-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems mit mehreren Batteriezellen.
-
Weiterhin wird ein Batteriesystem angegeben, welches insbesondere zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.
-
US 2014/0184142 offenbart ein Batteriepack mit einer Vielzahl von Batteriemodulen für ein Hybridfahrzeug, wobei das Batteriepack einen Stromkreis aufweist, in dem die Batteriemodule in Serie geschaltet werden und einen weiteren Stromkreis, bei dem die Batteriemodule parallel geschaltet werden. Das Batteriepack weist einen Ladeschalter auf, welcher die Batteriemodule zum Laden an- oder ausschalten kann. Zum Laden werden die Batteriemodule parallel geschaltet.
-
WO 2011/105794 offenbart ein hybrides Batteriezellensystem, welches eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, die umschaltbar parallel und seriell miteinander verbunden betrieben werden. Beim Laden werden die Batteriezellen parallel geschaltet.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems mit mehreren Batteriemodulen umfassend mehrere Batteriezellen ist vorgesehen, dass die Batteriemodule im Entladebetrieb, z. B. im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs, parallel geschaltet werden und im Ladebetrieb, insbesondere Schnellladebetrieb, seriell geschaltet werden.
-
Vorteilhaft erfolgt in dem erfindungsgemäßen Batteriesystem der Ladebetrieb mit seriell verschalteten Batteriemodulen, so dass sich ein höheres Spannungsniveau einstellt als beim Entladebetrieb, d. h. beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Batteriemodule, mit parallel verschalteten Batteriemodulen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Batteriesystem genau zwei Batteriemodule, die derartig betrieben werden. Hierdurch werden die Leistungsaufnahme des Batteriesystems beim Laden und die Leistungsabgabe des Batteriesystems beim Entladen optimiert.
-
Bevorzugt umfasst jedes Batteriemodul mehr als 50, weiter bevorzugt mehr als 100 Batteriezellen, z. B. 104 Batteriezellen.
-
Die Begriffe „Batterie“ und „Batteriezelle“ werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. Akkumulatorzelle verwendet.
-
Die Batteriezellen können z. B. Lithium-Ionen-Batteriezellen, Lithium-Schwefel-Batteriezellen, Lithium-Luft-Batteriezellen, Magnesium-Batteriezellen oder Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen sein.
-
Insbesondere können die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen sein, die sich typischerweise durch besonders hohe Energiedichte, thermische Stabilität und geringe Selbstentladung auszeichnen. Lithium-Ionen-Batteriezellen können beispielsweise kathodische Aktivmaterialien umfassen, die Li(NixCoyMnz)O2, LiNiCoAlO2, LiCoO2, LiMn2O4 oder LiFePO4 oder Mischungen oder Schichtfolgen daraus aufweisen. Als Anoden werden bevorzugt Interkalationsanoden eingesetzt, insbesondere Graphit, Carbon Nanotubes oder Buckyballs. Alternativ können Konversionsanoden, z. B. Si, Sn, verwendet werden. Die Batteriezellen haben ihrer chemisch-physikalischen Natur nach einen Spannungsbereich von 2,8 Volt bis 4,2 Volt. Wenn die Batteriezellen voll aufgeladen sind, was einem SOC von 100 % entspricht (SOC, state of charge) dann beträgt ihre Leerlaufspannung üblicherweise 4,2 V.
-
Die Batteriezellen können z. B. als Pouchzellen, Hardcase-Zellen, insbesondere prismatische Hardcase-Zellen, BEV, Nutshell-Zellen oder Mikrozellen ausgeführt sein.
-
Die Batteriezellen können jelly rolls aufweisen, d.h. Wickel, in denen Anode, Separator und Kathode schichtweise und in aufgewickelter Form in ein Zellgehäuse eingebracht sind. Die Wickel werden im Zellinneren metallisch kontaktiert und über die Anschlusspole aus dem Zellgehäuse herausgeführt. Alternative Ausführungsformen umfassen z. B. stacks, d.h. Schichtstapel. Bei Batteriezellen größerer Nennkapazität ist es üblich, intern in einem Gehäuse mehrere jelly rolls oder stacks parallel zu schalten, um die gewünschten Energie- und Leistungsdaten zu erreichen.
