configurations outside the cell.
  • the battery system according to the invention it is therefore possible in a particularly flexible manner to meet a wide variety of requirements by setting various configurations with regard to the interconnection of the battery cells on the cell level and on the cell-external level.
  • Individual galvanic cells on the battery cell level can thus be bridged or connected, for example, whereby it is also possible on the cell-external level to interconnect individual battery cells, modules of battery cells and the like in various configurations.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that a plurality of the battery cells are interconnected in each case in parallel to respective cell blocks, wherein a plurality of the cell blocks, preferably in series, are interconnected to respective modules.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that several of the modules are each connected in series to respective module branches, wherein the control device is adapted to control the switches such that at least a part of the module branches in a series circuit and / or are interconnected in a parallel connection.
  • the module branches are interconnected, for example, strictly in parallel.
  • the respective module branches are interconnected, for example, strictly in parallel.
  • mixed forms are also possible depending on the power requirement and voltage requirement.
  • the control device is adapted to control the switches such that at least one of the module branches is separated from the remaining module branches and thus deactivated. If, for example, a defect occurs in one of the modules of the module branches, then it is possible in a simple manner to separate the relevant module branch from the remaining module branches by appropriate activation of the switch suitable for this purpose. In this way, even in the event of a defect in one of the module branches, it is thus possible to still provide energy without risk and thus without any problems by means of the battery system.
  • the control device is adapted to control the switches so, that a part of the module branches are connected to a first subsystem for providing a first voltage and another part of the module branches to a second subsystem for providing a second voltage.
  • a type of selection circuit by means of which a part of the module branches can be dynamically connected to form a secondary branch of the battery system.
  • two 12-volt batteries are to be provided.
  • the selection circuit can have one or more multiplexers, by means of which the individual module branches can be dynamically connected in different constellations to the named secondary branch, that is to the second subsystem, which then for example terminates in a DC / DC converter, by means of which then the correspondingly required vehicle electrical system voltage can be provided. If, for example, a further battery that is present for supplying the electrical system fails, then it is possible by means of the battery system according to the invention to replace this failed battery. Space and a corresponding weight for the said additional battery, for example in the form of a 12-volt battery or a 48-volt battery, can thus be saved. Nevertheless, a particularly fail-safe energy supply system is made possible overall.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the control device is set up to control the switches such that the first subsystem is galvanically isolated from the second subsystem.
  • Galvanic isolation also called galvanic decoupling, is understood as the avoidance of electrical conduction between two circuits between which power or signals are to be exchanged.
  • the Galvanic isolation is necessary where circuits are in a common housing or in a comparable functional unit and at least one is to act on the other, but they must remain separated in their reference potentials.
  • the battery system can be formed particularly secure. It can also be done for metrological reasons, for example, to realize a potential separation of a power supply of measuring instruments. Furthermore, this also makes it possible, for example, to prevent so-called ground loops or even electromagnetic interference. In general, this can also be a decoupling of potential differences. Consistently designed galvanic isolation is a particularly effective protection against electromagnetic interference.
  • the cell-external circuit arrangement has so many switches arranged in such a way that all modules in any combination are electrically conductively connected to one another and separable from each other. This results in a particularly large possibility of variation with regard to the interconnection of the modules. Depending on the requirements of the battery system, it is thus possible to respond to it in a particularly flexible manner by controlling the respective switches of the cell-external circuit arrangement in such a way that the modules of the battery system are electrically conductively connected to one another in a particularly favorable constellation ,
  • control device is adapted to control the cell-internal switching elements and the bridging switching elements such that individual modules bridged and thus deactivated. It is therefore also possible to use the cell-internal switching elements and bridging switching elements in order to bridge and deactivate individual modules. If, for example, individual modules are defective, the control device can control the cell-internal switching elements and bridging switching elements in order to bridge these defective modules and thus to deactivate them. Even if individual modules should be defective, the entire battery system can continue to be used for power supply without problems.
  • the cell-external circuit arrangement has so many switches arranged in such a way that all battery cells in any combination are electrically conductively connectable to one another and separable from one another.
  • maximum flexibility results with regard to the interconnection of the individual battery cells with one another.
  • individual defective battery cells can be easily separated from the rest of the battery system.
  • interconnect the individual battery cells can be easily separated from the rest of the battery system. It is also possible, depending on the requirement, to interconnect the individual battery cells differently in series and in parallel, in order to meet a wide variety of power requirements and other boundary conditions.
  • control device per battery cell has a control unit which is set up to control the respective switching elements or contact switching elements of the battery cells for flashing or bridging the galvanic cells.
  • control unit which is set up to control the respective switching elements or contact switching elements of the battery cells for flashing or bridging the galvanic cells.
  • These cell-internal control units can be, for example, microcontrollers, which are set up to control the respective switching elements and bridging switching elements for each battery cell.
  • the intelligence for driving the switching elements and bridging switching elements is thus preferably provided inside the cell.
  • the battery cells have respective sensors for detecting at least one operating parameter, which are designed to transmit data relating to the operating parameter to the control device.
  • the control device can take these operating parameters into account.
  • the individual battery cells can be so reliable Be continuously monitored, wherein, if necessary, for example, individual battery cells can be separated from the rest of the battery system.
  • the battery cells comprise respective communication modules for exchanging data between the battery cells and / or with the control device.
  • the individual battery cells can exchange data relating to one another with their operating parameters, in which case the battery cells have respective in-cell control units, for example in the form of microcontrollers, the individual battery cells, for example decentralized itself with regard to the connection and bridging of the galvanic cells.
  • the communication modules can be designed, for example, to exchange the relevant data wirelessly. A wired exchange of data is of course also possible.
  • the battery cells, cell blocks and / or modules should be discharged or charged evenly;
  • the battery system is to be adapted to a relaxation level of a charging device
  • the battery cells should age evenly;
  • the motor vehicle according to the invention comprises the battery system according to the invention or an advantageous embodiment of the battery system according to the invention.
  • the control device of the battery system controls at least one part of the switching elements and bridging switching elements of the battery cells to connect or bypass the galvanic cells of the battery cells and / or at least a part of the switches of the cell-external circuit arrangement for establishing a specific circuit configuration.
  • Advantageous embodiments of the battery system according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the method according to the invention and vice versa, the battery system in particular having means for carrying out the method steps.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a battery cell, a
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a plurality of battery cells, which are each connected in parallel with one another to cell blocks, wherein a plurality of the cell blocks are interconnected in series with a module;
  • FIG. 3 shows a further schematic illustration of a module which has a plurality of the cell blocks interconnected in series with one another;
  • 4 shows a schematic representation of a battery system, wherein a plurality of the modules are respectively connected in series to respective module branches, which have been connected in series with one another via a cell-external circuit arrangement having a plurality of switches;
  • 5 shows a further schematic representation of the battery system, wherein a plurality of the module branches are connected in series with one another;
  • 6 shows a further schematic illustration of the battery system, wherein two of the module branches are connected in parallel to each other and the module branches connected in parallel are in turn connected in series with one another;
  • 7 shows a further schematic representation of the battery system, wherein one of the module branches has been separated from the remaining module branches and thus deactivated;
  • FIG. 8 shows a further schematic representation of the battery system, wherein a part of the module branches have been connected to a first subsystem for providing a first voltage and another part of the module branches to a second subsystem for providing a second voltage; 9 shows a further schematic illustration of the battery system, wherein individual modules have been deactivated and bridged;
  • FIG. 10 shows a further schematic illustration of the battery system, the cell-external circuit arrangement of the battery system having so many switches arranged in such a way that all modules can be electrically conductively connected and disconnected from one another in any combination; and
  • FIG. 11 shows a further schematic representation of the battery system, wherein the individual modules of the battery system are shown arranged in a matrix-like manner.
  • identical or functionally identical elements have been provided with the same reference numerals.
  • a battery cell 10 is shown in a schematic representation in FIG. 1.
  • the battery cell 10 comprises a battery cell housing 12 with electrical connections 14, 16, via which this battery cell 10 can be electrically conductively connected to other battery cells 10, not shown here.
