WO2022175516A1 - Battery and battery system for electric and hybrid vehicles - Google Patents

Battery and battery system for electric and hybrid vehicles Download PDF

Info

Publication number
WO2022175516A1
WO2022175516A1 PCT/EP2022/054226 EP2022054226W WO2022175516A1 WO 2022175516 A1 WO2022175516 A1 WO 2022175516A1 EP 2022054226 W EP2022054226 W EP 2022054226W WO 2022175516 A1 WO2022175516 A1 WO 2022175516A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery
balancing
connection
batteries
section
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/054226
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marc Hartmeyer
Original Assignee
Webasto SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Webasto SE filed Critical Webasto SE
Publication of WO2022175516A1 publication Critical patent/WO2022175516A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/22—Balancing the charge of battery modules
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/441—Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/10—Batteries in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery and a battery system, in particular for use as a traction battery for an electric or hybrid vehicle and/or for use in stationary storage applications.
  • Battery systems for electric and hybrid vehicles as well as vehicles with fuel cells are the subject of current research and development. It is known to connect individual batteries in parallel and/or in series via switches, such as relays or semiconductor switches, for operation in a combined battery in order to increase the total energy and/or power.
  • switches such as relays or semiconductor switches
  • FIG. 1 shows an exemplary combination of several (individual) batteries 10, which are preferably high-voltage batteries (HV batteries), to form a combined battery, which is referred to as battery system 1 herein.
  • HV batteries high-voltage batteries
  • four batteries 10 are partly connected in parallel and partly in series in a main network 11 .
  • the main network 11 includes a main current path with a first line 11a and a second line 11b at different potentials, the battery system 1 being connected via the main current path to a power supply and/or load, not shown in the figures.
  • the batteries 10 can be separated from one another via relays (not shown here).
  • Increasing voltage differences of the batteries 10 in the partially or completely disconnected state are usually unavoidable, since the batteries 10 discharge at different rates due to temperature differences, for example, have different internal parallel resistances or are exposed to different charging/discharging processes in the partially connected state.
  • the energy in the overall system is limited to the state of charge (SOC) of the weakest battery.
  • the different states of charge of the individual batteries 10 lead to a parallel and serial imbalance in the battery system 1 .
  • the battery 10 with the highest voltage across the consumer for example a vehicle
  • the battery 10 with the lowest voltage can be discharged to level with the other batteries 10 in the event of a parallel imbalance. This also works when charging, here the batteries 10 with the lowest voltage are switched on first.
  • the state of charge can be equalized, for example, by specifically discharging the batteries with a higher voltage using what is known as cell balancing in the battery management system (BMS). All battery cells in the relevant battery 10 are discharged to the required voltage via cell balancing.
  • BMS battery management system
  • An object of the present invention is to provide an improved battery and an improved battery system, in particular for use as a traction battery for an electric or hybrid vehicle and/or for stationary storage applications.
  • the battery according to the invention can be interconnected with other such batteries in a particularly simple manner, for example in order to increase the total energy and/or power of the resulting battery system.
  • the battery is therefore preferably used as a traction battery or part of one for an electric or hybrid vehicle, particularly in the commercial vehicle sector (buses, trucks, tractors, crane trucks, construction machinery, tractors, etc.).
  • Such a battery can also be used to construct a battery system for stationary applications, for example for storage applications in households or for industrial applications.
  • the battery includes a battery section that has at least one battery module with at least one battery cell.
  • a number of battery modules each with a number of battery cells, are provided and combined in the battery section of the battery.
  • the battery cells are, for example, cylindrical in shape and arranged next to one another in a grid-like manner, aligned in parallel. However, prismatic battery cells or pouch cells can also be used.
  • the battery cells are usually held in a sandwich-like manner by a module base plate and a module cover plate, which, in addition to the mechanical function of combining and fixing the battery cells into corresponding battery modules, can also carry out the electrical wiring of the battery cells.
  • the battery section also has a main connection connected to the battery module(s), via which the battery can be connected to a load and/or a power supply. The battery can be integrated into a main network via the main connection.
  • the battery is then connected to a battery system together with another battery via the main connection in order to provide energy for the respective consumer.
  • connection usually refers to an electrical connection, which can include a mechanical connection, although this does not necessarily have to be the case, at least in the case of electronic control or signal connections.
  • the proposed battery also includes a balancing section, which is connected to the battery section via a balancing path (electrically) and one from the main connection has a separate balancing connection.
  • the balancing connection differs accordingly from the main connection, ie they are not designations for the same connection.
  • connection of the balancing section to the battery section therefore creates an electrical connection between the battery cells of the battery section and the balancing section.
  • the balancing connections can be used to connect and switch multiple batteries in a balancing network, which differs from the main network, for example to supply a load, in parallel and/or in series, in order to compensate for voltage differences or charge differences between the batteries.
  • a balancing can preferably also or exclusively be carried out when the respective battery sections are switched off, i.e. outside of the regular charging or power output mode via the main network.
  • the interconnection of batteries to form a battery system is made significantly easier if the batteries are each equipped with a balancing section as proposed here.
  • the full operational readiness of the resulting battery system can be ensured much better.
  • the main circuit for example the vehicle, does not have to be switched on for balancing, i.e. adjusting the voltage or charge status of the different batteries, and can therefore remain voltage-free.
  • Parallel and serial imbalances can be eliminated simultaneously.
  • Impulse currents are eliminated or at least minimized, which means that balancing puts less stress on the battery cells and components. For example, charge balancing occurs in minutes instead of seconds, resulting in improved component durability and reliability.
  • the battery is preferably an HV battery (high-voltage battery), the main connection and/or balancing connection being an HV connection (high-voltage connection) in this case, which means that the battery is suitable as a traction battery.
  • the main connection and/or the balancing connection are preferably integrated into HVIL monitoring (high-voltage interlock monitoring) in order to ensure protection against accidental contact.
  • An HVIL includes a separate signal circuit or a pilot line, which is monitored by a monitoring unit, and provides signal contacts at all connections, which can be designed as plugs or sockets, for example. By connecting a correspondingly complementary connection to the respective plugs or sockets, the signal contacts are closed and the signal circuit is thus closed.
  • the main connection and/or balancing connection preferably includes a plug-in connection, which enables the batteries to be connected together quickly and safely, with the plug-in connection of the main connection preferably being provided separately from the plug-in connection of the balancing connection.
  • the main connection and the separate balancing connection can also be combined in a common plug.
  • the balancing section preferably includes a current limiter which is arranged in the balancing path between the battery section and the balancing connection.
  • the current limiter is set up to equalize different states of charge when several batteries are interconnected via the respective balancing connections.
  • the current limiter is preferably set up in such a way that the charge states are equalized with controlled, in particular comparatively low, currents.
  • the current limiter preferably includes a resistor in the balancing path, as a result of which current limitation is implemented in a structurally simple and reliable manner.
  • the balancing section only includes the balancing connection, a two-pole switch controlled by the BMS and any fuse. The actual current limitation then takes place externally, for example in a conditioning device.
  • the current limiter preferably includes a thermal regulation.
  • the thermal regulation is realized by a thermal shutdown.
  • the thermal control is preferably in communication with the switch to switch it on when needed.
  • the communication or triggering of the switch can be wired or wireless.
  • a thermal control in the balancing section is helpful in order not to design the electrical/electronic components for the highest possible operating point have to. Alternatively or additionally, this function can be taken over by a battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the current limiter preferably includes an overvoltage cut-off, which is particularly helpful when operating with batteries connected in series.
  • the overvoltage shutdown is preferably in communication with the switch to switch it when needed.
  • the communication or triggering of the switch can be wired or wireless. Additionally or alternatively, this function can also be taken over by the BMS.
  • the current limiter preferably includes a fuse, which is particularly preferably designed as a safety fuse or a pyrofuse or pyro fuse.
  • the fuse protects the battery's electrical system in the event of a short circuit.
  • the balancing section preferably includes a switch that is set up to open or close the balancing path between the battery section and the balancing connection.
  • the balancing connection can be switched on or off via the switch as required, which means that balancing operation and regular operation can be separated from one another.
  • the switch can preferably be controlled via the BMS.
  • the switch preferably comprises at least one relay and/or a relay-semiconductor combination in order to implement a reliable electronic remote control of the switch.
  • the switch is preferably a two-pole switch set up to synchronously open or close the first line and second line of the balancing path. If one pole of the switch is made of a semiconductor, pulse-pause control (PWM) can be implemented.
  • PWM pulse-pause control
  • a maximum temperature can be regulated via a PWM. This can be compensated for as quickly as possible over a wide working range (voltage differences).