-
In dem Batteriemodul sind die Batteriezellen vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel verschaltet, um die geforderte Leistung bereitzustellen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Batteriemodule eine gleiche Anzahl von gleichartig verschalteten Batteriezellen aufweisen. Beispielsweise sind die Batteriezellen im Batteriemodul ausschließlich seriell verschaltet.
-
Durch den seriell geschalteten Betrieb der Batteriemodule stellt sich ein hohes Spannungsniveau beim Laden ein. Bevorzugt ist das Spannungsniveau im Ladebetrieb, d. h. die Ladespannung, 800 V oder mehr.
-
Durch den parallel geschalteten Betrieb der Batteriemodule stellt sich ein niedrigeres Spannungsniveau beim Entladen, d. h. beim Gebrauchen der Batterien ein. Bevorzugt ist das Spannungsniveau im Entlade- bzw. Fahrbetrieb, d. h. die Entladespannung, 500 V oder weniger.
-
Bevorzugt erfolgt das Laden bei einer Nennladeleistung von 150 kW und mehr, weiter bevorzugt bei 250 kW oder mehr. 150 kW wird beispielsweise bei 440 V Spannung und 350 A Strom erreicht. 250 kW wird beispielsweise bei 800 V Spannung und 350 A Strom erreicht.
-
Die Anzahl der verschaltbaren Batteriemodule sind nicht beschränkt. Es können zum Beispiel auch drei Batteriemodule mit einer Maximalspannung von 1200 V sein. Dadurch ist das Verfahren für zukünftige Standards anpassbar.
-
Das Verfahren wird bevorzugt bei Traktionsbatteriesystemen für Fahrzeuge durchgeführt. Traktionsbatteriesysteme sind mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs verbindbar oder verbunden. Das Verfahren kann bei Elektrofahrzeugbatterien, bei Hybridfahrzeugbatterien oder allgemein bei Batteriesystemen angewendet werden, die modular aufgebaut sind und als Energiespeicher eingesetzt werden.
-
Mehrere derartige Batteriemodule oder Batteriesysteme können dabei sogenannte Batteriedirektkonverter (BDC, Battery Direct Converter) bilden und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, Battery Direct Inverter).
-
Bevorzugt wird das Laden an Ladesäulen durchgeführt, insbesondere an Schnellladesäulen, z. B. Ladesäulen gemäß CCS-Standard, GB/T-Standard, CHAdeMO-Standard, insbesondere Ultraschnell-Ladesäulen.
-
Die Entscheidung über die Verschaltung der Batteriemodule kann zentral im Batteriemanagementsystem erfolgen, beispielsweise durch Erkennen des Ladezustands.
-
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Batteriesystem mit mehreren Batteriemodulen umfassend mehrere Batteriezellen und einem Batteriemanagementsystem bereitgestellt, wobei das Batteriemanagementsystem eingerichtet ist, die Batteriemodule im Entladebetrieb parallel zu schalten und im Ladebetrieb seriell zu schalten.
-
Die Einheiten des Batteriemanagementsystems sind als funktionale Einheiten zu verstehen, die nicht notwendigerweise physikalisch voneinander getrennt sind. So können mehrere Einheiten des Batteriemanagementsystems in einer einzigen physikalischen Einheit realisiert sein, etwa wenn mehrere Funktionen in Software auf einem Steuergerät implementiert sind. Die Einheiten des Batteriemanagementsystems können auch in Hardware-Bausteinen implementiert sein, beispielsweise durch Sensoreinheiten und anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC, Application Specific Circuit), sowie als Microcontroller.