  • a cell branch 18 connecting the terminals 14, 16 with a galvanic cell 20 is arranged on the battery cell housing 12.
  • the galvanic cell 20 may be, for example, a lithium-ion cell.
  • the battery cell 10 can have a very wide variety of types of galvanic cells in the cell branch 18.
  • a bypass branch 22 for bridging the galvanic cell 20 is arranged in the battery cell housing 12.
  • the cell branch 18 comprises a switching element 24 for opening and closing the cell branch 18.
  • the bypass branch 22 comprises a bypass switching element 26 for opening and closing the bypass branch 22.
  • a control unit 28 in the form of a microcontroller is arranged in the battery cell housing 12, which is set up to control the switching element 24 and the bridging switch element 26 for opening or closing.
  • the battery cell 10 includes in its battery cell housing 12 one or more sensors 30, which are designed to detect a wide variety of operating parameters of the battery cell 10. For example, voltages, currents, cell internal pressures and the like can be detected inside the cell and forwarded to the microcontroller 28. This can, depending on the operating parameters respectively detected by operating the switching element 24 or the bridging switching element 26, the galvanic cell 20 bridge or turn on if necessary.
  • the battery cell 10 comprises a communication module 32.
  • the communication module 32 can receive a wide variety of data, such as, for example, a respective switching state of the switching element 24 or of the bridging switching element 26 and transmitted by the sensor 30 detected operating parameters to other communication modules 32 further battery cells 10. It is also possible that the communication module 32 transmits said data to a higher-level control device of the system in which a plurality of the battery cells 10 is installed.
  • FIG. 2 schematically shows a module 34, wherein the module 34 has a plurality of the battery cells 10.
  • the battery cells 10 are each interconnected in parallel to respective cell blocks 36.
  • the cell blocks 36 are also interconnected in series with the module 34 according to the present illustration.
  • FIG. 3 shows the module 34 in a further schematic view.
  • the module 34 has two terminals 38, via which the module 34 can be connected to other modules 34 not shown here.
  • FIG. 4 schematically shows a battery system 40, wherein the battery system 40 has a plurality of the modules 34.
  • a positive pole 42 and a negative pole 44 of the entire battery system 40 are also indicated only schematically.
  • Several of the modules 45 are each interconnected in series with respective module branches 46.
  • the battery system 40 additionally comprises a cell-external circuit arrangement 48 with a plurality of switches 50 for different interconnection of the modules 34 with one another.
  • the battery system 40 comprises a control device 52, which is only schematically indicated here and which is set up to actuate the switches 50 of the cell-external circuit arrangement 48 for establishing different circuit configurations in order to fulfill at least one request.
  • the control device 52 can thus open or close the switches 50 as needed in order to connect the modules 34 or the module branches 46 to one another in different ways.
  • the control device 52 may also include the cell-internal control units 28 mentioned in connection with FIG. 1 and designed as microcontrollers.
  • the control device 52 is therefore also configured in the case to meet a wide variety of requirements of all switching elements 24 and bridging Wegele- 26 of the individual battery cells 10 for switching on and bridging the respective galvanic cells 20 to control.
  • the individual switches 50 have been actuated by means of the control device 52 such that the individual module branches 46 have been connected in series with one another.
  • the battery system 40 is shown in a further schematic view, wherein the individual switches 50 of the cell-external Wegungsanord- 48 have been closed or opened unlike in Fig. 4. As shown, the switches 50 have been operated in such a way that the individual module branches 46 have been connected in parallel with one another. In other words, the battery system 40 is operated in a parallel mode as shown here. The prerequisite for this is that the respective voltages of the individual module branches 46 are the same.
  • the battery system 40 is shown in a further schematic representation, wherein the individual switches 50 of the cell-external circuit arrangement 48 have been actuated in such a way that the left-hand two module branches 46 and the right-hand two module branches 46 are each connected in parallel. have been switched, wherein the parallel-connected module branches 46 have in turn been connected to each other in series.
  • FIG. 7 shows the battery system 40 in a further schematic representation.
  • the switches 50 of the cell external circuitry 48 have been operated so that the left three module branches 46 have been connected in series, wherein the right module branch 46 has been disconnected from the remaining battery system 40 and thus deactivated.
  • only one subsystem of the battery system 40 is used for the energy supply.
  • the right module branch 46 or individual modules 34 of the right module branch 46 are defective. In that case, it is possible to separate, for example, the entire right module branch 46 from the rest of the battery system 40.
  • the battery system 40 is included
  • the battery system 40 is shown in FIG. 8 in a further schematic representation.
  • the control device 52 has actuated or actuated the switches 50 so that a part of the module branches 46 to a first subsystem 54 for providing a first voltage Ui and another part of the module branches 46, according to the present representation of the right Module branches 46, has been connected to a second subsystem 56 for providing a second voltage U2.
  • the control device 52 may also control the switches 50 in such a way that the first subsystem 54 is galvanically isolated from the second subsystem 56.
  • the battery system 40 is used in an electric vehicle. In conventional operation, the battery system 40 is simply used to power an electric drive.
  • Another battery is used to provide energy to a rest of the vehicle's electrical system. If this additional battery then fails, the battery system 40 can be configured by appropriate activation of the switches 50 in such a way that-according to the present illustration-the right-hand module branch 46 is used to supply the electrical system with energy.
  • the second subsystem 56 thus serves to supply the vehicle electrical system, whereas the first subsystem 54 of the battery system 40 can continue to be used to drive the vehicle.
  • a kind of selection circuit is realized by way of the switches 50, by means of which it is possible to divide the battery system 40 into different subsystems 54, 56, which can provide different voltages Ui, U2.
  • FIG. 9 shows the battery system 40 in a further schematic representation.
  • some of the modules 34 are complete or partially defective.
  • some of the battery cells 10 or even individual ones of the battery cells 10 in the modules 34 may be defective.
  • the defective modules 34 have been bypassed and thus deactivated.
  • the control device 52 may cause the individual control units 28 (see FIG. 1) designed as microcontrollers to close the respective bypass branches 22 in the defective modules 34 and to open the cell branches, so that the respective galvanic cells 20 are bridged.
  • the respective switching elements 24 of the cell branches 18 are opened in the defective modules 34, and the respective bridging switching elements 26 of the bypass branches 22 are closed.
  • individual defective battery cells 10 can be bridged in a simple manner and in this way entire modules 34 can be bridged.
  • the remaining modules 34 have in turn been connected in series with one another according to the present illustration.
  • Defective or even critical operating states of the individual battery cells 10 can be detected, for example, by the sensors 30 installed in the cells. Relevant data or information can be exchanged between the individual battery cells 10.
  • the battery cells 10 transmit relevant data to the higher-level control device 52, which then decides based on which of the modules 34 to be bypassed and thus deactivated.
  • FIG. 10 another possible embodiment of the battery system 40 is shown schematically.
  • the cell-external circuit arrangement 48 has so many switches 50 arranged in such a manner that all the modules 34 can be electrically conductively connected and disconnected from one another in any desired combinations.
  • the controller 52 may thus open and close all switches 50 of the cell external circuitry 48 as needed.
  • the control device 52 can in turn also open and close the individual cell branches 18 or bypass branches 22 of the individual battery cells 10 by corresponding actuation or activation of the switching elements 24 or bridging switching elements 26.
  • FIG. 11 another possible embodiment of the battery system 40 is indicated schematically.
  • the cell-external circuit arrangement 48 which is not specified here, can have so many switches 50 arranged in such a manner that all battery cells 10 of the battery system 40 can be electrically conductively connected and disconnected from one another in any combination. This results in the maximum possible variability with regard to the interconnection of the individual battery cells 10 with one another.
  • the control device 52 is capable of producing different circuit configurations at the cell level, at the cell block level or even at the module level depending on the most diverse requirements.
  • defective battery cells 10, individual defective cell blocks 36 or individual defective modules 34 can be bridged and thus deactivated.
