DE102017106058A1

DE102017106058A1 - Batteriesystem und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102017106058A1
Application number: DE102017106058.8A
Authority: DE
Inventors: Tim Schmidt; Mikel Fauri; Hermann Dibos
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2018-09-27
Also published as: US20180272883A1; US10583749B2; CN108631013B; KR102161639B1; KR20180106958A; CN108631013A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, eine das Batteriesystem umfassende Stromversorgung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Fahrzeugantrieb, und ein Verfahren zum Laden des Batteriesystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, eine das Batteriesystem umfassende Stromversorgung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Fahrzeugantrieb, und ein Verfahren zum Laden des Batteriesystems.
Ein Kraftfahrzeug, das zum Antreiben bzw. Fortbewegen mindestens einen Elektromotor aufweist sowie nutzt, wird als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug bezeichnet. Dabei ist der mindestens eine Elektromotor während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs aus mindestens einem elektrischen Energiespeicher, der auch als Batterie oder Akkumulator bezeichnet werden kann, mit elektrischer Energie zu versorgen. Dieser mindestens eine elektrische Energiespeicher kann beispielsweise eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) sein. Diese ist wiederum in einem Ladebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen.
Der Trend bei der Entwicklung von HV-Batterien geht zu Batterien mit höherer Nennspannung. Dadurch lässt sich eine Reduktion der Kabeldimensionen und des Gewichts der elektrischen Komponenten im Fahrzeug erreichen, da bei steigender Spannung geringere Stromstärken zum Erreichen einer gewünschten Leistung erforderlich sind. Eine Erhöhung der Spannung geht einher mit zusätzlichen Anforderungen nicht nur für die Komponenten im Fahrzeug, sondern auch für die zum Aufladen der HV-Batterie erforderliche externe Infrastruktur. Ladestationen mit einer Nennspannung von mehr als 800 V sind derzeit kaum verfügbar. Es wäre daher wünschenswert, dass solche HV-Batteriesysteme auch mit der derzeit verfügbaren Ladeinfrastruktur aufladbar sind.
HV-Batterien enthalten üblicherweise mehrere Batteriemodule. Um den Schaden bei einem internen Kurzschluss zu begrenzen, sind meist elektrische Sicherungen zwischen den Modulen vorgesehen. Diese Sicherungen müssen leicht austauschbar sein, damit im Falle eines Versagens die Reparaturzeit („Mean Time To Repair“- MTTR) möglichst kurz ist.
US 2016/272084 A1 offenbart ein Ladesystem für einen Fahrzeugbatteriesatz, wobei mehrere Ladegeräte jeweils mit einer entsprechenden Anzahl von Batteriemodulabschnitten des Batteriesatzes verbunden sind.
US 5 477 936 A offenbart einen Fahrzeugbatteriesatz mit mehreren Batterieanordnungen und mit einer Sicherung, die in Reihe zwischen jeder Batterieanordnung und dem Stecker geschaltet ist, um eine Schnittstelle zur Ansteuerschaltung zu schaffen.
US 8 704 485 B1 offenbart einen Fahrzeugbatteriesatz mit in mehreren Abschnitten angeordneten Batterien und Trennsicherungen, die mit jedem Batteriemodul in Reihe geschaltet sind.
Es ist außerdem wünschenswert, eine einfache Möglichkeit zu haben, die Batterie vom internen Stromkreis zu trennen und ihre Anschlüsse potentialfrei zu machen, damit ein Einbau, Ausbau oder Transport der HV-Batterie gefahrlos möglich ist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Batteriesystem mit hoher Nennspannung zur Verfügung zu stellen, das sich mit Ladegeräten aufladen lässt, deren Ausgangsspannung geringer ist als die Nennspannung des Batteriesystems. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Batteriesystem zur Verfügung zu stellen, welches sich nach einem internen Kurzschluss einfach und schnell reparieren lässt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass sich das Batteriesystem gefahrlos einbauen, ausbauen und transportieren lässt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine HV-Batterie bereit, insbesondere für ein Fahrzeug. Die HV-Batterie weist eine interne Trennung auf, so dass keine Spannung an den Anschlüssen anliegt. Daher sind die Montage, Demontage oder der Transport der Batterie sicher. Die HV-Batterie umfasst eine Reihenschaltung mehrerer Zellen, die in Abschnitte aufgeteilt sind. Leiter verbinden die positiven und negativen Anschlüsse der Zellen mit einer Schnittstelle. Die Schnittstelle hat auch Pole zum Anschluss an die Zwischenelektroden der Batterie. Wenn sich die Batterie im Entlademodus befindet, ist sie an die Bord-Stromrichter angeschlossen. Die Zwischenelektroden sind mit Zwischensicherungen zwischen den Anschlüssen auf der anderen Seite der Schnittstelle in Reihe geschaltet. Die Zwischensicherungen sind auf diese Weise außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet, was dessen Gewicht und Größe reduziert.