  • the batteries are preferably interconnected via their main power connections in a main network, as a result of which a powerful or high-energy overall battery is provided in a simple manner and configurable as required.
  • the main network can be connected or is connected to a load, for example the electric motor of a vehicle, and/or a power supply, for example for charging the battery system.
  • the batteries - in addition to or as an alternative to the main network - are interconnected, i.e. connected to one another, via their balancing connections in a balancing network that differs from the main network.
  • the battery system can also be charged or discharged with low current.
  • a desired state of charge can thus be set in a gentle manner, for example 50% when the battery system is not used (overwintering) or 100% for maximum energy.
  • the balancing network is preferably connected to a conditioning device that is set up to bring the batteries to a predetermined, i.e. desired, state of charge via their balancing connections.
  • the conditioning device can comprise a charger and/or discharger which can be connected or is connected to a power supply.
  • the conditioning device can differ from a normal charging device, for example a wall box, can be implemented by such a device or can be integrated into such a device.
  • the battery system preferably forms a traction battery for an electric or hybrid vehicle, with the flexibility provided here being particularly suitable for high performance requirements, such as those made in the field of commercial vehicles (buses, trucks, tractor units, crane trucks, tractors and the like).
  • FIG. 1 schematically shows a battery system with batteries connected in parallel and in series in a main network
  • FIG. 2 shows schematically the structure of a battery with a balancing section which includes a current limiter and a balancing connection;
  • FIG. 3 schematically shows the structure of an exemplary balancing section
  • FIG. 4 schematically shows a battery system with batteries connected in parallel and in series in a main network and a balancing network
  • FIG. 2 shows in a schematic way the construction of an improved battery 10, which can be used for the installation of a battery system 1, for example according to FIG. 1, the above description of which is incorporated herein.
  • the battery system 1 is preferably used as a traction battery for an electric or hybrid vehicle and/or as a stationary storage application.
  • the modular batteries 10 are preferably HV batteries.
  • a plurality of batteries 10 that are positioned at different positions in the vehicle are often connected together to form such a battery system 1 .
  • the batteries 10 can be arranged, for example, in the underbody, in the front of the vehicle and/or in the rear of the vehicle.
  • the battery 10 has a battery housing 12 which is preferably designed to be fluid-tight.
  • the battery 10 also includes a battery section 20 which is arranged in the battery housing 12 and which can have the structure of a conventional battery.
  • the battery section 20 thus comprises at least one, but preferably a plurality of battery modules 21 with usually a plurality of battery cells, which are not shown in the figures for the sake of clarity.
  • the battery cells are, for example, cylindrical in shape and arranged in a grid-like manner next to one another, aligned in parallel, for example in the structure of closest circular packing (seen in cross-section relative to the longitudinal extension of the battery cells).
  • the battery cells are preferably held in a sandwich-like manner by a module base plate and a module cover plate which, in addition to the mechanical function of combining and fixing the battery cells into battery modules 21, can also carry out the electrical wiring of the battery cells.
  • the battery portion 20 may further include a connector portion 22 that physically brings leads and/or connectors together, for example.
  • the connection section 22 can alternatively or additionally have sensors, electronics and/or a complete or partial battery control.
  • the connection section 22 can include a battery management system BMS 24 (cf. FIG. 3) or can communicate with one.
  • the BMS 24 takes over the electronic control of the battery 10 or subtasks of the same.
  • a BMS 24 can also be part of the battery system 1, can be implemented externally, centrally or decentrally, with software or in some other way.
  • the battery section 20 is also equipped with a main connection 23, via which the battery 10 can be integrated into the main network 11 and thus connected to the lines 11a, 11b of the main current path.
  • the battery 10 can thus be connected to a load and/or a power supply on its own or as part of the battery system 1 .
  • the main connection 23 is preferably an HV connection and designed as a corresponding plug connection.
  • the proposed battery 10 has a balancing section 30, which provides a balancing or compensating function, whereby voltages or charges when several batteries 10 are connected together to form the battery system 1 can be balanced with one another in a gentle manner.
  • the balancing section 30 is connected to the battery section 20 via a balancing path 13 comprising a first line 13a and a second line 13b.
  • the balancing path 13 is present with all battery cells connected - for example, the first line 13a can be connected to the positive HV path of the battery section 20 and the second line 13b can be connected to the negative HV path of the battery section 20.
  • the balancing section 30 includes a balancing connection 31 which, like the main connection 23 , is preferably an HV connection, but is designed separately from the main connection 23 .
  • the balancing connection 31 provides an additional connection via which all the batteries 10 of the battery system 1 or a subset thereof can be connected to one another in a current-limited manner.
  • the balancing section 30 includes a current limiter 32 in the balancing path 13 and optionally a switch 33 that is set up to open, i.e. to interrupt or close, the balancing path 13 in the battery 10 .
  • the voltages or charges can equalize in a current-limited manner via the interposed current limiters 32.
  • the main connection 23 and/or the balancing connection 31 are preferably implemented via respective plug connections in order to enable the batteries 10 to be connected together quickly and safely. Furthermore, the main connection 23 and/or the balancing connection 31 are preferably integrated into HVIL monitoring (high-voltage interlock monitoring) in order to ensure protection against accidental contact.
  • HVIL monitoring high-voltage interlock monitoring
  • An HVIL includes a separate signal circuit or a pilot line, which is monitored by a monitoring unit, and provides signal contacts at all connections, which can be designed as plugs or sockets, for example. By connecting a correspondingly complementary connection to the respective plugs or sockets, the signal contacts are closed and the signal circuit is thus closed. In this way it can be determined whether complementary sockets and plugs are plugged into all plugs and sockets and the system is therefore safe to touch. Accordingly, it can be monitored that there are no open ends that could endanger people.
  • the current limiter 32 can be in the form of a simple resistor 32a or can include one, as shown in the exemplary embodiment in FIG.
  • the current limiter 32 also preferably includes a thermal controller 32b, which in the structurally simplest case is implemented by thermal shutdown. Such a thermal regulation 32b is helpful in order not to have to design the electrical/electronic components for the highest possible operating point. Alternatively or additionally, this function can be taken over by the BMS 24.
  • the current limiter 32 includes an overvoltage shutdown 32c, which is particularly useful when operating with batteries 10 connected in series. Additionally or alternatively, this function can also be taken over by the BMS 24.
  • the balancing connection 31 can be switched off via the above-mentioned switch 33 .
  • the switch 33 is preferably a two-pole switch, such as a relay or a relay-semiconductor combination, which synchronously opens or closes the lines 13a, 13b of the balancing path 13. If one pole of the switch 33 is designed with a semiconductor, pulse-pause control (PWM) can be implemented and it can also be used to control a maximum possible temperature. This can be compensated for as quickly as possible over a wide working range (voltage differences).
  • PWM pulse-pause control
  • the control of the switch 33 via the BMS 24, the thermal regulation 32b and/or the overvoltage shutdown 32c can be effected wirelessly or by wire via corresponding signal paths, identified by dotted arrows in FIG.
  • the current limiter 32 preferably includes a fuse 32d, which is designed, for example, as a safety fuse or pyrofuse, which protects in both directions in the event of a short circuit.
  • the balancing connections 31 of the individual batteries 10 are preferably connected via a simple cable, for example as a daisy chain or series connection, which is routed from one balancing connection to the next.
  • a connection can also be implemented via a bus system.
  • the balancing section 30 comprises only the balancing connection 31, a two-pole switch 33 controlled by the BMS 24 and the fuse 32d. The current limitation then takes place externally.
  • the batteries 10 can optionally be brought to a specific state of charge via the balancing connection 31 .
  • the balancing connections 31 of the batteries 10 can be switched as in the example in FIG. 4 and connected to a conditioning device 40 .
  • the conditioning device 40 comprises a charger 41, which can be connected or is connected to the power supply of a suitable power grid, and/or a discharger 42. If the conditioning device 40 is connected to the balancing connections 31 of the batteries 10 via a balancing network 43, a specific state of charge can be achieved of the entire system can be set, for example 50% when not in use (hibernation) of the battery system 1 or 100% for maximum energy.
  • the interconnection of batteries 10 to form a battery system 1 is made significantly easier if the batteries 10 are each equipped with a balancing section 30 .
  • the full operational readiness of the battery system 1 can be ensured much better.
  • the main circuit for example the vehicle, does not have to be switched on for balancing, i.e. adjusting the voltage or charge status, and can therefore remain voltage-free.
  • Parallel and serial imbalances can also be eliminated simultaneously.
  • Impulse currents are eliminated or minimized, making balancing less stressful on battery cells and components. For example, charge equalization occurs in minutes instead of seconds, resulting in increased longevity and reliability of the components.
  • the battery system 1 can also be charged or discharged with a low current. A desired state of charge can thus be set in a gentle manner.
  • the discharger 42 can also include a current limiter, via which the batteries 10 can be discharged or recharged in a current-limited manner.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Disclosed is a battery (10), preferably for use as a traction battery for an electric or hybrid vehicle, comprising: a battery portion (20) having at least one battery module (21) that includes at least one battery cell, and having a main terminal (23) which is connected to the battery module (21) and via which the battery (10) can be connected to a load and/or a power supply; and a balancing portion (30) having a current limiter (32) that is connected to the battery portion (20) via a balancing path (13), and having a balancing terminal (31) which is connected to the current limiter (32) and is separate from the main terminal (23).