  • the battery cells 10, the cell blocks 36 and the modules 34 may also be discharged or charged uniformly by correspondingly actuating the in-cell switching elements 24 or bypass switching elements 26 and / or the switches 50 of the external cell circuitry 48.
  • the battery system 40 If the battery system 40 is used, for example, in an electric vehicle, it can be ensured by appropriate interconnection at the cell level, cell block level or even module level that the respective voltage level of the battery system 40 fits into a very specific charging device which is currently connected to the motor vehicle is approached. In addition, it is also possible to carry out the interconnection at cell level, cell block level and / or module level so that the individual battery cells 10 age uniformly. Furthermore, it is also possible to be dynamic For example, if the battery system 40 is used for driving an electric vehicle, it is possible, depending on the accelerator pedal position, for the battery cells to be responsive to a respective power requirement of an electrical machine 10 to interconnect the cell blocks 36 or the modules 34 as needed. Overall, the illustrated battery system 40 offers the possibility of adapting the battery system 40 to a wide variety of boundary conditions in order to meet external power requirements on the one hand and to enable a particularly reliable and long-lasting operation of the battery system 40 on the other hand.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (40), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere Batteriezellen (10), die jeweilige Batteriezellgehäuse (12) mit elektrischen Anschlüssen (14, 16) aufweisen, über welche die Batteriezellen (10) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei in den Batteriezellgehäusen (12) jeweils ein die Anschlüsse (14, 16) verbindender Zellzweig (18) mit einer galvanischen Zelle (20) angeordnet ist, wobei in den Batteriezellgehäusen (12) jeweils ein Bypasszweig (22) zum Überbrücken der jeweiligen galvanischen Zelle (20) angeordnet ist; jeder Zellzweig (18) ein Schaltelement (24) zum Öffnen und Schließen des Zellzweigs (18) und jeder Bypasszweig (22) ein Überbrückungsschaltelement (26) zum Öffnen und Schließen des Bypasszweigs (22) aufweist; das Batteriesystem (40) eine zellexterne Schaltungsanordnung (48) mit mehreren Schaltern (50) zum Verschalten der Batteriezellen (10) in unterschiedlichen Schaltungskonfigurationen aufweist; das Batteriesystem (40) eine Steuereinrichtung (52) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, sämtliche Schaltelemente (24) und Überbrückungsschaltelemente (26) sowie sämtliche Schalter (50) anzusteuern. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (40).

Description

Batteriesystem und Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems
BESCHREIBUNG: Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Batteriesystems. Zudem betrifft die Erfindung noch ein Kraft- fahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.
Es ist an sich schon bekannt, bei Batteriesystemen beispielsweise bei Feh- lern oder je nach Leistungsbedarf, zu Modulen zusammengeschaltete Batte- riezellen oder auch einzelne Batteriezellen zu deaktivieren beziehungsweise unterschiedlich zu verschalten. So zeigt beispielsweise die DE 10 2011 053 728 A1 ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Abschal- ten von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen einer Batterie eines Batteriesystems. Das Batteriesystem besteht aus mehreren Zellen, die zu Modulen verschaltet sind, welche mit Kontroll- und Kommunikationseinrich- tungen versehen sind, um die Batteriezellen beim Erkennen eines Fehlers zu deaktivieren. Die DE 10 2011 013 182 A1 zeigt eine Sicherheits-Traktionsbatterie für Elektrofahrzeuge. Die Sicherheits-Traktionsbatterie besteht aus Zellgruppen, die mit externen schaltbaren Trennelementen ausgestattet sind, mittels wel- chen eine der Zellengruppen bei einem Defekt von der Batterie getrennt wird. Die DE 10 2011 056 135 A1 zeigt eine Energieerzeugungsanlage mit einem Energiespeichersystem und ein zugehöriges Betriebsverfahren. Mehrere Verbünde von Batteriezellen werden über eine Schalteinheit nach Bedarf seriell oder parallel geschaltet. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher ein mehrere Batteriezellen aufweisendes Batteriesystem besonders einfach an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Batteriesystem sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Batteriesystems mit den Merkmalen der unabhängi- gen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßi- gen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfasst mehrere Batteriezellen, die jeweilige Batteriezellgehäuse mit elektri- schen Anschlüssen aufweisen, über welche die Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden sind, wobei in den Batteriezellgehäusen jeweils ein die Anschlüsse verbindender Zellzweig mit einer galvanischen Zelle ange- ordnet ist. Das erfindungsgemäße Batteriesystem zeichnet sich dadurch aus, dass in den Batteriezellgehäusen jeweils ein Bypasszweig zum Überbrücken der jeweiligen galvanischen Zelle angeordnet ist. Der Zellzweig umfasst ein Schaltelement zum Öffnen und Schließen des Zellzweigs und der Bypass- zweig umfasst ein Überbrückungsschaltelement zum Öffnen und Schließen des Bypasszweigs. Zudem weist das Batteriesystem eine zellexterne Schal- tungsanordnung mit mehreren Schaltern zum Verschalten der Batteriezellen in unterschiedlichen Schaltungskonfigurationen auf. Das Batteriesystem umfasst zudem eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, zur Erfüllung wenigstens einer Anforderung sämtliche Schaltelemente und Über- brückungsschaltelemente der Batteriezellen zum Hinzuschalten und Über- brücken der galvanischen Zellen der Batteriezellen sowie sämtliche Schalter der zellexternen Schaltungsanordnung zum Herstellen der unterschiedlichen Schaltungskonfigurationen anzusteuern.
Unter einem Batteriesystem im Sinne der Erfindung ist grundsätzlich eine Zusammenschaltung mehrerer galvanischer Zellen beziehungsweise Ele- mente zu verstehen. Darunter können grundsätzlich sowohl Primärzellen als auch Sekundärzellen fallen. Das Batteriesystem ist vorliegend auch nicht nur auf den Einsatz in Kraftfahrzeugen beschränkt, sondern kann zur Energie- versorgung beliebiger Vorrichtungen eingesetzt werden. Bei den Batteriezel- len kann es sich auch um sogenannte Solid-State-Zellen und auch um her- kömmliche galvanische Zellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen oder dergleichen, handeln. Genauso kann es sich bei den Batteriezellen bei spielsweise auch um Brennstoffzellen handeln. Bei den Schaltelementen, Überbrückungsschaltelementen und Schaltern kann es sich um elektronische Schaltelementen handeln, also beispielsweise um Feldeffekttransistoren oder auch Dioden. Es kann sich dabei aber auch grundsätzlich um elektro- mechanische Schalter handeln, beispielsweise um Relais. Wesentlich bei den Schaltelementen, Überbrückungsschaltelementen und den Schaltern ist, dass diese die jeweiligen Zellzweige mit den galvanischen Zellen und By- passzweigen schalten können beziehungsweise zellextern jeweilige elektri- sche Verbindungen zwischen den Batteriezellen trennen und verbinden kön- nen.
Ein wesentlicher Aspekt bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem ist, dass sowohl der besagte Bypasszweig als auch die jeweiligen Schaltelemen- te beziehungsweise Überbrückungsschaltelemente der Zellzweige und By- passzweige direkt in den Batteriezellen, genauer innerhalb der Batteriezell- gehäuse, integriert angeordnet sind. Mittels des erfindungsgemäßen Batte- riesystems ist es möglich, einzelne Energieflüsse auf Zellebene zu kontrollie ren, die man mit konventionellen Methoden bislang nicht kontrollieren konn- te. Bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem ist es also nicht nur mög- lich, auf Modulebene oder auf Gesamtbatterieebene, sondern auch auf Zell- ebene einzugreifen. Grundsätzlich ist sowohl eine zentrale Steuerung des Hinzuschaltens und Überbrückens der Batteriezellen als auch eine dezentra- le Steuerung diesbezüglich möglich. Erst durch die Integration der Schalt- elemente und Überbrückungsschaltelemente in die jeweiligen Batteriezellge- häuse ist es so auf effektive Weise überhaupt möglich, auf Batteriezellebene die einzelnen Batteriezellen hinzuzuschalten und auch wegzuschalten. Mit tels des erfindungsgemäßen Batteriesystems ergeben sich somit ganz neue Möglichkeiten, welche bei konventionellen Batteriesystemen bislang gar nicht umsetzbar waren.