Ferner ist ein geteiltes Ladeanschlusssystem vorgesehen. Im Lademodus der Batterie werden mehrere Ladegeräte mit jeweils einem Batterieabschnitt unter Nutzung der Zwischenelektroden verbunden, um die Abschnitte parallel zu laden. Dies ermöglicht den Einsatz weniger leistungsstarker Ladegeräte mit einem niedrigeren Spannungsbereich.
Gegenstand der Erfindung ist ein Batteriesystem, welches mindestens zwei Module mit jeweils mindestens zwei in Reihe geschalteten Zellen umfasst. Das Batteriesystem umfasst eine erste Schnittstelle, welche eine Anzahl von Anschlüssen aufweist, die gleich der doppelten Anzahl der Module ist. Jeder Pol der Module ist jeweils über einen Leiter mit jeweils einem Anschluss der ersten Schnittstelle verbunden. Die Leiter, welche die positiven Pole der Module mit der ersten Schnittstelle verbinden, weisen jeweils einen Schalter auf, der geöffnet ist, wenn der zugehörige Anschluss der ersten Schnittstelle offen ist.
In einer Ausführungsform ist das Batteriesystem ein HV-Batteriesystem. In einer Ausführungsform ist die Summe der Spannungen der Module größer als 800 V, z.B. größer 1.000 V, oder auch größer 1.200 V.
In einer Ausführungsform des Batteriesystems ist die erste Schnittstelle als HV-Steckverbinder ausgeführt. Die erste Schnittstelle kann beispielsweise als mehrpolige Buchse oder als mehrpoliger Stecker ausgeführt sein.
Die in den Leitern, welche die positiven Pole der Module mit der ersten Schnittstelle verbinden, angeordneten Schalter können als mechanische Schalter ausgeführt sein, die von der Außenseite des Batteriesystems aus bedienbar sind. In einer Ausführungsform handelt es sich um magnetisch betätigte Reed-Schalter. Bevorzugt sind sie als elektrisch betätigte Schalter ausgeführt. In einer Ausführungsform sind sie als Relais ausgeführt. In einer Ausführungsform sind sie als elektronische Schalter ausgeführt, beispielsweise als Transistor.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Stromversorgung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Fahrzeugantrieb, umfassend ein erfindungsgemäßes Batteriesystem. Die Stromversorgung umfasst eine zweite Schnittstelle, welche die gleiche Anzahl von Anschlüssen aufweist wie die erste Schnittstelle des Batteriesystems. Jeder Anschluss der zweiten Schnittstelle ist mit jeweils einem Anschluss der ersten Schnittstelle verbunden. Eine Anzahl von Sicherungen, die der um 1 verringerten Anzahl der Module im Batteriesystem entspricht, ist so an der zweiten Schnittstelle angeschlossen, dass jede Sicherung jeweils mit dem Pluspol eines der Module des Batteriesystems und dem Minuspol eines anderen der Module des Batteriesystems verbunden ist. Alle Module des Batteriesystems sind so über die Sicherungen in Reihe geschaltet. Die Stromversorgung umfasst auch einen Stromrichter. Der Eingang des Stromrichters ist mit den beiden verbleibenden Anschlüssen der zweiten Schnittstelle verbunden, so dass die Summe der Spannungen der Module des Batteriesystems am Eingang des Stromrichters anliegt.
Der Stromrichter wandelt die Spannung des Batteriemoduls in die zum Betrieb der elektrischen Maschine erforderliche Spannung um. Abhängig von der Art der verwendeten elektrischen Maschine wird ein Stromrichter eingesetzt, der eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit der erforderlichen Voltzahl erzeugt. In einer Ausführungsform umfasst der Stromrichter einen Wechselrichter. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Stromrichter einen Tiefsetzsteller.
Die Sicherungen schützen die Module des Batteriesystems vor Beschädigung durch Überspannung oder zu hohe Ströme. Geeignete Sicherungen sind dem Fachmann im Prinzip bekannt. Beispiele sind Schmelzsicherungen; elektronische Sicherungen; selbstrückstellende Sicherungen wie Bimetall-Sicherungen oder Kaltleiter; Leitungsschutzschalter; etc.