Description

Batterie und Batteriesystem für Elektro- und Hybridfahrzeuge Battery and battery system for electric and hybrid vehicles
Technisches Gebiet technical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie und ein Batteriesystem, insbesondere zur Verwendung als Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug und/oder zur Anwendung in stationären Speicheranwendungen. The present invention relates to a battery and a battery system, in particular for use as a traction battery for an electric or hybrid vehicle and/or for use in stationary storage applications.
Stand der Technik State of the art
Batteriesysteme für Elektro- und Hybridfahrzeuge sowie Fahrzeuge mit Brennstoffzellen sind Gegenstand aktueller Forschung und Entwicklung. Es ist bekannt, einzelne Batterien über Schalter, etwa Relais oder Halbleiterschalter, zum Betrieb in einer kombinierten Batterie parallel und/oder seriell zusammenzuschalten, um die Gesamtenergie und/oder Leistung zu erhöhen. Battery systems for electric and hybrid vehicles as well as vehicles with fuel cells are the subject of current research and development. It is known to connect individual batteries in parallel and/or in series via switches, such as relays or semiconductor switches, for operation in a combined battery in order to increase the total energy and/or power.
Die Figur 1 zeigt eine beispielhafte Zusammenfassung mehrerer (Einzel-) Batterien 10, die vorzugsweise Hochvoltbatterien (HV-Batterien) sind, zu einer kombinierten Batterie, die hierin als Batteriesystem 1 bezeichnet ist. Im Beispiel der Figur 1 sind vier Batterien 10 in einem Hauptnetz 11 teils parallel, teils in Reihe geschaltet. Das Hauptnetz 11 umfasst einen Hauptstrompfad mit einer ersten Leitung 11a und einer zweiten Leitung 11b auf unterschiedlichen Potentialen, wobei das Batteriesystem 1 über den Hauptstrompfad mit einer in den Figuren nicht gezeigten Stromversorgung und/oder Last verbunden ist. Die Batterien 10 sind über hier nicht gezeigte Relais voneinander trennbar. FIG. 1 shows an exemplary combination of several (individual) batteries 10, which are preferably high-voltage batteries (HV batteries), to form a combined battery, which is referred to as battery system 1 herein. In the example of FIG. 1, four batteries 10 are partly connected in parallel and partly in series in a main network 11 . The main network 11 includes a main current path with a first line 11a and a second line 11b at different potentials, the battery system 1 being connected via the main current path to a power supply and/or load, not shown in the figures. The batteries 10 can be separated from one another via relays (not shown here).
Zunehmende Spannungsdifferenzen der Batterien 10 im teilweise oder vollständig getrennten Zustand sind in der Regel nicht zu vermeiden, da die Batterien 10 sich beispielsweise durch Temperaturunterschiede unterschiedlich schnell entladen, verschiedene innere Parallelwiderstände aufweisen oder im teilverbundenen Zustand unterschiedlichen Ladungs-/Entladungsprozessen ausgesetzt sind. Die Energie im Gesamtsystem ist auf den Ladezustand (SOC) der schwächsten Batterie begrenzt. Increasing voltage differences of the batteries 10 in the partially or completely disconnected state are usually unavoidable, since the batteries 10 discharge at different rates due to temperature differences, for example, have different internal parallel resistances or are exposed to different charging/discharging processes in the partially connected state. The energy in the overall system is limited to the state of charge (SOC) of the weakest battery.
Die unterschiedlichen Ladezustände der einzelnen Batterien 10 führen im Batteriesystem 1 zu einer parallelen und seriellen Imbalance. Um eine Angleichung der Ladezustände der Batterien 10 beim Zusammenschalten zu erreichen, kann im Fall einer parallelen Imbalance die Batterie 10 mit der höchsten Spannung über den Verbraucher, beispielsweise ein Fahrzeug, auf Gleichstand mit den anderen Batterien 10 entladen werden. Dies gelingt auch beim Laden, hier werden die Batterien 10 mit der niedrigsten Spannung zuerst zugeschaltet. Im Fall einer seriellen Imbalance lässt sich eine Angleichung der Ladezustände beispielsweise überdas gezielte Entladen der Batterien mit höherer Spannung überdas sogenannte Cellbalancing im Batterie-Management-System (BMS) erreichen. Dabei werden alle Batteriezellen in der betreffenden Batterie 10 über das Cellbalancing auf die notwendige Spannung entladen. The different states of charge of the individual batteries 10 lead to a parallel and serial imbalance in the battery system 1 . In order to equalize the states of charge of the batteries 10 when To achieve interconnection, the battery 10 with the highest voltage across the consumer, for example a vehicle, can be discharged to level with the other batteries 10 in the event of a parallel imbalance. This also works when charging, here the batteries 10 with the lowest voltage are switched on first. In the event of a serial imbalance, the state of charge can be equalized, for example, by specifically discharging the batteries with a higher voltage using what is known as cell balancing in the battery management system (BMS). All battery cells in the relevant battery 10 are discharged to the required voltage via cell balancing.
Die vorstehend genannten Strategien haben jedoch Nachteile. So ist im Fall der parallelen Imbalance ab einer gewissen Spannungsdifferenz (beispielsweise 4V) ein direktes Wiederverbinden aufgrund der dann zu hohen Ausgleichsströme nicht mehr möglich. Sind die Innenwiderstände der Batterien 10 sehr klein, etwa aufgrund einer dominierenden Parallelschaltung, hoher Temperatur oder der Verwendung von Hochleistungszellen, kann die maximale Zuschaltspannung schon im Bereich der üblichen Messungenauigkeit des BMS liegen. Ein Balancing ist dann nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Das Zuschalten mit hohen Stromspitzen lässt zudem die Schütze schneller altern. Je nach Konfiguration kann dann die angestrebte Lebensdauer nicht erreicht werden. However, the above strategies have disadvantages. In the case of a parallel imbalance, a direct reconnection is no longer possible from a certain voltage difference (e.g. 4V) because the equalizing currents are then too high. If the internal resistances of the batteries 10 are very low, for example due to a dominant parallel connection, high temperature or the use of high-performance cells, the maximum connection voltage can already be in the range of the usual measurement inaccuracy of the BMS. Balancing is then not possible or only possible to a very limited extent. Switching on with high current peaks also causes the contactors to age more quickly. Depending on the configuration, the desired service life cannot then be achieved.
Ein Angleichen über die oben genannte Methode ist zudem nur im Betrieb möglich und beeinflusst somit die Betriebsbereitschaft des Batteriesystems 1 wesentlich, wodurch insbesondere nur eine eingeschränkte Leistung zur Verfügung steht oder sich die Ladezeiten verlängern. In addition, adjustment using the above-mentioned method is only possible during operation and thus has a significant influence on the operational readiness of the battery system 1, as a result of which in particular only limited power is available or the charging times are lengthened.
Im Fall der seriellen Imbalance kann ein Angleichen der Spannungen aufgrund eher kleiner Cellbalancing-Ströme bei großen Ladungsdifferenzen sehr lange dauern (beispielsweise 10Ah/100mA=100h). In the case of a serial imbalance, balancing the voltages can take a very long time due to rather small cell balancing currents with large charge differences (e.g. 10Ah/100mA=100h).
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Batterie und ein verbessertes Batteriesystem, insbesondere zur Verwendung als Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug und/oder für stationäre Speicheranwendungen, bereitzustellen. An object of the present invention is to provide an improved battery and an improved battery system, in particular for use as a traction battery for an electric or hybrid vehicle and/or for stationary storage applications.
Die Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. The object is achieved by a battery having the features of claim 1 and a battery system having the features of claim 10. Advantageous developments follow from the Subclaims, the following presentation of the invention and the description of preferred embodiments.
Die Batterie gemäß der Erfindung ist mit anderen solchen Batterien auf besonders einfache Weise zusammenschaltbar, um beispielsweise die Gesamtenergie und/oder Leistung des resultierenden Batteriesystems zu erhöhen. Somit kommt die Batterie bevorzugt als Traktionsbatterie oder Teil einer solchen für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, insbesondere auch im Nutzfahrzeugbereich (Busse, Lastkraftwagen, Zugmaschinen, Kranwagen, Baumaschinen, Traktoren usw.), zur Anwendung. Eine solche Batterie kann auch zum Aufbau eines Batteriesystems für stationäre Anwendungen, beispielsweise für Speicheranwendungen in Haushalten oder für Industrieanwendungen, verwendet werden. The battery according to the invention can be interconnected with other such batteries in a particularly simple manner, for example in order to increase the total energy and/or power of the resulting battery system. The battery is therefore preferably used as a traction battery or part of one for an electric or hybrid vehicle, particularly in the commercial vehicle sector (buses, trucks, tractors, crane trucks, construction machinery, tractors, etc.). Such a battery can also be used to construct a battery system for stationary applications, for example for storage applications in households or for industrial applications.
Die Batterie umfasst einen Batterieabschnitt, der zumindest ein Batteriemodul mit zumindest einer Batteriezelle aufweist. Typischerweise sind mehrere Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen vorgesehen und in dem Batterieabschnitt der Batterie zusammengefasst. Die Batteriezellen sind beispielsweise von zylindrischer Form und gitterartig nebeneinander, parallel ausgerichtet angeordnet. Es sind aber auch prismatische Batteriezellen oder Pouchzellen verwendbar. Gehalten werden die Batteriezellen zumeist sandwichartig von einer Modulbodenplatte und einer Moduldeckplatte, die neben der mechanischen Funktion, die Batteriezellen zu entsprechenden Batteriemodulen zusammenzufassen und zu fixieren, die elektrische Verdrahtung der Batteriezellen vornehmen können. Der Batterieabschnitt weist ferner einen an das oder die Batteriemodul(e) angebundenen Hauptanschluss auf, über den die Batterie mit einer Last und/oder einer Stromversorgung verbindbar ist. Die Batterie ist über den Hauptanschluss in ein Hauptnetz integrierbar. The battery includes a battery section that has at least one battery module with at least one battery cell. Typically, a number of battery modules, each with a number of battery cells, are provided and combined in the battery section of the battery. The battery cells are, for example, cylindrical in shape and arranged next to one another in a grid-like manner, aligned in parallel. However, prismatic battery cells or pouch cells can also be used. The battery cells are usually held in a sandwich-like manner by a module base plate and a module cover plate, which, in addition to the mechanical function of combining and fixing the battery cells into corresponding battery modules, can also carry out the electrical wiring of the battery cells. The battery section also has a main connection connected to the battery module(s), via which the battery can be connected to a load and/or a power supply. The battery can be integrated into a main network via the main connection.