Zudem betrifft ein weiterer wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Batteriesystems die zellexterne Schaltungsanordnung mit den mehreren Schaltern zum Verschalten der Batteriezellen in unterschiedlichen Schal- tungskonfigurationen. Mittels der Steuereinrichtung des Batteriesystems ist es möglich, zur Erfüllung wenigstens einer Anforderung, zum Beispiel zur Erfüllung unterschiedlichster Leistungsanforderungen, die zellexterne Schal- tungsanordnung, also die jeweiligen Schalter der zellexternen Schaltungsan- ordnung, zum unterschiedlichen Verschalten der einzelnen Batteriezellen untereinander anzusteuern. Zudem kann die Steuereinrichtung auch die Schaltelemente und Überbrückungsschaltelemente, welche innerhalb der Batteriezellen angeordnet sind, ansteuern.
Mittels des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist es also möglich, einer- seits zellintern Stromflüsse beziehungsweise Energieflüsse zu kontrollieren und andererseits auch noch zellextern unterschiedlichste Stromflüsse bezie- hungsweise Zellkonfigurationen zu realisieren. Bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem ist es also auf besonders flexible Weise möglich, unterschied- lichsten Anforderungen gerecht zu werden, indem einerseits auf Zellebene und andererseits auf zellexterner Ebene verschiedenste Konfigurationen hinsichtlich der Verschaltung der Batteriezellen eingestellt werden können. Einzelne galvanische Zellen auf Batteriezellebene können so beispielsweise überbrückt oder hinzugeschaltet werden, wobei es zudem auch auf zellex- terner Ebene möglich ist, einzelne Batteriezellen, Module aus Batteriezellen und dergleichen in unterschiedlichsten Konfigurationen miteinander zu ver- schalten.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mehrere der Batteriezellen jeweils in Parallelschaltung zu jeweiligen Zellblöcken mitei- nander verschaltet sind, wobei mehrere der Zellblöcke, vorzugsweise in Reihenschaltung, zu jeweiligen Modulen miteinander verschaltet sind. Durch die Parallelschaltung der einzelnen Batteriezellen zu den jeweiligen Zellblö- cken ist es unter anderem auf Zellblock-Ebene möglich, relativ große Ströme und somit relativ große Leistungen bereitzustellen. Werden die Zellblöcke beispielsweise dann noch in Reihe miteinander verschaltet, kann je nach Bedarf ein entsprechend hohes Spannungslevel realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass meh- rere der Module jeweils in Reihe zu jeweiligen Modulzweigen verschaltet sind, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Schalter derart anzusteuern, dass zumindest ein Teil der Modulzweige in einer Reihenschal- tung und/oder in einer Parallelschaltung miteinander verschaltet sind. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, mit einer relativ geringen Anzahl an Schaltern der zellexternen Schaltungsanordnung die Modulzweige - je nach Bedarf - in Reihe oder auch parallel zu schalten. Werden beispielswei- se relativ hohe Ströme benötigt, ist es denkbar, dass die jeweiligen Modul- zweige beispielsweise streng in Parallelschaltung miteinander verschaltet werden. Sind hingegen beispielsweise nicht so hohe Ströme notwendig, wohingegen beispielsweise eine relativ hohe Spannung erforderlich ist, ist es beispielsweise auch möglich, die Modulzweige streng in Reihe miteinander zu verschalten. Mischformen sind natürlich je nach Leistungsanforderung und Spannungsanforderung auch möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Schalter derart anzusteuern, dass wenigstens einer der Modulzweige von den restli- chen Modulzweigen getrennt und damit deaktiviert wird. Tritt beispielsweise ein Defekt in einem der Module der Modulzweige auf, so ist es auf einfache Weise möglich, den betreffenden Modulzweig durch entsprechende Ansteue- rung des dafür geeigneten Schalters von den restlichen Modulzweigen zu trennen. Auf diese Weise, selbst bei einem Defekt bei einem der Modulzwei- ge, ist es also möglich, mittels des Batteriesystems noch risikofrei und damit problemlos Energie bereitzustellen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Schalter derart anzusteuern, dass ein Teil der Modulzweige zu einem ersten Teilsystem zum Bereitstellen einer ersten Spannung und ein anderer Teil der Modulzweige zu einem zwei- ten Teilsystem zum Bereitstellen einer zweiten Spannung verschaltet wer- den. Mit anderen Worten ist es also möglich, eine Art Selektionsschaltung bereitzustellen, mittels welcher dynamisch ein Teil der Modulzweige zu einer Art Nebenzweig des Batteriesystems verschaltbar ist. Insbesondere im Zu sammenhang mit einem vollautonomen Fahren von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen kann es vorgesehen sein, dass beispielsweise in einem Bordnetz in redundanter Weise zwei 12-Volt-Batterien vorgesehen werden sollen. Mittels des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist es somit möglich, eine dieser 12-Volt-Batterien einzusparen. Denn mittels der besagten Selek- tionsschaltung ist es möglich, dynamisch einen Teil der Modulzweige zu wenigstens einem Nebenzweig des Batteriesystems zu verschalten, mittels welchem die ansonsten erforderliche zweite 12-Volt-Batterie virtuell ersetzt beziehungsweise abgezweigt wird. Die Selektionsschaltung kann beispiels weise einen oder auch mehrere Multiplexer aufweisen, mittels welchen die einzelnen Modulzweige dynamisch in unterschiedlichen Konstellationen zu dem gesagten Nebenzweig, also zu dem zweiten Teilsystem, verschaltet werden können, welcher dann beispielsweise in einen DC/DC-Wandler mün- det, mittels welchem dann die entsprechend benötigte Bordnetzspannung bereitgestellt werden kann. Fällt also beispielsweise eine zur Versorgung des Bordnetzes vorhandene weitere Batterie aus, so ist es mittels des erfin- dungsgemäßen Batteriesystems möglich, diese ausgefallene Batterie zu ersetzen. Bauraum und ein entsprechendes Gewicht für die besagte Zusatz- batterie, beispielsweise in Form einer 12-Volt-Batterie oder auch einer 48- Volt-Batterie, kann somit eingespart werden. Dennoch wird insgesamt ein besonders ausfallsicheres Energiebereitstellungssystem ermöglicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Schalter derart zu steuern, dass das erste Teilsystem galvanisch vom zweiten Teilsystem getrennt ist. Unter galvanischer Trennung, auch galvanische Entkopplung genannt, versteht man das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen zwei Stromkreisen, zwischen denen Leistungen oder Signale ausgetauscht werden sollen. Die galvanische Trennung ist dort notwendig, wo sich Stromkreise in einem ge- meinsamen Gehäuse oder in einer vergleichbaren Funktionseinheit befinden und zumindest eine auf den anderen einwirken soll, sie dabei aber in ihren Bezugspotentialen getrennt bleiben müssen. Dadurch kann bei Bedarf das Batteriesystem besonders sicher ausgebildet werden. Es kann auch aus messtechnischen Gründen erfolgen, beispielsweise um eine Potentialtren- nung einer Spannungsversorgung von Messgeräten zu realisieren. Ferner ist es dadurch auch beispielsweise möglich, sogenannte Brummschleifen oder auch elektromagnetische Störungen zu verhindern. Ganz allgemein kann dadurch auch eine Entkopplung von Potentialdifferenzen erfolgen. Eine kon- sequent ausgeführte galvanische Trennung ist ein besonders wirksamer Schutz gegen elektromagnetische Störungen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die zellexterne Schaltungsanordnung so viele derart angeordnete Schalter aufweist, dass alle Module in beliebigen Kombinationen elektrisch leitend miteinander verbindbar und voneinander trennbar sind. Dadurch ergibt sich eine besonders große Variationsmöglichkeit hinsichtlich der Verschaltung der Module. Je nach Anforderungen an das Batteriesystem ist es also möglich, auf besonders flexible Weise drauf zu reagieren, indem die jeweiligen Schal- ter der zellexternen Schaltungsanordnung so angesteuert werden, dass die Module des Batteriesystems in einer gerade besonders günstigen Konstella- tion miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die zellinternen Schaltelemente und die Überbrückungsschaltelemente derart anzusteuern, dass einzelne Module überbrückt und somit deaktiviert werden. Es ist also auch möglich, die zellinternen Schaltelemente und Überbrückungsschaltelemente zu ver- wenden, um einzelne Module zu überbrücken und zu deaktivieren. Sind beispielsweise einzelne Module defekt, so kann die Steuereinrichtung die zellinternen Schaltelemente und Überbrückungsschaltelemente ansteuern, um diese defekten Module zu überbrücken und somit zu deaktivieren. Selbst wenn einzelne Module defekt sein sollten, kann das gesamte Batteriesystem also weiterhin problemlos zur Energieversorgung genutzt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die zellexterne Schaltungsanordnung so viele derart an- geordnete Schalter aufweist, dass alle Batteriezellen in beliebigen Kombina- tionen elektrisch