Die zweite Schnittstelle ist als Gegenstück zu der ersten Schnittstelle ausgeführt, so dass jeder Anschluss der ersten Schnittstelle mit dem korrespondierenden Anschluss der zweiten Schnittstelle verbunden ist. Ist beispielsweise die erste Schnittstelle als mehrpolige Buchse ausgeführt, so stellt die zweite Schnittstelle das entsprechende Gegenstück dar, also einen mehrpoligen Stecker. In einer anderen Ausführungsform ist die erste Schnittstelle als mehrpoliger Stecker ausgeführt und die zweite Schnittstelle als mehrpolige Buchse. In einer Ausführungsform bilden die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle gemeinsam eine HV-Steckverbindung.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Laden eines mehrere Module enthaltenden Batteriesystems, bei dem mindestens ein Ladegerät mit mindestens einem Modul des Batteriesystems verbunden und geladen wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird jedes Modul des Batteriesystems mit einem Ladegerät verbunden und geladen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden gleichzeitig mehrere Ladegeräte jeweils mit mindestens einem Modul des Batteriesystems verbunden und die mit den Ladegeräten verbundenen Module werden gleichzeitig geladen. In einer Ausführungsform ist die Anzahl der Ladegeräte gleich der Anzahl der Module im Batteriesystem, d.h. jedes Modul des Batteriesystems ist mit jeweils einem Ladegerät verbunden und alle Module werden gleichzeitig geladen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.

1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems;
2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung;
3 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden des Batteriesystems.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen dieselben Komponenten.
1 zeigt eine Batterie 10, die M in Reihe geschaltete Zellen enthält, die in N Abschnitte bzw. Module 2 eingeteilt sind. Ein Leiter 4 führt vom Minuspol der (i*M/N+1)ten (i=1...N-1) Zelle zur Schnittstelle 6 einer HV-Verbindung. Ein weiterer Leiter 3 führt vom Pluspol der (i*M/N)ten (i=1...N-1) Zelle zur Schnittstelle 6 einer HV-Verbindung. Die Schnittstelle 6 weist 2xN Pole auf, zwei für den Pluspol und den Minuspol der Batterie 10, und die übrigen für die Zwischenpole in der Batterie 10. In den Leitern 3, die die Pluspole der Module 2 mit der Schnittstelle 6 verbinden, sind Schalter 5 vorgesehen, die geöffnet sind, wenn die Kontakte der Schnittstelle 6 offen sind, d.h. weder mit einem Verbraucher noch einem Ladegerät verbunden sind. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist zusätzlich noch ein Schalter 5 in dem Leiter 4 vorgesehen, der den Minuspol des letzten der hintereinander geschalteten Module 2, d.h. den Minuspol der Batterie 10, mit der Schnittstelle 6 verbindet.
Wenn die Batterie 10 nicht verbunden ist, liegt keine Spannung an der Schnittstelle 6 an, die Anschlüsse der Schnittstelle 6 sind potentialfrei. Dadurch sind sichere Handhabung und sicherer Transport der Batterie 10 gewährleistet. Dies entspricht der Öffnung des zentralen Unterbrechers zwischen den Batteriepacks oder der Entfernung der internen Trennsicherung zwischen den Batteriepacks bei Batterien herkömmlicher Bauart.
Die Bauart des erfindungsgemäßen Batteriesystems macht die Verwendung eines zentralen Unterbrechers überflüssig, wodurch Gewicht und Volumen eingespart wird. Die Trennsicherungen zwischen den Modulen befinden sich außerhalb des Batteriegehäuses, was eine weitere Gewichts- und Volumenersparnis ermöglicht. Außerdem erleichtert dies den Austausch defekter Sicherungen erheblich.
2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung für eine elektrische Maschine. Die Batterie 10 ist über die erste Schnittstelle 6 mit einer zweiten Schnittstelle 7 verbunden. Die Schnittstellen 6 und 7 sind beispielsweise die beiden Hälften einer HV-Steckverbindung. Der Pluspol und der Minuspol der Batterie 10 sind mit dem Eingang eines Stromrichters 20 verbunden, der die Batteriespannung in eine für den Betrieb der elektrischen Maschine (die in der 2 nicht gezeigt ist) geeignete Spannung umwandelt. Die Zwischenpole der Batterie 10 sind in Reihe geschaltet, und N-1 Sicherungen 8 sind zwischen den Zwischenpolen angeordnet, so dass hintereinander geschaltete Module 2 jeweils über eine Sicherung 8 verbunden sind. Am Eingang des Stromrichters 20 liegt somit die Summe der Einzelspannungen der Module 2 an. Im Entlademodus sind alle Schalter 5 in der Batterie 10 geschlossen und es kann ein Strom fließen.