Beispielsweise wird die Batterie dann zusammen mit einer weiteren Batterie über den Hauptanschluss zu einem Batteriesystem verbunden, um Energie für den jeweiligen Verbraucher bereit zu stellen. For example, the battery is then connected to a battery system together with another battery via the main connection in order to provide energy for the respective consumer.
Die Bezeichnungen „verbunden“, „verbindbar“, „angebunden“ und dergleichen beziehen sich im vorliegenden Kontext zumeist auf eine elektrische Verbindung, die jedoch eine mechanische Anbindung umfassen kann, allerdings zumindest im Fall elektronischer Steuer- beziehungsweise Signalverbindungen nicht unbedingt muss. In the present context, the designations “connected”, “connectable”, “connected” and the like usually refer to an electrical connection, which can include a mechanical connection, although this does not necessarily have to be the case, at least in the case of electronic control or signal connections.
Die vorgeschlagene Batterie umfasst ferner einen Balancingabschnitt, der über einen Balancingpfad (elektrisch) an den Batterieabschnitt angebunden ist und einen vom Hauptanschluss separaten Balancinganschluss aufweist. Der Balancinganschluss unterscheidet sich entsprechend vom Hauptanschluss, d.h. es handelt sich nicht um Bezeichnungen desselben Anschlusses. The proposed battery also includes a balancing section, which is connected to the battery section via a balancing path (electrically) and one from the main connection has a separate balancing connection. The balancing connection differs accordingly from the main connection, ie they are not designations for the same connection.
Durch die Anbindung des Balancingabschnitts an den Batterieabschnitt wird daher eine elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen des Batterieabschnitts und dem Balancingabschnitt hergestellt. The connection of the balancing section to the battery section therefore creates an electrical connection between the battery cells of the battery section and the balancing section.
Um unterschiedliche Ladezustände vor dem Zusammenschalten mehrerer Batterien anzugleichen, kann dies nun über die jeweiligen Balancinganschlüsse erreicht werden. In order to equalize different states of charge before connecting several batteries, this can now be achieved via the respective balancing connections.
In anderen Worten, über die Balancinganschlüsse können mehrere Batterien in einem Balancingnetz, das sich vom Hauptnetz etwa zur Versorgung einer Last unterscheidet, miteinander parallel und/oder seriell verbunden und geschaltet werden, um dadurch Spannungsdifferenzen beziehungsweise Ladungsunterschiede zwischen den Batterien auszugleichen. Ein solches Balancing ist vorzugsweise auch oder ausschließlich im ausgeschalteten Zustand der jeweiligen Batterieabschnitte, d.h. außerhalb des regulären Lade- oder Leistungsabgabebetriebs über das Hauptnetz, durchführbar. In other words, the balancing connections can be used to connect and switch multiple batteries in a balancing network, which differs from the main network, for example to supply a load, in parallel and/or in series, in order to compensate for voltage differences or charge differences between the batteries. Such a balancing can preferably also or exclusively be carried out when the respective battery sections are switched off, i.e. outside of the regular charging or power output mode via the main network.
Das Zusammenschalten von Batterien zu einem Batteriesystem wird deutlich erleichtert, wenn die Batterien jeweils mit einem Balancingabschnitt wie hierin vorgeschlagen ausgestattet sind. Die volle Betriebsbereitschaft des resultierenden Batteriesystems kann wesentlich besser sichergestellt werden. Hierbei muss der Hauptkreis, beispielsweise das Fahrzeug, zum Balancen, d.h. Angleichen der Spannungs- beziehungsweise Ladezustände der unterschiedlichen Batterien, nicht zugeschaltet werden und kann somit spannungsfrei bleiben. Parallele und serielle Imbalancen können gleichzeitig beseitigt werden. Impulsströme werden beseitigt oder zumindest minimiert, wodurch das Balancing die Batteriezellen und Komponenten weniger belastet. Ein Ladungsausgleich erfolgt beispielsweise in Minuten statt Sekunden, was eine verbesserte Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Komponenten zur Folge hat. The interconnection of batteries to form a battery system is made significantly easier if the batteries are each equipped with a balancing section as proposed here. The full operational readiness of the resulting battery system can be ensured much better. The main circuit, for example the vehicle, does not have to be switched on for balancing, i.e. adjusting the voltage or charge status of the different batteries, and can therefore remain voltage-free. Parallel and serial imbalances can be eliminated simultaneously. Impulse currents are eliminated or at least minimized, which means that balancing puts less stress on the battery cells and components. For example, charge balancing occurs in minutes instead of seconds, resulting in improved component durability and reliability.
Vorzugsweise ist die Batterie eine HV-Batterie (Hochvoltbatterie), wobei der Hauptanschluss und/oder Balancinganschluss in diesem Fall ein HV-Anschluss (Hochvoltanschluss) ist, wodurch die Batterie als Traktionsbatterie geeignet ist. Der Hauptanschluss und/oder der Balancinganschluss sind vorzugsweise in eine HVIL-Überwachung (High-Voltage-Interlock-Monitoring) eingebunden, um einen Berührungsschutz zu gewährleisten. Ein HVIL umfasst einen separaten Signalkreis beziehungsweise eine Pilotlinie, die von einer Überwachungseinheit überwacht wird, und stellt an allen Anschlüssen, die beispielsweise als Stecker oder als Buchsen ausgebildet sein können, jeweils Signalkontakte bereit. Durch das Verbinden eines entsprechend komplementären Anschlusses mit den jeweiligen Steckern oder Buchsen werden die Signalkontakte geschlossen und damit der Signalkreis geschlossen. Auf diese Weise kann ermittelt werden, ob an allen Steckern und Buchsen jeweils komplementäre Buchsen und Stecker gesteckt sind und das System damit berührungssicher ist. Entsprechend kann überwacht werden, dass keine offenen Enden vorhanden sind, die eine Gefährdung von Personen bereitstellen könnten. Vorzugsweise umfasst der Hauptanschluss und/oder Balancinganschluss eine Steckverbindung, wodurch eine schnelle und sichere Zusammenschaltung der Batterien ermöglicht wird, wobei die Steckverbindung des Hauptanschlusses bevorzugt separat von der Steckverbindung des Balancinganschlusses vorgesehen ist. In einer Alternative können der Hauptanschluss und der separat dazu vorliegende Balancinganschluss auch in einem gemeinsamen Stecker zusammengefasst sein. The battery is preferably an HV battery (high-voltage battery), the main connection and/or balancing connection being an HV connection (high-voltage connection) in this case, which means that the battery is suitable as a traction battery. The main connection and/or the balancing connection are preferably integrated into HVIL monitoring (high-voltage interlock monitoring) in order to ensure protection against accidental contact. An HVIL includes a separate signal circuit or a pilot line, which is monitored by a monitoring unit, and provides signal contacts at all connections, which can be designed as plugs or sockets, for example. By connecting a correspondingly complementary connection to the respective plugs or sockets, the signal contacts are closed and the signal circuit is thus closed. In this way it can be determined whether complementary sockets and plugs are plugged into all plugs and sockets and the system is therefore safe to touch. Accordingly, it can be monitored that there are no open ends that could endanger people. The main connection and/or balancing connection preferably includes a plug-in connection, which enables the batteries to be connected together quickly and safely, with the plug-in connection of the main connection preferably being provided separately from the plug-in connection of the balancing connection. In an alternative, the main connection and the separate balancing connection can also be combined in a common plug.
Vorzugsweise umfasst der Balancingabschnitt einen Strombegrenzer, der im Balancingpfad zwischen dem Batterieabschnitt und dem Balancinganschluss angeordnet ist. Der Strombegrenzer ist eingerichtet, um unterschiedliche Ladezustände beim Zusammenschalten mehrerer Batterien über die jeweiligen Balancinganschlüsse einander anzugleichen. Der Strombegrenzer ist vorzugsweise so eingerichtet, dass die Angleichung der Ladezustände mit kontrollierten, insbesondere vergleichsweise geringen Strömen erfolgt. The balancing section preferably includes a current limiter which is arranged in the balancing path between the battery section and the balancing connection. The current limiter is set up to equalize different states of charge when several batteries are interconnected via the respective balancing connections. The current limiter is preferably set up in such a way that the charge states are equalized with controlled, in particular comparatively low, currents.
Vorzugsweise umfasst der Strombegrenzer einen Widerstand im Balancingpfad, wodurch auf baulich einfache und zuverlässige Weise eine Strombegrenzung realisiert wird. Als mögliche alternative Ausführungsvariante umfasst der Balancingabschnitt nur den Balancinganschluss, einen vom BMS kontrollierten zweipoligen Schalter sowie eine etwaige Sicherung. Die eigentliche Strombegrenzung findet dann extern, beispielsweise in einer Konditionierungseinrichtng, statt.The current limiter preferably includes a resistor in the balancing path, as a result of which current limitation is implemented in a structurally simple and reliable manner. As a possible alternative embodiment variant, the balancing section only includes the balancing connection, a two-pole switch controlled by the BMS and any fuse. The actual current limitation then takes place externally, for example in a conditioning device.