leitend miteinander verbindbar und voneinander trennbar sind. In dem Fall ergibt sich eine maximale Flexibilität im Hinblick auf die Verschaltung der einzelnen Batteriezellen untereinander. So können bei spielsweise einzelne defekte Batteriezellen auf einfache Weise von dem restlichen Batteriesystem getrennt werden. Auch ist es möglich, je nach Anforderung die einzelnen Batteriezellen unterschiedlich in Reihe und paral- lel miteinander zu verschalten, um unterschiedlichsten Leistungsanforderun- gen und sonstigen Randbedingungen gerecht zu werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung je Batteriezelle eine Steuereinheit aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die jeweiligen Schaltelemente oder Berührungsschaltelemen- te der Batteriezellen zum Flinzuschalten oder Überbrücken der galvanischen Zellen anzusteuern. Bei diesen zellinternen Steuereinheiten kann es sich beispielsweise um Mikrocontroller handeln, welche dazu eingerichtet sind, je Batteriezelle die jeweiligen Schaltelemente und Überbrückungsschaltelemen- te anzusteuern. Die Intelligenz zum Ansteuern der Schaltelemente und Überbrückungsschaltelemente ist also vorzugsweise jeweils zellintern vorge- sehen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Batteriezellen jeweilige Sensoren zum Erfassen wenigstens eines Be- triebsparameters aufweisen, welche dazu ausgelegt sind, den Betriebspara- meter betreffende Daten an die Steuereinrichtung zu übertragen. Auf diese Weise ist es möglich, je Batteriezelle unterschiedlichste Betriebsparameter wie beispielsweise Spannungen, Ströme, Zellinnendrücke und dergleichen zu messen, wobei die Steuereinrichtung diese Betriebsparameter berück- sichtigen kann. Die einzelnen Batteriezellen können so auf zuverlässige Weise durchgehend überwacht werden, wobei im Bedarfsfall beispielsweise einzelne Batteriezellen von dem restlichen Batteriesystem getrennt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Batteriezellen jeweilige Kommunikationsmodule zum Austauschen von Daten zwischen den Batteriezellen und/oder mit der Steu- ereinrichtung umfassen. So ist es beispielsweise möglich, dass die einzelnen Batteriezellen untereinander ihre Betriebsparameter betreffende Daten aus- tauschen können, wobei in dem Fall, dass die Batteriezellen jeweilige zellin- terne Steuereinheiten, beispielsweise in Form von Mikrocontrollern, aufwei- sen, die einzelnen Batteriezellen sich zum Beispiel dezentral selber im Hin- blick auf das Zuschalten und Überbrücken der galvanischen Zellen ansteu- ern können. Die Kommunikationsmodule können beispielsweise dazu ausge- legt sein, die betreffenden Daten drahtlos auszutauschen. Ein drahtgebun- dener Austausch von Daten ist natürlich auch möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die unterschiedlichen Schaltungskon- figurationen in Abhängigkeit von zumindest einem der folgenden Anforde- rungen herzustellen:
defekte Batteriezellen, Zellblöcke und/oder Module sollen überbrückt und somit deaktiviert werden;
die Batteriezellen, Zellblöcke und/oder Module sollen gleichmäßig entladen oder beladen werden;
das Batteriesystem soll ein Entspannungsniveau einer Ladevorrich- tung angepasst werden;
die Batteriezellen sollen gleichmäßig altern;
eine Leistungsanforderung einer elektrischen Maschine, welche mit- tels des Batteriesystems mit Energie versorgbar ist, soll erfüllt werden.
Es ist also beispielsweise ohne Probleme möglich, defekte Batteriezellen, Zellblöcke oder ganze Module zu überbrücken und zu deaktivieren. Ferner ist es auch möglich, eine gleichmäßige Alterung auf Zellebene, Zellblock- ebene und/oder auf Modulebene sicherzustellen. Es ist auch möglich, das Batteriesystem gleichmäßig zu entladen oder zu laden. Wird das Batteriesys- tem beispielsweise in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug einge- setzt, so ist es auch möglich, ein Spannungsniveau des Batteriesystems an ein Spannungsniveau einer Ladevorrichtung anzupassen. Auf diese Weise kann das Batteriesystem besonders universell und an unterschiedlichen Ladevorrichtungen geladen werden. Ferner ist es auch möglich, je nach Leistungsanforderung einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Elektroantriebs eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen, die jeweils passende Schaltungskonfiguration beim Batteriesystem einzustellen. Wird beispiels- weise gerade besonders wenig Leistung benötigt, so ist es möglich, auf Zell- ebene, Zellblockebene oder auch auf Modulebene einzelne Elemente des Batteriesystems zeitweise zu überbrücken. Wird hingegen eine besonders hohe Leistungsanforderung gestellt, so ist es beispielsweise auch möglich, sämtliche Batteriezellen des Batteriesystems zur Energiebereitstellung be- ziehungsweise Leistungsbereitstellung miteinander zu verschalten.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst das erfindungsgemäße Batte- riesystem oder eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemä- ßen Batteriesystems oder einer vorteilhaften Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Batteriesystems steuert die Steuereinrichtung des Batterie- systems zur Erfüllung wenigstens einer Anforderung wenigstens ein Teil der Schaltelemente und Überbrückungsschaltelemente der Batteriezellen zum Hinzuschalten oder Überbrücken der galvanischen Zellen der Batteriezellen und/oder wenigstens einen Teil der Schalter der zellexternen Schaltungsan- ordnung zum Herstellen einer bestimmten Schaltungskonfiguration an. Vor- teilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umge- kehrt anzusehen, wobei das Batteriesystem insbesondere Mittel zur Durch- führung der Verfahrensschritte aufweist. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figu- renbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angege- benen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Allein stellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle, die einen
Zellzweig mit einer galvanischen Zelle und einen Bypasszweig zum Überbrücken der galvanischen Zelle sowie einen Mikro- controller, ein Kommunikationsmodul und einen Sensor auf- weist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung mehrerer Batteriezellen, die jeweils in Parallelschaltung zu Zellblöcken miteinander ver- schaltet sind, wobei mehrere der Zellblöcke in Reihenschaltung zu einem Modul miteinander verschaltet sind;
Fig. 3 eine weitere schematische Darstellung eines Moduls, welches mehrere der in Reihe miteinander verschalteten Zellblöcke auf- weist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems, wobei mehrere der Module jeweils in Reihe zu jeweiligen Modulzwei- gen verschaltet sind, die über eine zellexterne Schaltungsan- ordnung mit mehreren Schaltern in Reihe miteinander verschal- tet worden sind; Fig. 5 eine weitere schematische Darstellung des Batteriesystems, wobei mehrere der Modulzweige in Reihe miteinander verschal- tet sind; Fig. 6 eine weitere schematische Darstellung des Batteriesystems, wobei zwei der Modulzweige jeweils parallel miteinander ver- schaltet und die parallel verschalteten Modulzweige wiederum in Reihe miteinander verschaltet sind; Fig. 7 eine weitere schematische Darstellung des Batteriesystems, wobei einer der Modulzweige von den restlichen Modulzweigen getrennt und damit deaktiviert worden ist;
Fig. 8 eine weitere schematische Darstellung des Batteriesystems, wobei ein Teil der Modulzweige zu einem ersten Teilsystem zum Bereitstellen einer ersten Spannung und ein anderer Teil der Modulzweige zu einem zweiten Teilsystem zum Bereitstel- len einer zweiten Spannung verschaltet worden sind; Fig. 9 eine weitere schematische Darstellung des Batteriesystems, wobei einzelne Module deaktiviert worden und überbrückt wor- den sind;
Fig. 10 eine weitere schematische Darstellung des Batteriesystems, wobei die zellexterne Schaltungsanordnung des Batteriesys- tems so viele derart angeordnete Schalter aufweist, dass alle Module in beliebigen Kombinationen elektrisch leitend mitei- nander verbindbar und voneinander trennbar sind; und in Fig. 11 eine weitere schematische Darstellung des Batteriesystems, wobei die einzelnen Module des Batteriesystems matrixartig angeordnet dargestellt sind. In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
Eine Batteriezelle 10 ist in einer schematischen Darstellung in Fig. 1 gezeigt. Die Batteriezelle 10 umfasst ein Batteriezellgehäuse 12 mit elektrischen Anschlüssen 14, 16, über welche diese Batteriezelle 10 mit weiteren hier nicht dargestellten Batteriezellen 10 elektrisch leitend miteinander verbunden werden kann. Am Batteriezellgehäuse 12 ist ein die Anschlüsse 14, 16 ver- bindender Zellzweig 18 mit einer galvanischen Zelle 20 angeordnet. Bei der galvanischen Zelle 20 kann es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen- Zelle handeln. Grundsätzlich kann die Batteriezelle 10 unterschiedlichste Arten von galvanischen Zellen in dem Zellzweig 18 aufweisen.