3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie 10, die über die erste Schnittstelle 6 und eine zweite Schnittstelle 7 mit einer Reihe von Ladegeräten 30 verbunden ist. Im Lademodus sind alle Schalter 5 in der Batterie 10 geschlossen, so dass die Module 2 geladen werden können. In der in 3 gezeigten Ausführungsform sind N Ladegeräte an die zweite Schnittstelle 7 angeschlossen. Über die Zwischenpole der Batterie 10, die mit der Schnittstelle 6 verbunden sind, können N Module 2 parallel geladen werden.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist N die Gesamtanzahl der Module 2 der Batterie 10, d.h. jedes Modul 2 der Batterie 10 ist mit einem Ladegerät 30 verbunden. In anderen Ausführungsformen ist ein Ladegerät 30 mit dem Plus- und Minuspol eines Abschnitts von mehreren in Reihe geschalteten Modulen 2 verbunden. Im einer anderen Ausführungsform sind nicht alle Module 2 zur gleichen Zeit mit einem Ladegerät 30 verbunden, sondern nur ein einzelnes Modul 2; oder eine Anzahl oder eine Gruppe von Modulen 2, die kleiner ist als die Gesamtzahl der Module 2.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform, bei der jedes Modul 2 mit einem Ladegerät 30 verbunden ist und alle Module 2 parallel geladen werden, liefern alle Ladegeräte 30 denselben Strom, aber jeweils nur 1/N der Nennspannung der Batterie 10.
Das erfindungsgemäße Ladeverfahren, das ein geteiltes Ladeanschlusssystem verwendet, erlaubt den Einsatz weniger leistungsstarker Ladegeräte. Es ist dadurch auch möglich, Ladegeräte zu verwenden, die eine geringere Ausgangsspannung liefern, da nicht die gesamte Nennspannung der Batterie von einem einzigen Ladegerät bereitgestellt werden muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2016272084 A1 [0005]
US 5477936 A [0006]
US 8704485 B1 [0007]

Claims

Batteriesystem (10), umfassend mindestens zwei Module (2) mit jeweils mindestens zwei in Reihe geschalteten Zellen (1) und eine erste Schnittstelle (6), welche eine Anzahl von Anschlüssen aufweist, die gleich der doppelten Anzahl der Module (2) ist, worin jeder Pol der Module (2) jeweils über einen Leiter (3,4) mit jeweils einem Anschluss der ersten Schnittstelle (6) verbunden ist, wobei die Leiter (3), welche die positiven Pole der Module (2) mit der ersten Schnittstelle (6) verbinden, jeweils einen Schalter (5) aufweisen, der geöffnet ist, wenn der zugehörige Anschluss der ersten Schnittstelle (6) offen ist.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, das ein HV-Batteriesystem ist.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Summe der Spannungen der Module (2) größer als 800 V ist.
Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Schnittstelle (6) als HV-Steckverbinder ausgeführt ist.
Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schalter (5) als elektrisch oder elektronisch betätigte Schalter ausgeführt sind.
Stromversorgung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Fahrzeugantrieb, umfassend ein Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eine zweite Schnittstelle (7), welche die gleiche Anzahl von Anschlüssen aufweist wie die erste Schnittstelle (6) des Batteriesystems (10), eine Anzahl von Sicherungen (8), die der um 1 verringerten Anzahl der Module (2) im Batteriesystem (10) entspricht, und einen Stromrichter (20), wobei jeder Anschluss der zweiten Schnittstelle (7) mit jeweils einem Anschluss der ersten Schnittstelle (6) verbunden ist, und jede Sicherung (8) jeweils mit dem Pluspol eines der Module (2) des Batteriesystems (10) und dem Minuspol eines anderen der Module (2) des Batteriesystems (10) verbunden ist, so dass alle Module (2) des Batteriesystems (10) über die Sicherungen (8) in Reihe geschaltet sind, und wobei die beiden verbleibenden Anschlüsse der zweiten Schnittstelle (7) mit dem Eingang des Stromrichters (20) verbunden sind.
Stromversorgung nach Anspruch 6, bei welcher der Stromrichter (20) einen Wechselrichter umfasst.
Stromversorgung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher der Stromrichter (20) einen Tiefsetzsteller umfasst.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der mindestens eine der Sicherungen (8) eine Schmelzsicherung ist.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der mindestens eine der Sicherungen (8) eine elektronische Sicherung ist.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem die erste Schnittstelle (6) und die zweite Schnittstelle (7) gemeinsam eine HV-Steckverbindung bilden.
Verfahren zum Laden eines Batteriesystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mindestens ein Ladegerät (30) mit mindestens einem Modul (2) des Batteriesystems (10) verbunden und geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem jedes Modul (2) mit einem Ladegerät (30) verbunden und geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem gleichzeitig mehrere Ladegeräte (30) mit jeweils mindestens einem Modul (2) verbunden werden und die mit den Ladegeräten (30) verbundenen Module (2) gleichzeitig geladen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Anzahl der Ladegeräte (30) gleich der Anzahl der Module (2) im Batteriesystem (10) ist.