-
Die Schaltfunktion kann durch einen aufwandsarm realisierbaren zentralen Schalter der Hauptsteuereinheit per Verkabelung der Batteriemodule umgesetzt werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Batteriemanagementsystem ein Hauptsteuereinheit und mehrere Modulsteuereinheiten aufweist, welche über einen Steuerkanal miteinander in Verbindung stehen, wobei jede Modulsteuereinheit einem Batteriemodul zugeordnet ist und ausgebildet und eingerichtet ist, um das zugeordnete Batteriemodul parallel oder in Reihe zu schalten. Alternativ kann dann die Schaltfunktion als ein Steuerbefehl von der Hauptsteuereinheit über eine uni- oder bidirektionale Schnittstelle an Modulsteuereinheiten umgesetzt werden, wobei die Vorgabe des Schaltzustands von der Hauptsteuereinheit als nur eine einzige Nachricht an die Modulsteuereinheiten gesendet werden kann. Die Modulsteuereinheiten empfangen diese Nachricht und schalten entsprechend der Vorgabe.
-
Das Batteriesystem kann weitere Steuersysteme umfassen, die Untereinheiten des Batteriemoduls bis hin zu Zellsteuersystemen umfassen, z.B. zur Erzeugung einer geringeren Gesamtausgangsspannung des Batteriesystems. Hierzu kann das Batteriemanagementsystem beispielsweise einzelne Batteriezellen aus der Reihenschaltung zuschalten oder wegschalten. Für den Fall, dass die Batteriezellen weggeschaltet werden, werden sie von der Reihenschaltung getrennt und die Anschlussklemmen der zugehörigen Zellelektronik elektrisch verbunden, so dass sich ein Zustand „überbrückt“ einstellt.
-
Besonders bevorzugt ist das Batteriesystem kompatibel mit Standards für die Ladung von Kraftfahrzeugen an Schnellladesäulen, z. B. Ladesäulen gemäß ISO 15118, CCS-Standard, GB/T-Standard, CHAdeMO-Standard, insbesondere Ultraschnell-Ladesäulen. Die Kompatibilität bezieht sich dabei sowohl auf das Kommunikationsprotokoll als auch auf die Stecker, wobei die Standards der IEC 61851-23 und IEC 61851-24 gültig am 8.12.2016 gelten sollen. Beispielsweise ist das Batteriesystem kompatibel mit CCS-Steckern wie Stecker Typ 2 nach DIN EN 62196-2 oder Combo 2 DIN EN 62196-3 gültig am 8.12.2016.
-
Das Batteriesystem umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs.
-
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Batteriesystem zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie des Batteriesystems mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Das Kraftfahrzeug kann als reines Elektrofahrzeug ausgestaltet sein und ausschließlich ein elektrisches Antriebssystem umfassen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgestaltet sein, das ein elektrisches Antriebssystem und einen Verbrennungsmotor umfasst. In einigen Varianten kann vorgesehen sein, dass die Batterie des Hybridfahrzeugs intern über einen Generator mit überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden kann. Extern aufladbare Hybridfahrzeuge (PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle) sehen zusätzlich die Möglichkeit vor, die Batterie über das externe Stromnetz aufzuladen.
-
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die bewirken, dass eines der zuvor beschriebenen Batteriemanagementsysteme oder Subsysteme die entsprechenden Schritte eines der zuvor beschriebenen Verfahren ausführt. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zur Implementierung eines Batteriemanagementsystems oder eines Subsystems hiervon in einem Fahrzeug handeln.
-
Die Erfindung umfasst auch ein computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium, auf einer CD-ROM, DVD, Blu-ray Disc oder einem USB-Stick gespeichert sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung wie etwa auf einem Server oder einem Cloud-Computing-System zum Herunterladen bereitgestellt werden, z.B. über ein Datennetzwerk wie das Internet, oder eine Kommunikationsverbindung wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.
-
Vorteile der Erfindung
-
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren definiert, das ein Schnellladen einer typischen Traktionsbatterie mit höherer Spannungslage ermöglicht.
-
Hierzu wird die Batterie in zwei gleiche Teile aufgetrennt, die im Ladebetrieb seriell und im Fahrbetrieb parallel zusammengeschaltet werden.