In die Batteriezellgehäuse 12 ist zudem ein Bypasszweig 22 zum Überbrü- cken der galvanischen Zelle 20 angeordnet. Der Zellzweig 18 umfasst ein Schaltelement 24 zum Öffnen und Schließen des Zellzweigs 18. Der By- passzweig 22 umfasst ein Überbrückungsschaltelement 26 zum Öffnen und Schließen des Bypasszweigs 22.
Im Batteriezellgehäuse 12 ist zudem eine als Mikrocontroller ausgebildete Steuereinheit 28 angeordnet, welche dazu eingerichtet ist, das Schaltele- ment 24 und das Überbrückungsschaltelement 26 zum Öffnen beziehungs- weise zum Schließen anzusteuern. Des Weiteren umfasst die Batteriezelle 10 in ihrem Batteriezellgehäuse 12 einen oder mehrere Sensoren 30, welche dazu ausgelegt sind, unterschiedlichste Betriebsparameter der Batteriezelle 10 zu erfassen. So können beispielsweise Spannungen, Ströme, Zellinnen- drücke und dergleichen zellintern erfasst und an den Mikrocontroller 28 wei- tergeleitet werden. Dieser kann in Abhängigkeit von den jeweils erfassten Betriebsparametern durch Betätigung des Schaltelements 24 beziehungs- weise des Überbrückungsschaltelements 26 die galvanische Zelle 20 bei Bedarf überbrücken oder hinzuschalten. Zudem umfasst die Batteriezelle 10 ein Kommunikationsmodul 32. Das Kommunikationsmodul 32 kann unter- schiedlichste Daten, wie beispielsweise einen jeweiligen Schaltzustand des Schaltelements 24 beziehungsweise des Überbrückungsschaltelements 26 und auch mittels des Sensors 30 erfasste Betriebsparameter an andere Kommunikationsmodule 32 weiterer Batteriezellen 10 übertragen. Auch ist es möglich, dass das Kommunikationsmodul 32 die besagten Daten an eine übergeordnete Steuereinrichtung des Systems überträgt, in welchem eine Mehrzahl der Batteriezellen 10 verbaut ist.
In Fig. 2 ist ein Modul 34 schematisch dargestellt, wobei das Modul 34 meh- rere der Batteriezellen 10 aufweist. Die Batteriezellen 10 sind jeweils in Pa- rallelschaltung zu jeweiligen Zellblöcken 36 miteinander verschaltet. Die Zellblöcke 36 sind gemäß der vorliegenden Darstellung zudem in Reihen- schaltung zu dem Modul 34 miteinander verschaltet.
In Fig. 3 ist das Modul 34 in einer weiteren schematischen Ansicht darge- stellt. Das Modul 34 weist zwei Anschlüsse 38 auf, über welche das Modul 34 mit weiteren hier nicht dargestellten Modulen 34 verschaltet werden kann.
In Fig. 4 ist ein Batteriesystem 40 schematisch dargestellt, wobei das Batte- riesystem 40 mehrere der Module 34 aufweist. Ein Pluspol 42 und ein Mi- nuspol 44 des gesamten Batteriesystems 40 sind zudem nur schematisch angedeutet. Mehrere der Module 45 sind jeweils in Reihe zu jeweiligen Mo- dulzweigen 46 miteinander verschaltet. Das Batteriesystem 40 umfasst zu- dem eine zellexterne Schaltungsanordnung 48 mit mehreren Schaltern 50 zum unterschiedlichen Verschalten der Module 34 untereinander. Zudem umfasst das Batteriesystem 40 eine hier nur schematisch angedeutete Steu- ereinrichtung 52, welche dazu eingerichtet ist, zur Erfüllung wenigstens einer Anforderung die Schalter 50 der zellexternen Schaltungsanordnung 48 zum Fierstellen unterschiedlicher Schaltungskonfigurationen anzusteuern. Die Steuereinrichtung 52 kann also je nach Bedarf die Schalter 50 öffnen oder schließen, um die Module 34 beziehungsweise die Modulzweige 46 unter- schiedlich miteinander zu verschalten. Zu der Steuereinrichtung 52 können auch die im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnten, als Mikrocontroller ausge- bildeten zellinternen Steuereinheiten 28 gehören. Die Steuereinrichtung 52 ist also in dem Fall auch dazu eingerichtet, zur Erfüllung unterschiedlichster Anforderungen sämtlicher Schaltelemente 24 und Überbrückungsschaltele- mente 26 der einzelnen Batteriezellen 10 zum Hinzuschalten und Überbrü- cken der jeweiligen galvanischen Zellen 20 anzusteuern.
Gemäß der vorliegenden Darstellung in Fig. 4 wurden die einzelnen Schalter 50 mittels der Steuereinrichtung 52 so betätigt, dass die einzelnen Modul- zweige 46 in Reihe miteinander verschaltet worden sind.
In Fig. 5 ist das Batteriesystem 40 in einer weiteren schematischen Ansicht gezeigt, wobei die einzelnen Schalter 50 der zellexternen Schaltungsanord- nung 48 anders als in Fig. 4 geschlossen beziehungsweise geöffnet worden sind. Gemäß der vorliegenden Darstellung wurden die Schalter 50 so betä- tigt, dass die einzelnen Modulzweige 46 in Parallelschaltung zueinander verschaltet worden sind. Mit anderen Worten wird das Batteriesystem 40 gemäß der vorliegenden Darstellung also in einem Parallel-Modus betrieben. Die Voraussetzung dafür ist, dass die jeweiligen Spannungen der einzelnen Modulzweige 46 gleich sind.
In Fig. 6 ist das Batteriesystem 40 in einer weiteren schematischen Darstel- lung gezeigt, wobei die einzelnen Schalter 50 der zellexternen Schaltungs- anordnung 48 so betätigt worden sind, dass die linken beiden Modulzweige 46 und die rechten beiden Modulzweige 46 jeweils parallel miteinander ver- schaltet worden sind, wobei die parallel verschalteten Modulzweige 46 wie- derum miteinander in Reihe geschaltet worden sind.