Vorzugsweise umfasst der Strombegrenzer eine thermische Regelung. In einem baulich einfachen Fall ist die thermische Regelung durch eine thermische Abschaltung realisiert. Die thermische Regelung steht vorzugsweise in Kommunikation mit dem Schalter, um diesen bei Bedarf zu schalten. Die Kommunikation beziehungsweise Auslösung des Schalters kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Eine thermische Regelung im Balancingabschnitt ist hilfreich, um die elektrisch/elektronischen Komponenten nicht auf den höchstmöglichen Betriebspunkt auslegen zu müssen. Alternativ oder zusätzlich kann diese Funktion von einem Batterie-Management-System (BMS) übernommen werden. The current limiter preferably includes a thermal regulation. In a structurally simple case, the thermal regulation is realized by a thermal shutdown. The thermal control is preferably in communication with the switch to switch it on when needed. The communication or triggering of the switch can be wired or wireless. A thermal control in the balancing section is helpful in order not to design the electrical/electronic components for the highest possible operating point have to. Alternatively or additionally, this function can be taken over by a battery management system (BMS).
Vorzugsweise umfasst der Strombegrenzer eine Überspannungsabschaltung, die besonders im Betrieb mit seriell verschalteten Batterien hilfreich ist. Die Überspannungsabschaltung steht vorzugsweise in Kommunikation mit dem Schalter, um diesen bei Bedarf zu schalten. Die Kommunikation beziehungsweise Auslösung des Schalters kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann diese Funktion ebenfalls vom BMS übernommen werden.The current limiter preferably includes an overvoltage cut-off, which is particularly helpful when operating with batteries connected in series. The overvoltage shutdown is preferably in communication with the switch to switch it when needed. The communication or triggering of the switch can be wired or wireless. Additionally or alternatively, this function can also be taken over by the BMS.
Vorzugsweise umfasst der Strombegrenzer eine Sicherung, die besonders bevorzugt als Schmelzsicherung oder Pyrofuse beziehungsweise Pyrosicherung ausgeführt ist. Die Sicherung schützt die Elektrik der Batterie bei einem etwaigen Kurzschluss. The current limiter preferably includes a fuse, which is particularly preferably designed as a safety fuse or a pyrofuse or pyro fuse. The fuse protects the battery's electrical system in the event of a short circuit.
Vorzugsweise umfasst der Balancingabschnitt einen Schalter, der eingerichtet ist, um den Balancingpfad zwischen dem Batterieabschnitt und dem Balancinganschluss zu öffnen oder zu schließen. Über den Schalter ist der Balancinganschluss bei Bedarf zu- oder abschaltbar, wodurch der Balancingbetrieb und der reguläre Betrieb voneinander getrennt werden können. Der Schalter ist zu diesem Zweck vorzugsweise über das BMS ansteuerbar. The balancing section preferably includes a switch that is set up to open or close the balancing path between the battery section and the balancing connection. The balancing connection can be switched on or off via the switch as required, which means that balancing operation and regular operation can be separated from one another. For this purpose, the switch can preferably be controlled via the BMS.
Vorzugsweise umfasst der Schalter zumindest ein Relais und/oder eine Relais- Halbleiterkombination, um eine zuverlässige elektronische Fernsteuerung des Schalters zu implementieren. Umfasst der Balancingpfad eine erste Leitung und eine zweite Leitung, so ist der Schalter in diesem Fall vorzugsweise ein zweipoliger Schalter, eingerichtet, um die erste Leitung und zweite Leitung des Balancingpfads synchron zu öffnen beziehungsweise zu schließen. Ist ein Pol des Schalters mit einem Halbleiter ausgeführt, so ist eine Puls-Pausen-Regelung (PWM) realisierbar. The switch preferably comprises at least one relay and/or a relay-semiconductor combination in order to implement a reliable electronic remote control of the switch. If the balancing path includes a first line and a second line, then in this case the switch is preferably a two-pole switch set up to synchronously open or close the first line and second line of the balancing path. If one pole of the switch is made of a semiconductor, pulse-pause control (PWM) can be implemented.
Wenn einer der Schalter als Halbleiter ausgeführt ist, kann über eine PWM eine maximale Temperatur geregelt werden. Damit kann über einen weiten Arbeitsbereich (Spannungsunterschiede) schnellstmöglich ausgeglichen werden. If one of the switches is designed as a semiconductor, a maximum temperature can be regulated via a PWM. This can be compensated for as quickly as possible over a wide working range (voltage differences).
Die Bezeichnungen „erste(r)“, „zweite(r)“ in Verbindung mit Leitungen oder anderen Komponenten dienen allein der sprachlichen Unterscheidung, sie implizieren keine Nummerierung, Reihenfolge, Priorität oder dergleichen. Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Batteriesystem gelöst, das mehrere parallel und/oder seriell geschaltete Batterien gemäß einer der vorstehend dargelegten Ausführungsvarianten umfasst. The designations "first", "second" in connection with lines or other components are only used for linguistic differentiation, they do not imply any numbering, sequence, priority or the like. The object mentioned above is also achieved by a battery system which comprises a plurality of batteries connected in parallel and/or in series in accordance with one of the embodiment variants presented above.
Die Merkmale, technischen Wirkungen, Vorteile sowie Ausführungsbeispiele, die in Bezug auf die Batterie als individuelles Modul beschrieben wurden, gelten analog für das daraus aufgebaute Batteriesystem. The features, technical effects, advantages and exemplary embodiments that have been described in relation to the battery as an individual module apply analogously to the battery system constructed from it.
Vorzugsweise sind die Batterien über deren Hauptstromanschlüsse in einem Hauptnetz zusammengeschaltet, wodurch eine leistungs- beziehungsweise energiestarke Gesamtbatterie auf einfache Weise und je nach Bedarf konfigurierbar bereitgestellt wird. Das Hauptnetz ist hierbei mit einer Last, etwa dem Elektromotor eines Fahrzeugs, und/oder einer Stromversorgung, etwa zum Laden des Batteriesystems, verbindbar oder verbunden. The batteries are preferably interconnected via their main power connections in a main network, as a result of which a powerful or high-energy overall battery is provided in a simple manner and configurable as required. In this case, the main network can be connected or is connected to a load, for example the electric motor of a vehicle, and/or a power supply, for example for charging the battery system.
Vorzugsweise sind die Batterien - zusätzlich oder alternativ zum Hauptnetz - über deren Balancinganschlüsse in einem Balancingnetz, das sich vom Hauptnetz unterscheidet, zusammengeschaltet, d.h. miteinander verbunden. Auf diese Weise kann das Batteriesystem auch mit geringem Strom geladen oder entladen werden. Damit ist auf schonende Weise ein gewünschter Ladezustand einstellbar, beispielsweise 50% bei Nichtbenutzung (Überwinterung) des Batteriesystems oder 100% für maximale Energie. Preferably, the batteries - in addition to or as an alternative to the main network - are interconnected, i.e. connected to one another, via their balancing connections in a balancing network that differs from the main network. In this way, the battery system can also be charged or discharged with low current. A desired state of charge can thus be set in a gentle manner, for example 50% when the battery system is not used (overwintering) or 100% for maximum energy.
Vorzugsweise ist das Balancingnetz zu diesem Zweck an eine Konditionierungseinrichtung angeschlossen, die eingerichtet ist, um die Batterien über deren Balancinganschlüsse auf einen vorgegebenen, d.h. gewünschten, Ladezustand zu bringen. Die Konditionierungseinrichtung kann einen mit einer Stromversorgung verbindbaren oder verbundenen Lader und/oder Entlader umfassen. Die Konditionierungseinrichtung kann sich von einer gewöhnlichen Ladeeinrichtung, beispielsweise einer Wallbox, unterscheiden, durch eine solche realisiert oder in einer solchen integriert sein. For this purpose, the balancing network is preferably connected to a conditioning device that is set up to bring the batteries to a predetermined, i.e. desired, state of charge via their balancing connections. The conditioning device can comprise a charger and/or discharger which can be connected or is connected to a power supply. The conditioning device can differ from a normal charging device, for example a wall box, can be implemented by such a device or can be integrated into such a device.
Vorzugsweise bildet das Batteriesystem eine Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, wobei die hierin bereitgestellte Flexibilität besonders geeignet ist für hohe Leistungsanforderungen, wie sie beispielsweise im Bereich der Nutzfahrzeuge (Busse, Lastkraftwagen, Zugmaschinen, Kranwagen, Traktoren und dergleichen) gestellt werden. The battery system preferably forms a traction battery for an electric or hybrid vehicle, with the flexibility provided here being particularly suitable for high performance requirements, such as those made in the field of commercial vehicles (buses, trucks, tractor units, crane trucks, tractors and the like).
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die darin beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.Further advantages and features of the present invention can be seen from the following description of preferred exemplary embodiments. The features described therein can be implemented alone or in combination with one or more of the features set out above, insofar as the features do not contradict each other. The following description of preferred exemplary embodiments is made with reference to the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Preferred further embodiments of the invention are explained in more detail by the following description of the figures. show:
Figur 1 schematisch ein Batteriesystem mit in einem Hauptnetz parallel und seriell geschalteten Batterien; FIG. 1 schematically shows a battery system with batteries connected in parallel and in series in a main network;
Figur 2 schematisch den Aufbau einer Batterie mit einem Balancingabschnitt, der einen Strombegrenzer und einen Balancinganschluss umfasst; FIG. 2 shows schematically the structure of a battery with a balancing section which includes a current limiter and a balancing connection;
Figur 3 schematisch den Aufbau eines beispielhaften Balancingabschnitts; und FIG. 3 schematically shows the structure of an exemplary balancing section; and