-
Das Verfahren kann kostengünstig implementiert werden, da es eine einfache Umschaltung der Verschaltung der Batteriemodule umfasst.
-
Größere Kabelquerschnitte zur Erzielung einer höheren Ladegeschwindigkeit sind somit nicht erforderlich, zudem kann auf die sonst notwendige Kühlung der Ladeverbindung zur Batterie verzichtet werden.
-
Ein weiterer Vorteil ist die Nutzung der höheren Effizienz der Standard IGBT bei ~450 V bei Möglichkeit der Ultraschnellladung bei 850 V.
-
Außerdem genügt diese Art der Verschaltung sehr gut der Anforderung nach einer kurzen Ladedauer im Vergleich zur längeren Fahrzeit.
-
Figurenliste
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems,
- 2 eine schematische Darstellung erfindungsgemäßer Batteriemodule in einem ersten Zustand und
- 3 eine schematische Darstellung erfindungsgemäßer Batteriemodule in einem zweiten Zustand.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
-
1 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 2 mit zwei Batteriemodulen 4. Jedes Batteriemodul 4 umfasst mehrere in Serie geschaltete Batteriezellen 8. Zwischen den Batteriemodulen 4 ist ein Modulverbinder 12 angeordnet, der von einem Batteriemanagementsystem 6 gesteuert wird. Über den Modulverbinder 12 können zwei Schaltzustände eingestellt werden, nämlich ein erster, bei dem die Batteriemodule 4 parallel zueinander geschaltet sind und ein zweiter, bei dem die Batteriemodule 4 parallel zueinander geschaltet sind.
-
Die kleinste Einheit des Batteriesystems 2 bildet die Batteriezelle 8. Um eine hohe Spannung, üblicherweise im Bereich von ca. 400 V zu generieren, welche für Hybridfahrzeug- und Elektrofahrzeugantriebe benötigt wird, sind die Batteriezellen 8 verschaltet, z. B. seriell. Die Verschaltung von mehreren Batteriezellen 8 bildet ein Batteriemodul 4. Beispielsweise sind 104 Batteriezellen 8 in Serie geschaltet, um das Batteriemodul 4 zu bilden.
-
Mehrere Batteriemodule 4, hier beispielsweise genau zwei Batteriemodule 4, bilden ein Batteriepack 14. Das Batteriepack 14 stellt an Anschlüssen 10 eine Ausgangsspannung bereit, z. B. für den Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
-
Das Batteriesystem 2 weist ein Batteriemanagementsystem 6 mit einer Hauptsteuereinheit auf, welches auch als CCU (central control unit) bezeichnet wird. Das Batteriemanagementsystem 6 ist ausgebildet und eingerichtet, die Batteriemodule 4 des Batteriepacks 14 in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung zu bringen.
-
Die Erfindung ist dabei nicht auf die in 1 dargestellte Ausführungsform beschränkt. So können etwa auch drei oder mehr Batteriemodule 4 vorgesehen sein, die vom Batteriemanagementsystem 6 parallel und seriell miteinander zusammenschaltbar sind. Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Schaltung über Modulsteuergeräte erfolgt, die von der Hauptsteuereinheit des Batteriemanagementsystems 6 angesteuert werden.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung des Batteriepacks 14 mit zwei Batteriemodulen 4 in einem ersten Zustand. Die Batteriemodule 4 sind zum Entladen, d. h. z. B. im Fahrbetrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, parallel geschaltet. Bevorzugt sind die Batteriemodule 4 auch beim Rekuperieren von Energie parallel geschaltet.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung des Batteriepacks 14 mit zwei Batteriemodulen 4 in einem zweiten Zustand. Die Batteriemodule 4 sind im Ladebetrieb in Reihe geschaltet.
-
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
-
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 2014/0184142 [0003]
- WO 2011/105794 [0004]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- ISO 15118 [0028]
- DIN EN 62196-2 [0028]
- DIN EN 62196-3 [0028]