In Fig. 7 ist das Batteriesystem 40 in einer weiteren schematischen Darstel- lung gezeigt. Im hier gezeigten fall wurden die Schalter 50 der zellexternen Schaltungsanordnung 48 so betätigt, dass die linken drei Modulzweige 46 in Reihe geschaltet worden sind, wobei der rechte Modulzweig 46 von dem restlichen Batteriesystem 40 getrennt und somit deaktiviert wurde. Hier wird also nur ein Teilsystem des Batteriesystems 40 zur Energieversorgung ver- wendet. Beispielsweise ist es denkbar, dass der rechte Modulzweig 46 oder einzelne Module 34 des rechten Modulzweigs 46 defekt sind. In dem Fall ist es möglich, beispielsweise den gesamten rechten Modulzweig 46 von dem restlichen Batteriesystem 40 zu trennen. Wird das Batteriesystem 40 bei- spielsweise zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebs eines Kraft- fahrzeugs verwendet, so ist es selbst bei Defekten an einzelnen Modulen 34 beziehungsweise bei Defekten an gesamten Modulzweigen 46 auch möglich, einen Teil des Batteriesystems 40 noch zur Energie- beziehungsweise Leis- tungsbereitstellung zu nutzen.
Das Batteriesystem 40 ist in Fig. 8 in einer weiteren schematischen Darstel- lung gezeigt. Die Steuereinrichtung 52 hat im hier gezeigten Fall die Schalter 50 so betätigt beziehungsweise angesteuert, dass ein Teil der Modulzweige 46 zu einem ersten Teilsystem 54 zum Bereitstellen einer ersten Spannung Ui und ein anderer Teil der Modulzweige 46, gemäß der vorliegenden Dar- stellung der rechte der Modulzweige 46, zu einem zweiten Teilsystem 56 zum Bereitstellen einer zweiten Spannung U2 verschaltet worden ist. Die Steuereinrichtung 52 kann die Schalter 50 zudem derart ansteuern, dass das erste Teilsystem 54 galvanisch vom zweiten Teilsystem 56 getrennt ist. Bei- spielsweise ist es denkbar, dass das Batteriesystem 40 in einem Elektrofahr- zeug eingesetzt wird. Im herkömmlichen Betrieb wird das Batteriesystem 40 einfach nur dazu verwendet, einen Elektroantrieb mit Energie zu versorgen. Eine weitere, hier nicht dargestellte Batterie, beispielsweise eine 12-Volt- Batterie oder auch eine 48-Volt-Batterie, wird dafür verwendet, ein restliches Bordnetz des Fahrzeugs mit Energie zu versorgen. Fällt nun diese zusätzli- che Batterie aus, so kann das Batteriesystem 40 durch entsprechende An- steuerung der Schalter 50 so konfiguriert werden, dass - gemäß der vorlie- genden Darstellung - der rechte Modulzweig 46 dafür verwendet wird, das Bordnetz mit Energie zu versorgen. Das zweite Teilsystem 56 dient also dazu, das Bordnetz mit Energie zu versorgen, wohingegen das erste Teilsys- tem 54 des Batteriesystems 40 weiterhin dafür verwendet werden kann, das Fahrzeug anzutreiben. Über die Schalter 50 wird also eine Art Selektions- schaltung realisiert, mittels welcher die Möglichkeit besteht, das Batteriesys- tem 40 in unterschiedliche Teilsysteme 54, 56 einzuteilen, welche unter- schiedliche Spannungen Ui, U2 bereitstellen können.
In Fig. 9 ist das Batteriesystem 40 in einer weiteren schematischen Darstel- lung gezeigt. Im hier gezeigten Fall sind einige der Module 34 vollständig oder teilweise defekt. Beispielsweise können einige der Batteriezellen 10 oder auch einzelne der Batteriezellen 10 in den Modulen 34 defekt sein. Um das Batteriesystem 40 weiterhin zur Energiebereitstellung nutzen zu können, wurden die defekten Module 34 überbrückt und damit deaktiviert. Beispiels- weise kann die Steuereinrichtung 52 die einzelnen als Mikrocontroller aus- gebildeten Steuereinheiten 28 (siehe Fig. 1 ) dazu veranlassen, in den defek- ten Modulen 34 die jeweiligen Bypasszweige 22 zu schließen und die Zell zweige zu öffnen, sodass die jeweiligen galvanischen Zellen 20 überbrückt werden. Mit anderen Worten werden in den defekten Modulen 34 also die jeweiligen Schaltelemente 24 der Zellzweige 18 geöffnet und die jeweiligen Überbrückungsschaltelemente 26 der Bypasszweige 22 geschlossen. Dadurch können einzelne defekte Batteriezellen 10 auf einfache Weise überbrückt und auf diese Weise ganze Module 34 überbrückt werden. Die restlichen Module 34 sind gemäß der vorliegenden Darstellung wiederum in Reihe zueinander verschaltet worden. Defekte oder auch kritische Betriebs- zustände der einzelnen Batteriezellen 10 kann beispielsweise durch die in den Zellen verbauten Sensoren 30 detektiert werden. Diesbezügliche Daten beziehungsweise Informationen können zwischen den einzelnen Batteriezel- len 10 ausgetauscht werden. Zudem ist es auch möglich, dass die Batterie- zellen 10 diesbezügliche Daten an die übergeordnete Steuereinrichtung 52 übertragen, welche basierend darauf dann entscheidet, welche der Module 34 überbrückt und somit deaktiviert werden sollen.
In Fig. 10 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des Batteriesystems 40 schematisch dargestellt. Die zellexterne Schaltungsanordnung 48 weist im hier gezeigten Fall so viele derart angeordnete Schalter 50 auf, dass alle Module 34 in beliebigen Kombinationen elektrisch leitend miteinander ver- bindbar und voneinander trennbar sind. Die Steuereinrichtung 52 kann also sämtliche Schalter 50 der zellexternen Schaltungsanordnung 48 je nach Bedarf öffnen und schließen. Zudem kann die Steuereinrichtung 52 wiede- rum auch die einzelnen Zellzweige 18 beziehungsweise Bypasszweige 22 der einzelnen Batteriezellen 10 durch entsprechende Betätigung bezie- hungsweise Ansteuerung der Schaltelemente 24 beziehungsweise Überbrü- ckungsschaltelemente 26 öffnen und schließen. Bei der hier gezeigten Aus- führungsform des Batteriesystems 40 bestehen noch größere Variationsmög- lichkeiten hinsichtlich der Konfiguration der Verschaltung der einzelnen Mo- dule 34, da so viele Schalter 50 derart angeordnet und vorgesehen sind, dass die einzelnen Module 34 in beliebigen Kombinationen miteinander in Reihe und parallel miteinander verschaltet werden können.
In Fig. 11 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des Batteriesystems 40 schematisch angedeutet. Die hier nicht näher bezeichnete zellexterne Schal- tungsanordnung 48 kann im hier gezeigten Fall so viele derart angeordnete Schalter 50 aufweisen, dass sämtliche Batteriezellen 10 des Batteriesystems 40 in beliebigen Kombinationen elektrisch leitend miteinander verbindbar und voneinander trennbar sind. Dadurch ergibt sich die maximal mögliche Vari- ierbarkeit hinsichtlich der Verschaltung der einzelnen Batteriezellen 10 un- tereinander.