Figur 4 schematisch ein Batteriesystem mit in einem Hauptnetz und einem Balancingnetz parallel und seriell geschalteten Batterien; FIG. 4 schematically shows a battery system with batteries connected in parallel and in series in a main network and a balancing network;
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele Detailed description of preferred exemplary embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanz zu vermeiden. Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. Elements that are the same, similar or have the same effect are provided with identical reference symbols in the figures, and a repeated description of these elements is sometimes dispensed with in order to avoid redundancy.
Die Figur 2 zeigt auf schematische Weise den Aufbau einer verbesserten Batterie 10, die für die Installation eines Batteriesystems 1 beispielsweise gemäß der Figur 1 , deren obige Beschreibung hierin einbezogen ist, genutzt werden kann. Das Batteriesystem 1 findet vorzugsweise als Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug Anwendung und/oder als stationäre Speicheranwendung. FIG. 2 shows in a schematic way the construction of an improved battery 10, which can be used for the installation of a battery system 1, for example according to FIG. 1, the above description of which is incorporated herein. The battery system 1 is preferably used as a traction battery for an electric or hybrid vehicle and/or as a stationary storage application.
Die modularen Batterien 10 sind aus diesem Grund vorzugsweise HV-Batterien. Insbesondere im Fall von Nutzfahrzeugen werden oft mehrere Batterien 10, die an unterschiedlichen Positionen in dem Fahrzeug positioniert sind, zu einem solchen Batteriesystem 1 zusammengeschaltet. Die Batterien 10 können in einem Nutzfahrzeug beispielsweise im Unterboden, im Fahrzeugbug und/oder im Fahrzeugheck angeordnet sein. Die Batterie 10 weist ein Batteriegehäuse 12 auf, das vorzugsweise fluiddicht ausgebildet ist. Die Batterie 10 umfasst ferner einen im Batteriegehäuse 12 angeordneten Batterieabschnitt 20, der den Aufbau einer üblichen Batterie haben kann. For this reason, the modular batteries 10 are preferably HV batteries. In the case of commercial vehicles in particular, a plurality of batteries 10 that are positioned at different positions in the vehicle are often connected together to form such a battery system 1 . In a commercial vehicle, the batteries 10 can be arranged, for example, in the underbody, in the front of the vehicle and/or in the rear of the vehicle. The battery 10 has a battery housing 12 which is preferably designed to be fluid-tight. The battery 10 also includes a battery section 20 which is arranged in the battery housing 12 and which can have the structure of a conventional battery.
So umfasst der Batterieabschnitt 20 zumindest ein, jedoch vorzugsweise mehrere Batteriemodule 21 mit üblicherweise mehreren Batteriezellen, die der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht gezeigt sind. Die Batteriezellen sind beispielsweise von zylindrischer Form und gitterartig nebeneinander, parallel ausgerichtet angeordnet, beispielsweise in der Struktur der dichtesten Kreispackung (im Querschnitt zur Längserstreckung der Batteriezellen gesehen). Gehalten werden die Batteriezellen vorzugsweise sandwichartig von einer Modulbodenplatte und einer Moduldeckplatte, die neben der mechanischen Funktion, die Batteriezellen zu Batteriemodulen 21 zusammenzufassen und zu fixieren, die elektrische Verdrahtung der Batteriezellen vornehmen können. The battery section 20 thus comprises at least one, but preferably a plurality of battery modules 21 with usually a plurality of battery cells, which are not shown in the figures for the sake of clarity. The battery cells are, for example, cylindrical in shape and arranged in a grid-like manner next to one another, aligned in parallel, for example in the structure of closest circular packing (seen in cross-section relative to the longitudinal extension of the battery cells). The battery cells are preferably held in a sandwich-like manner by a module base plate and a module cover plate which, in addition to the mechanical function of combining and fixing the battery cells into battery modules 21, can also carry out the electrical wiring of the battery cells.
Der Batterieabschnitt 20 kann ferner einen Anschlussabschnitt 22 umfassen, der beispielsweise Leitungen und/oder Anschlüsse physisch zusammenführt. Der Anschlussabschnitt 22 kann alternativ oder zusätzlich Sensoren, Elektronik und/oder eine vollständige oder teilweise Batteriesteuerung aufweisen. So kann der Anschlussabschnitt 22 ein Batterie-Management-System BMS 24 (vgl. Figur 3) umfassen oder mit einem solchen kommunizieren. Das BMS 24 übernimmt hierbei die elektronische Steuerung der Batterie 10 oder Teilaufgaben derselben. Ein solches BMS 24 kann jedoch auch Bestandteil des Batteriesystems 1 sein, extern, zentral oder dezentral, softwaregestützt oder auf andere Weise realisiert sein. The battery portion 20 may further include a connector portion 22 that physically brings leads and/or connectors together, for example. The connection section 22 can alternatively or additionally have sensors, electronics and/or a complete or partial battery control. The connection section 22 can include a battery management system BMS 24 (cf. FIG. 3) or can communicate with one. The BMS 24 takes over the electronic control of the battery 10 or subtasks of the same. However, such a BMS 24 can also be part of the battery system 1, can be implemented externally, centrally or decentrally, with software or in some other way.
Der Batterieabschnitt 20 ist ferner mit einem Hauptanschluss 23 ausgestattet, über den die Batterie 10 in das Hauptnetz 11 integrierbar und somit an die Leitungen 11 a, 11 b des Hauptstrompfads anschließbar ist. Die Batterie 10 kann auf diese Weise alleinstehend oder als Teil des Batteriesystems 1 an eine Last und/oder eine Stromversorgung angeschlossen werden. Der Hauptanschluss 23 ist vorzugsweise ein HV-Anschluss und als entsprechende Steckverbindung ausgebildet. The battery section 20 is also equipped with a main connection 23, via which the battery 10 can be integrated into the main network 11 and thus connected to the lines 11a, 11b of the main current path. The battery 10 can thus be connected to a load and/or a power supply on its own or as part of the battery system 1 . The main connection 23 is preferably an HV connection and designed as a corresponding plug connection.
Neben dem Batterieabschnitt 20 weist die vorgeschlagene Batterie 10 einen Balancingabschnitt 30 auf, der eine Balancing- beziehungsweise Ausgleichsfunktion bereitstellt, wodurch Spannungen beziehungsweise Ladungen beim Zusammenschalten mehrerer Batterien 10 zum Batteriesystem 1 einander auf schonende Art und Weise angeglichen werden können. Der Balancingabschnitt 30 steht über einen Balancingpfad 13, umfassend eine erste Leitung 13a und eine zweite Leitung 13b, mit dem Batterieabschnitt 20 in Verbindung. Der Balancingpfad 13 ist dabei mit allen Batteriezellen verbunden - beispielsweise kann die erste Leitung 13a mit dem positiven HV-Pfad des Batterieabschnitts 20 und die zweite Leitung 13b mit dem negativen HV-Pfad des Batterieabschnitts 20 verbunden sein. In addition to the battery section 20, the proposed battery 10 has a balancing section 30, which provides a balancing or compensating function, whereby voltages or charges when several batteries 10 are connected together to form the battery system 1 can be balanced with one another in a gentle manner. The balancing section 30 is connected to the battery section 20 via a balancing path 13 comprising a first line 13a and a second line 13b. The balancing path 13 is present with all battery cells connected - for example, the first line 13a can be connected to the positive HV path of the battery section 20 and the second line 13b can be connected to the negative HV path of the battery section 20.
Der Balancingabschnitt 30 umfasst einen Balancinganschluss 31 , der wie der Hauptanschluss 23 vorzugsweise ein HV-Anschluss ist, aber von dem Hauptanschluss 23 separat ausgeführt ist. Der Balancinganschluss 31 stellt eine zusätzliche Verbindung bereit, über die alle Batterien 10 des Batteriesystems 1 oder eine Teilmenge derselben strombegrenzt miteinander verbindbar sind. Zu diesem Zweck umfasst der Balancingabschnitt 30 einen Strombegrenzer 32 im Balancingpfad 13 sowie gegebenenfalls einen Schalter 33, der eingerichtet ist, um den Balancingpfad 13 in der Batterie 10 zu öffnen, d.h. zu unterbrechen, beziehungsweise zu schließen. The balancing section 30 includes a balancing connection 31 which, like the main connection 23 , is preferably an HV connection, but is designed separately from the main connection 23 . The balancing connection 31 provides an additional connection via which all the batteries 10 of the battery system 1 or a subset thereof can be connected to one another in a current-limited manner. For this purpose, the balancing section 30 includes a current limiter 32 in the balancing path 13 and optionally a switch 33 that is set up to open, i.e. to interrupt or close, the balancing path 13 in the battery 10 .
Sind die einzelnen Batterien 10 des Batteriesystems 1 ausgeschaltet, die Batterien 10 aber über die jeweiligen Balancingpfade 13 miteinander verbunden, können sich die Spannungen beziehungsweise Ladungen über die zwischengeschalteten Strombegrenzer 32 strombegrenzt angleichen. If the individual batteries 10 of the battery system 1 are switched off, but the batteries 10 are connected to one another via the respective balancing paths 13, the voltages or charges can equalize in a current-limited manner via the interposed current limiters 32.
Vorzugsweise sind der Hauptanschluss 23 und/oder der Balancinganschluss 31 über jeweilige Steckverbindungen realisiert, um eine schnelle und sichere Zusammenschaltung der Batterien 10 zu ermöglichen. Ferner sind der Hauptanschluss 23 und/oder der Balancinganschluss 31 vorzugsweise in eine HVIL-Überwachung (High-Voltage-Interlock-Monitoring) eingebunden, um einen Berührungsschutz zu gewährleisten. The main connection 23 and/or the balancing connection 31 are preferably implemented via respective plug connections in order to enable the batteries 10 to be connected together quickly and safely. Furthermore, the main connection 23 and/or the balancing connection 31 are preferably integrated into HVIL monitoring (high-voltage interlock monitoring) in order to ensure protection against accidental contact.
Ein HVIL umfasst einen separaten Signalkreis beziehungsweise eine Pilotlinie, die von einer Überwachungseinheit überwacht wird, und stellt an allen Anschlüssen, die beispielsweise als Stecker oder als Buchsen ausgebildet sein können, jeweils Signalkontakte bereit. Durch das Verbinden eines entsprechend komplementären Anschlusses mit den jeweiligen Steckern oder Buchsen werden die Signalkontakte geschlossen und damit der Signalkreis geschlossen. Auf diese Weise kann ermittelt werden, ob an allen Steckern und Buchsen jeweils komplementäre Buchsen und Stecker gesteckt sind und das System damit berührungssicher ist. Entsprechend kann überwacht werden, dass keine offenen Enden vorhanden sind, die eine Gefährdung von Personen bereitstellen könnten. An HVIL includes a separate signal circuit or a pilot line, which is monitored by a monitoring unit, and provides signal contacts at all connections, which can be designed as plugs or sockets, for example. By connecting a correspondingly complementary connection to the respective plugs or sockets, the signal contacts are closed and the signal circuit is thus closed. In this way it can be determined whether complementary sockets and plugs are plugged into all plugs and sockets and the system is therefore safe to touch. Accordingly, it can be monitored that there are no open ends that could endanger people.
Der Strombegrenzer 32 kann als einfacher Widerstand 32a ausgeführt sein oder einen solchen umfassen, wie im Ausführungsbeispiel der Figur 3 gezeigt. Der Strombegrenzer 32 umfasst ferner vorzugsweise eine thermische Regelung 32b, die im baulich einfachsten Fall durch eine thermische Abschaltung realisiert ist. Eine solche thermische Regelung 32b ist hilfreich, um die elektrisch/elektronischen Komponenten nicht auf den höchstmöglichen Betriebspunkt auslegen zu müssen. Alternativ oder zusätzlich kann diese Funktion vom BMS 24 übernommen werden. The current limiter 32 can be in the form of a simple resistor 32a or can include one, as shown in the exemplary embodiment in FIG. The current limiter 32 also preferably includes a thermal controller 32b, which in the structurally simplest case is implemented by thermal shutdown. Such a thermal regulation 32b is helpful in order not to have to design the electrical/electronic components for the highest possible operating point. Alternatively or additionally, this function can be taken over by the BMS 24.
Optional umfasst der Strombegrenzer 32 eine Überspannungsabschaltung 32c, die besonders im Betrieb mit seriell verschalteten Batterien 10 hilfreich ist. Zusätzlich oder alternativ kann diese Funktion ebenfalls vom BMS 24 übernommen werden. Optionally, the current limiter 32 includes an overvoltage shutdown 32c, which is particularly useful when operating with batteries 10 connected in series. Additionally or alternatively, this function can also be taken over by the BMS 24.
Über den oben genannten Schalter 33 ist der Balancinganschluss 31 abschaltbar. Der Schalter 33 ist vorzugsweise ein zweipoliger Schalter, etwa ein Relais oder eine Relais-Halbleiterkombination, der die Leitungen 13a, 13b des Balancingpfads 13 synchron öffnet oder schließt. Ist ein Pol des Schalters 33 mit einem Halbleiter ausgeführt, kann eine Puls-Pausen-Regelung (PWM) realisiert werden und darüber auch auf eine maximal mögliche Temperatur geregelt werden. Damit kann über einen weiten Arbeitsbereich (Spannungsunterschiede) schnellstmöglich ausgeglichen werden.The balancing connection 31 can be switched off via the above-mentioned switch 33 . The switch 33 is preferably a two-pole switch, such as a relay or a relay-semiconductor combination, which synchronously opens or closes the lines 13a, 13b of the balancing path 13. If one pole of the switch 33 is designed with a semiconductor, pulse-pause control (PWM) can be implemented and it can also be used to control a maximum possible temperature. This can be compensated for as quickly as possible over a wide working range (voltage differences).
Die Ansteuerung des Schalters 33 über das BMS 24, die thermische Regelung 32b und/oder die Überspannungsabschaltung 32c kann über entsprechende Signalwege, in der Figur 3 mit gepunkteten Pfeilen gekennzeichnet, drahtlos oder drahtgebunden erfolgen. The control of the switch 33 via the BMS 24, the thermal regulation 32b and/or the overvoltage shutdown 32c can be effected wirelessly or by wire via corresponding signal paths, identified by dotted arrows in FIG.
Der Strombegrenzer 32 umfasst vorzugsweise eine Sicherung 32d, die beispielsweise als Schmelzsicherung oder Pyrofuse ausgeführt ist, die bei einem etwaigen Kurzschluss in beide Richtungen schützt. The current limiter 32 preferably includes a fuse 32d, which is designed, for example, as a safety fuse or pyrofuse, which protects in both directions in the event of a short circuit.
Die Verbindung der Balancinganschlüsse 31 der einzelnen Batterien 10 findet vorzugsweise über einfache Kabel statt, beispielsweise als Daisy Chain beziehungsweise Reihenschaltung, die von einem Balancinganschluss zum nächsten geführt wird. Eine Verbindung lässt sich auch über ein Bussystem realisieren. The balancing connections 31 of the individual batteries 10 are preferably connected via a simple cable, for example as a daisy chain or series connection, which is routed from one balancing connection to the next. A connection can also be implemented via a bus system.
Als mögliche Ausführungsvariante umfasst der Balancingabschnitt 30 nur den Balancinganschluss 31 , einen vom BMS 24 kontrollierten zweipoligen Schalter 33 sowie die Sicherung 32d. Die Strombegrenzung findet dann extern statt. As a possible embodiment variant, the balancing section 30 comprises only the balancing connection 31, a two-pole switch 33 controlled by the BMS 24 and the fuse 32d. The current limitation then takes place externally.
Neben der Funktion, Spannungen beziehungsweise Ladungen der Batterien 10 im Batteriesystem 1 über den Balancingabschnitt 30 einander anzugleichen, können die Batterien 10 über den Balancinganschluss 31 optional auf einen bestimmten Ladezustand gebracht werden. Zu diesem Zweck können die Balancinganschlüsse 31 der Batterien 10 wie im Beispiel der Figur 4 geschaltet und mit einer Konditionierungseinrichtung 40 verbunden werden. In addition to the function of equalizing the voltages or charges of the batteries 10 in the battery system 1 via the balancing section 30 , the batteries 10 can optionally be brought to a specific state of charge via the balancing connection 31 . To this For this purpose, the balancing connections 31 of the batteries 10 can be switched as in the example in FIG. 4 and connected to a conditioning device 40 .
Die Konditionierungseinrichtung 40 umfasst einen Lader 41 , der mit der Stromversorgung eines geeigneten Stromnetzes verbindbar oder verbunden ist, und/oder einen Entlader 42. Ist die Konditionierungseinrichtung 40 über ein Balancingnetz 43 an die Balancinganschlüsse 31 der Batterien 10 angebunden, so kann damit ein bestimmter Ladezustand des Gesamtsystems eingestellt werden, beispielsweise 50% bei Nichtbenutzung (Überwinterung) des Batteriesystems 1 oder 100% für maximale Energie. The conditioning device 40 comprises a charger 41, which can be connected or is connected to the power supply of a suitable power grid, and/or a discharger 42. If the conditioning device 40 is connected to the balancing connections 31 of the batteries 10 via a balancing network 43, a specific state of charge can be achieved of the entire system can be set, for example 50% when not in use (hibernation) of the battery system 1 or 100% for maximum energy.
Das Zusammenschalten von Batterien 10 zu einem Batteriesystem 1 wird deutlich erleichtert, wenn die Batterien 10 jeweils mit einem Balancingabschnitt 30 ausgestattet sind. Die volle Betriebsbereitschaft des Batteriesystems 1 kann wesentlich besser sichergestellt werden. Hierbei muss der Hauptkreis, beispielsweise das Fahrzeug, zum Balancen, d.h. Angleichen der Spannungs- beziehungsweise Ladezustände, nicht zugeschaltet werden und kann somit spannungsfrei bleiben. Parallele und serielle Imbalancen können zudem gleichzeitig beseitigt werden. Impulsströme werden beseitigt oder minimiert, wodurch das Balancing die Batteriezellen und Komponenten weniger belastet. Ein Ladungsausgleich erfolgt beispielsweise in Minuten statt Sekunden, was eine erhöhte Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Komponenten zur Folge hat.The interconnection of batteries 10 to form a battery system 1 is made significantly easier if the batteries 10 are each equipped with a balancing section 30 . The full operational readiness of the battery system 1 can be ensured much better. The main circuit, for example the vehicle, does not have to be switched on for balancing, i.e. adjusting the voltage or charge status, and can therefore remain voltage-free. Parallel and serial imbalances can also be eliminated simultaneously. Impulse currents are eliminated or minimized, making balancing less stressful on battery cells and components. For example, charge equalization occurs in minutes instead of seconds, resulting in increased longevity and reliability of the components.
Sind die Batterien 10 über das Balancingnetz 43 mit einer geeigneten Ladeeinrichtung verbunden, kann das Batteriesystem 1 auch mit geringem Strom geladen oder entladen werden. Damit ist auf schonende Weise ein gewünschter Ladezustand einstellbar. If the batteries 10 are connected to a suitable charging device via the balancing network 43, the battery system 1 can also be charged or discharged with a low current. A desired state of charge can thus be set in a gentle manner.
Der Entlader 42 kann auch einen Strombegrenzer umfassen, über den ein Entladen beziehungsweise Umladen der Batterien 10 strombegrenzt stattfinden kann. The discharger 42 can also include a current limiter, via which the batteries 10 can be discharged or recharged in a current-limited manner.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Bezuqszeichenliste As far as applicable, all individual features that are presented in the exemplary embodiments can be combined with one another and/or exchanged without departing from the scope of the invention. Reference character list
I Batteriesystem I battery system
10 Batterie 10 battery
I I Hauptnetz 11a Erste Leitung I I Main network 11a First line
11 b Zweite Leitung 11b Second line
12 Batteriegehäuse 12 battery case
13 Balancingpfad 13 balancing path
13a Erste Leitung 13b Zweite Leitung 13a First line 13b Second line
20 Batterieabschnitt 20 battery section
21 Batteriemodul 21 battery module
22 Anschlussabschnitt 22 terminal section
23 Hauptanschluss 24 Batterie-Management-System23 main connection 24 battery management system
30 Balancingabschnitt 30 balancing section
31 Balancinganschluss 31 balancing connector
32 Strombegrenzer 32 current limiter
32a Widerstand 32b Thermische Regelung 32a Resistor 32b Thermal regulation
32c Überspannungsabschaltung32c Over Voltage Shutdown
32d Sicherung 32d fuse
33 Schalter 33 switches
40 Konditionierungseinrichtung 41 Lader 40 conditioning device 41 loader
42 Entlader 42 dischargers
43 Balancingnetz 43 balancing network