Die Steuereinrichtung 52 ist in allen Ausführungsformen des Batteriesystems 40 dazu in der Lage, jeweils unterschiedliche Schaltungskonfigurationen auf Zellebene, auf Zellblockebene oder auch auf Modulebene in Abhängigkeit von unterschiedlichsten Anforderungen herzustellen. Beispielsweise können defekte Batteriezellen 10, einzelne defekte Zellblöcke 36 oder auch einzelne defekte Module 34 überbrückt und somit deaktiviert werden. Die Batteriezel- len 10, die Zellblöcke 36 und die Module 34 können auch gleichmäßig entla- den oder geladen werden, indem die zellinternen Schaltelemente 24 oder Überbrückungsschaltelemente 26 und/oder die Schalter 50 der zellexternen Schaltungsanordnung 48 entsprechend betätigt werden. Zudem ist es auch möglich, das Batteriesystem 40 an ein Spannungsniveau einer Ladevorrich- tung anzupassen. Wird das Batteriesystem 40 beispielsweise in einem Elekt- rofahrzeug verwendet, so kann durch entsprechende Verschaltung auf Zell- ebene, Zellblockebene oder auch Modulebene sichergestellt werden, dass das jeweilige Spannungsniveau des Batteriesystems 40 zu einer ganz be- stimmten Ladevorrichtung passt, welche gerade mit dem Kraftfahrzeug ange- fahren wird. Zudem ist es auch möglich, die Verschaltung auf Zellebene, Zellblockebene und/oder Modulebene so vorzunehmen, dass die einzelnen Batteriezellen 10 gleichmäßig altern. Ferner ist es auch möglich, dynamisch auf eine jeweilige Leistungsanforderung einer elektrischen Maschine, welche mittels des Batteriesystems 40 mit Energie versorgt werden soll, zu reagie- ren. Wird das Batteriesystem 40 beispielsweise zum Antreiben eines Elektro- fahrzeugs verwendet, so ist es beispielsweise möglich, je nach Gaspedalstel- lung die Batteriezellen 10, die Zellblöcke 36 oder die Module 34 bedarfsge- recht zu verschalten. Insgesamt ergibt sich durch das erläuterte Batteriesys- tem 40 die Möglichkeit, das Batteriesystem 40 an unterschiedlichste Rand- bedingungen anzupassen, um einerseits externen Leistungsanforderungen zu genügen und andererseits einen besonders zuverlässigen und langlebi- gen Betrieb des Batteriesystems 40 zu ermöglichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
Batteriesystem (40), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere Batteriezellen (10), die jeweilige Batteriezellgehäuse (12) mit elektrischen Anschlüssen (14, 16) aufweisen, über welche die Batterie- zellen (10) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei in den Batte- riezellgehäusen (12) jeweils ein die Anschlüsse (14, 16) verbindender Zellzweig (18) mit einer galvanischen Zelle (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
in den Batteriezellgehäusen (12) jeweils ein Bypasszweig (22) zum Überbrücken der jeweiligen galvanischen Zelle (20) angeord- net ist;
jeder Zellzweig (18) ein Schaltelement (24) zum Öffnen und Schließen des Zellzweigs (18) und jeder Bypasszweig (22) ein Überbrückungsschaltelement (26) zum Öffnen und Schließen des Bypasszweigs (22) aufweist;
das Batteriesystem (40) eine zellexterne Schaltungsanordnung (48) mit mehreren Schaltern (50) zum Verschalten der Batteriezel- len (10) in unterschiedlichen Schaltungskonfigurationen aufweist; das Batteriesystem (40) eine Steuereinrichtung (52) aufweist, wel- che dazu eingerichtet ist, zur Erfüllung wenigstens einer Anforde- rung sämtliche Schaltelemente (24) und Überbrückungsschalt- elemente (26) der Batteriezellen (10) zum Hinzuschalten und Überbrücken der galvanischen Zellen (20) der Batteriezellen (10) sowie sämtliche Schalter (50) der zellexternen Schaltungsanord- nung (48) zum Herstellen der unterschiedlichen Schaltungskonfi- gurationen anzusteuern.
Batteriesystem (40) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere der Batteriezellen (10) jeweils in Parallelschaltung zu jeweili gen Zellblöcken (36) miteinander verschaltet sind, wobei mehrere der Zellblöcke (36), vorzugsweise jeweils in Reihenschaltung, zu jeweiligen Modulen (34) miteinander verschaltet sind. Batteriesystem (40) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere der Module (34) jeweils in Reihe zu jeweiligen Modulzweigen (46) verschaltet sind, wobei die Steuereinrichtung (52) dazu eingerichtet ist, die Schalter (50) derart anzusteuern, dass zumindest ein Teil der Modulzweige (46) in einer Reihenschaltung und/oder in einer Parallel- schaltung miteinander verschaltet sind.
Batteriesystem (40) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (52) dazu eingerichtet ist, die Schalter (50) derart anzusteuern, dass wenigstens einer der Modulzweige (46) von den restlichen Modulzweigen (46) getrennt und damit deaktiviert wird.
Batteriesystem (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (52) dazu eingerichtet ist, die Schalter (50) derart anzusteuern, dass ein Teil der Modulzweige (46) zu einem ersten Teil- system (54) zum Bereitstellen einer ersten Spannung (Ui) und ein an- derer Teil der Modulzweige (46) zu einem zweiten Teilsystem (56) zum Bereitstellen einer zweiten Spannung (U2) verschaltet werden.
Batteriesystem (40) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (52) dazu eingerichtet ist, die Schalter (50) derart anzusteuern, dass das erste Teilsystem (54) galvanisch vom zweiten Teilsystem (56) getrennt ist.
Batteriesystem (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zellexterne Schaltungsanordnung (48) so viele derart angeordnete Schalter (50) aufweist, dass alle Module (34) in beliebigen Kombinatio- nen elektrisch leitend miteinander verbindbar und voneinander trennbar sind.
8. Batteriesystem (40) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (52) dazu eingerichtet ist, die zellinternen Schalt- elemente (24) und Überbrückungsschaltelemente (26) derart anzugeu- ern, dass einzelne Module (34) überbrückt und somit deaktiviert wer- den.
9. Batteriesystem (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zellexterne Schaltungsanordnung (48) so viele derart angeordnete Schalter (50) aufweist, dass alle Batteriezellen (10) in beliebigen Kom- binationen elektrisch leitend miteinander verbindbar und voneinander trennbar sind.
10. Batteriesystem (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (52) je Batteriezelle (10) eine Steuereinheit (28) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die jeweiligen Schaltelemente (24) und Überbrückungsschaltelemente (26) der Batteriezellen (10) zum Hinzuschalten und Überbrücken der galvanischen Zellen (20) anzu- steuern.
11. Batteriesystem (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batteriezellen (10) jeweilige Sensoren (30) zum Erfassen wenigs- tens eines Betriebsparameters aufweisen, welche dazu ausgelegt sind, den Betriebsparameter betreffende Daten an die Steuereinrichtung (52) zu übertragen.
12. Batteriesystem (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batteriezellen (10) jeweilige Kommunikationsmodule (32) zum Aus- tauschen von Daten zwischen den Batteriezellen (10) und/oder mit der Steuereinrichtung (52) umfassen.
13. Batteriesystem (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (52) dazu eingerichtet ist, die unterschiedlichen Schaltungskonfigurationen in Abhängigkeit von zumindest einem der folgenden Anforderungen herzustellen:
- defekte Batteriezellen (10), Zellblöcke (36) und/oder Module (34) sollen überbrückt und somit deaktiviert werden;
- die Batteriezellen (10), Zellblöcke (36) und/oder Module (34) sol- len gleichmäßig entladen oder geladen werden;
- das Batteriesystem (40) soll an ein Spannungsniveau einer La- devorrichtung angepasst werden;
- die Batteriezellen (10) sollen gleichmäßig altern;
- eine Leistungsanforderung einer elektrischen Maschine, welche mittels des Batteriesystems (40) mit Energie versorgbar ist, soll erfüllt werden. 14. Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (40) nach einem der vorherge- henden Ansprüche.
15. Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem die Steuereinrichtung (52) des Batte- riesystems (40) zur Erfüllung wenigstens einer Anforderung wenigstens einen Teil der Schaltelemente (24) und Überbrückungsschaltelemente (26) der Batteriezellen (10) zum Hinzuschalten oder Überbrücken der galvanischen Zellen (20) der Batteriezellen (10) und/oder wenigstens einen Teil der Schalter (50) der zellexternen Schaltungsanordnung (48) zum Herstellen einer bestimmten Schaltungskonfigurationen ansteuert.
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