Claims

Ansprüche Expectations
Batterie (10), vorzugsweise zur Verwendung als Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug und/oder für stationäre Speicheranwendungen, die aufweist: einen Batterieabschnitt (20) mit zumindest einem Batteriemodul (21), umfassend zumindest eine Batteriezelle, und einem an das Batteriemodul (21) angebundenen Hauptanschluss (23), über den die Batterie (10) mit einer Last und/oder einer Stromversorgung verbindbar ist; und einen Balancingabschnitt (30), der über einen Balancingpfad (13) an den Batterieabschnitt (20) angebunden ist und einen vom Hauptanschluss (23) separaten Balancinganschluss (31) aufweist. Battery (10), preferably for use as a traction battery for an electric or hybrid vehicle and/or for stationary storage applications, which has: a battery section (20) with at least one battery module (21), comprising at least one battery cell, and a battery module ( 21) connected main connection (23) via which the battery (10) can be connected to a load and/or a power supply; and a balancing section (30) which is connected to the battery section (20) via a balancing path (13) and has a balancing connection (31) separate from the main connection (23).
2 Batterie (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) eine HV- Batterie ist und der Hauptanschluss (23) und/oder Balancinganschluss (31) ein HV- Anschluss ist, wobei der Hauptanschluss (23) und/oder der Balancinganschluss (31) vorzugsweise in eine HVIL-Überwachung eingebunden sind. 2 battery (10) according to claim 1, characterized in that the battery (10) is an HV battery and the main connection (23) and / or balancing connection (31) is a HV connection, wherein the main connection (23) and / or the balancing connection (31) are preferably integrated into HVIL monitoring.
3 Batterie (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptanschluss (23) und/oder der Balancinganschluss (31) eine Steckverbindung umfasst, wobei die Steckverbindung des Hauptanschlusses (23) separat von der Steckverbindung des Balancinganschlusses (31) angeordnet ist. 3 Battery (10) according to Claim 1 or 2, characterized in that the main connection (23) and/or the balancing connection (31) comprises a plug connection, the plug connection of the main connection (23) being arranged separately from the plug connection of the balancing connection (31). is.
4 Batterie (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Balancingabschnitt (30) einen Schalter (33) umfasst, der eingerichtet ist, um den Balancingpfad (13) zwischen dem Batterieabschnitt (20) und dem Balancinganschluss (31) zu öffnen oder zu schließen, wobei der Schalter (33) vorzugsweise über ein Batterie- Management-System (24) ansteuerbar ist. 4 battery (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the balancing section (30) comprises a switch (33) which is set up to the balancing path (13) between the battery section (20) and the balancing connection (31). open or close, the switch (33) preferably being controllable via a battery management system (24).
5 Batterie (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (33) zumindest ein Relais und/oder eine Relais-Halbleiterkombination umfasst, wobei der Balancingpfad (13) vorzugsweise eine erste Leitung (13a) und eine zweite Leitung (13b) umfasst und der Schalter (33) vorzugsweise ein zweipoliger Schalter ist, der dazu eingerichtet ist, die erste Leitung (13a) und zweite Leitung (13b) des Balancingpfads (13) synchron zu öffnen und zu schließen. 5 battery (10) according to claim 4, characterized in that the switch (33) comprises at least one relay and / or a relay-semiconductor combination, wherein the balancing path (13) preferably a first line (13a) and a second line (13b) and the switch (33) is preferably a two-pole switch which is set up to synchronously open and close the first line (13a) and second line (13b) of the balancing path (13).
6. Batterie (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Balancingabschnitt (30) einen Strombegrenzer (32) umfasst, der zwischen dem Batterieabschnitt (20) und dem Balancinganschluss (31) im Balancingpfad (13) angeordnet ist. 6. Battery (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the balancing section (30) comprises a current limiter (32) which is arranged between the battery section (20) and the balancing connection (31) in the balancing path (13).
7. Batterie (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (32) einen Widerstand (32a) im Balancingpfad (13) umfasst. 7. Battery (10) according to claim 6, characterized in that the current limiter (32) comprises a resistor (32a) in the balancing path (13).
8. Batterie (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (32) eine thermische Regelung (32b) umfasst, die vorzugsweise durch eine thermische Abschaltung realisiert ist. 8. battery (10) according to claim 6 or 7, characterized in that the current limiter (32) comprises a thermal control (32b), which is preferably realized by a thermal shutdown.
9. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der9. battery (10) according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the
Strombegrenzer (32) eine Überspannungsabschaltung (32c) umfasst und/oder der Strombegrenzer (32) eine Sicherung (32d), vorzugsweise als Schmelzsicherung oder Pyrofuse ausgeführt, umfasst. Current limiter (32) includes an overvoltage shutdown (32c) and/or the current limiter (32) includes a fuse (32d), preferably designed as a safety fuse or pyrofuse.
10. Batteriesystem (1), das mehrere parallel und/oder seriell geschaltete Batterien (10) nach einem der vorigen Ansprüche umfasst. 10. Battery system (1) comprising a plurality of parallel and / or series-connected batteries (10) according to any one of the preceding claims.
11 . Batteriesystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien (10) über deren Hauptstromanschlüsse (23) in einem Hauptnetz (11) zusammengeschaltet sind, wobei das Hauptnetz (11) mit einer Last und/oder einer Stromversorgung verbindbar oder verbunden ist. 11 . Battery system (1) according to Claim 10, characterized in that the batteries (10) are interconnected via their main power connections (23) in a main network (11), the main network (11) being connectable or connected to a load and/or a power supply .
12. Batteriesystem (1) nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien12. Battery system (1) according to claim 10 or 11, characterized in that the batteries
(10) über deren Balancinganschlüsse (31) in einem Balancingnetz (43) zusammengeschaltet sind. (10) are interconnected via their balancing connections (31) in a balancing network (43).
13. Batteriesystem (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Balancingnetz (43) an eine Konditionierungseinrichtung (40) angeschlossen ist, die eingerichtet ist, um die Batterien (10) über deren Balancinganschlüsse (31) auf einen vorgegebenen Ladezustand zu bringen, wobei die Konditionierungseinrichtung (40) einen mit einer Stromversorgung verbindbaren oder verbundenen Lader (41) und/oder Entlader (42) umfasst. 13. Battery system (1) according to claim 12, characterized in that the balancing network (43) is connected to a conditioning device (40) which is set up to bring the batteries (10) to a predetermined state of charge via their balancing connections (31). , wherein the conditioning device (40) comprises a charger (41) and/or discharger (42) which can be connected or is connected to a power supply.
14. Batteriesystem (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Balancingnetz (43) ein Strombegrenzer vorgesehen ist. 14. Battery system (1) according to claim 12 or 13, characterized in that a current limiter is provided in the balancing network (43).
15. Batteriesystem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausbildet. 15. Battery system (1) according to any one of claims 10 to 14, characterized in that this forms a traction battery for an electric or hybrid vehicle.
PCT/EP2022/054226 2021-02-19 2022-02-21 Battery and battery system for electric and hybrid vehicles WO2022175516A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021104047.7 2021-02-19
DE102021104047.7A DE102021104047B3 (en) 2021-02-19 2021-02-19 Battery and battery system for electric and hybrid vehicles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022175516A1 true WO2022175516A1 (en) 2022-08-25

Family

ID=80474062

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/054226 WO2022175516A1 (en) 2021-02-19 2022-02-21 Battery and battery system for electric and hybrid vehicles

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102021104047B3 (en)
WO (1) WO2022175516A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11769935B1 (en) * 2022-10-12 2023-09-26 Lunar Energy, Inc. Wiring harness for energy storage system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009058879A1 (en) * 2009-12-18 2011-06-22 Continental Automotive GmbH, 30165 Electric energy storage system of a vehicle
DE102012210010A1 (en) * 2012-06-14 2013-12-19 Robert Bosch Gmbh Energy storage device for producing power supply voltage for e.g. synchronous machine in hybrid car, has module intermediate circuit coupled with conversion circuit for selectively switching or bridging in supply strands

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017206696A1 (en) 2017-04-20 2018-10-25 Volkswagen Aktiengesellschaft battery
DE102017010948A1 (en) 2017-11-27 2018-05-30 Daimler Ag A trickle charger for charging a battery for use in a vehicle and method for charging such a battery by means of such a trickle charger
DE102019212000A1 (en) 2019-08-09 2021-02-11 Audi Ag Battery circuit for setting the state of charge of battery elements and a method for operating a battery circuit

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009058879A1 (en) * 2009-12-18 2011-06-22 Continental Automotive GmbH, 30165 Electric energy storage system of a vehicle
DE102012210010A1 (en) * 2012-06-14 2013-12-19 Robert Bosch Gmbh Energy storage device for producing power supply voltage for e.g. synchronous machine in hybrid car, has module intermediate circuit coupled with conversion circuit for selectively switching or bridging in supply strands

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021104047B3 (en) 2022-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2394327B1 (en) Traction battery with increased reliability
EP0582913B1 (en) Switching device
EP2394328B1 (en) Traction battery with increased availability
DE102017104958B4 (en) Battery storage system
EP2181480B2 (en) Battery or rechargeable-battery pack
EP2499506A2 (en) Architecture of a battery and control device
EP2282388A1 (en) Device for feeding in electrical energy of a number of strings of photovoltaic modules in an electricity network
DE102013110240A1 (en) Circuit arrangement for a photovoltaic inverter for off-load relief with short-circuit switches and uses of the circuit arrangement
WO2013092064A2 (en) Battery system and method
DE102012222208A1 (en) Method for the controlled connection of several on-board network branches of a vehicle, control unit for carrying out the method and on-board network
WO2010088944A9 (en) Energy storage assembly and method for operating such an assembly
WO2015018748A1 (en) Electric energy storage device and method for increasing the voltage at the storage device terminals
DE102014218850A1 (en) Battery assembly, method for controlling a battery assembly and motor vehicle
DE102016005565A1 (en) Circuit arrangement for a DC link capacity
DE112011104483B4 (en) power supply device
DE102021104047B3 (en) Battery and battery system for electric and hybrid vehicles
WO2011042243A1 (en) Battery system and method for balancing the battery cells in a battery system
DE10317362B4 (en) Vehicle electrical system and method for operating a vehicle electrical system
EP3006253A1 (en) Assembly comprising at least two electrical traction energy storage devices
DE102012201359A1 (en) Lithium ion battery system for use in e.g. electric car, has charge equalization module for autonomously balancing charge of adjacent battery cells, and comprising potential dividers for producing electrical potential
DE102018105826A1 (en) ELECTRICAL SUPPLY SYSTEM AND METHOD
EP3173280B1 (en) Battery, vehicle with such a battery and use of such a battery
WO2018137943A1 (en) Battery unit and method for operating a battery unit
DE102014200206A1 (en) Power interruption device for traction batteries
WO2018065597A1 (en) Battery unit and method for operating a battery unit

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22711499

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22711499

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1