DE102011077701A1 - Battery i.e. lithium-ion battery, for e.g. vehicle, has set of poles connected to node between blocks, and another set of poles connected to end tapping, where set of voltage states is tapped based on blocks lying between two sets of poles - Google Patents

Battery i.e. lithium-ion battery, for e.g. vehicle, has set of poles connected to node between blocks, and another set of poles connected to end tapping, where set of voltage states is tapped based on blocks lying between two sets of poles Download PDF

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Abstract

The battery (10) has a set of serially connected battery cell blocks (20-22) arranged in a battery housing (47) and comprising power optimized battery cells (16, 23) and energy optimized battery cells (17, 18). The battery cells are designed as lithium ion cells. A set of poles (26, 27) is connected to a node between the battery cell blocks and led out from the battery housing. Another set of poles (25, 28) is connected to an end tapping of the battery. A set of voltage states (11-15) at the two sets of poles is tapped based on the battery cell blocks lying between the two sets of poles. An independent claim is also included for a method for actuating a vehicle battery.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen, ein Bordnetz damit und ein Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen für Bordnetze < 60 V.The present invention relates to a vehicle battery with multiple voltage levels, a vehicle electrical system and a method for operating a vehicle battery with multiple voltage levels for electrical systems <60 V.

Stand der TechnikState of the art

Das konventionelle Bordnetz eines Fahrzeugs besteht im Wesentlichen aus Generator, Batterie und elektrischen Verbrauchern. Die Batterie besitzt eine Spannungslage. Mit dieser Spannungslage müssen alle Komponenten arbeiten und auf diese Spannung hin optimiert werden. Teilweise existieren Bordnetze mit mehreren Teilnetzen, die unterschiedliche Spannungslagen und mehrere Energiespeicher besitzen. Hierbei können Wandler zur Versorgung der Teilnetze notwendig sein.The conventional electrical system of a vehicle consists essentially of generator, battery and electrical consumers. The battery has a voltage level. With this voltage situation, all components must work and be optimized for this voltage. Partially exist electrical systems with several subnets that have different voltage levels and multiple energy storage. This converter may be necessary to supply the subnets.

In LKWs werden üblicherweise zwei in Reihe geschaltete 12-V-Batterien verwendet um den Haupt-Teil der Verbraucher mit 24 V zu versorgen. Zusätzlich gibt es einen Mittelabgriff um 12-V-Verbraucher zu versorgen. Die dadurch auftretende ungleichmäßige Belastung der Batterien wird teilweise durch einen so genannten Battery Equalizer, der die Batterien auf gleiches Ladungsniveau zurückführt, ausgeglichen. Auf diese Weise wird einer beschleunigten Alterung der Batterie entgegengewirkt.Trucks typically use two 12V series batteries in series to supply the main part of the load to 24V. In addition, there is a tap to supply 12V consumers. The resulting uneven load on the batteries is partially offset by a so-called Battery Equalizer, which returns the batteries to the same charge level. In this way, an accelerated aging of the battery is counteracted.

Die Druckschriften WO 2008/124552 , US 2009/0128095 und US 2009/0286149 beschreiben Ladeschaltungen für Batteriesysteme mit mehreren Spannungslagen.The pamphlets WO 2008/124552 . US 2009/0128095 and US 2009/0286149 describe charging circuits for battery systems with multiple voltage levels.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung schafft eine Fahrzeug-Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.The invention provides a vehicle battery having the features of patent claim 1 and a method having the features of patent claim 8.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.Advantageous embodiments and further developments will become apparent from the other dependent claims and from the description with reference to the drawings.

Die Erfindung schafft eine Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen und ein Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Erfindungsgemäß werden Batteriezellen in Blöcken zusammengefasst und Spannungslagen aus Blöcken gebildet. Bei einer geeigneten Auslegung der Zellblöcke nach ihrem zu erwartenden Belastungsprofil kann damit die Komplexität der Lade-Schaltungen gemäß dem Stand der Technik vermieden werden.The invention provides a multi-voltage vehicle battery and a method of operating a multi-voltage vehicle battery according to the independent claims. According to the invention, battery cells are combined in blocks and voltage layers are formed from blocks. With a suitable design of the cell blocks according to their expected load profile so that the complexity of the charging circuits according to the prior art can be avoided.

Generell sind die Vorteile mehrerer Spannungslagen eine Reduzierung der Leitungs-Verluste, insbesondere bei der Versorgung von Hochstromverbrauchern, und eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit, beispielsweise in Bezug auf Energieeffizienz oder Lebensdauer. Außerdem können Komponentenkosten gesenkt werden, da Eingangs-Spannungs-Wandler entfallen.In general, the advantages of multiple voltage levels are a reduction in line losses, especially in the supply of high current consumers, and an improvement in performance, for example, in terms of energy efficiency or lifetime. In addition, component costs can be reduced as input voltage converters are eliminated.

Das erfindungsgemäße Batteriekonzept ist sowohl für konventionelle Kraftfahrzeuge als auch für Hybridfahrzeuge, sowohl für Personenkraftwagen, Nutzfahrzeuge als auch für Sonderfahrzeuge (Gabelstapler, Kettenfahrzeuge), Wasserfahrzeuge und Flugzeuge einsetzbar.The battery concept according to the invention can be used both for conventional motor vehicles and for hybrid vehicles, both for passenger cars, commercial vehicles and for special vehicles (forklifts, tracked vehicles), watercraft and aircraft.

Insbesondere im PKW-Bereich ist durch die Elektrifizierung des Antriebsstranges mit elektrischer Kraftstoffpumpe, elektrische Lenkung etc. und der Klimatisierung der Energiebedarf des Energiebordnetzes ständig gestiegen. Um den hohen Energiebedarf mit üblichen luftgekühlten 12V-Generatoren abdecken zu können, werden Bordnetze mit mehreren Spannungslagen und höheren Spannungen entwickelt. Dabei wird auch eine Batterie mit gleichen Spannungslagen benötigt.In particular, in the passenger car sector, the electrification of the drive train with electric fuel pump, electric steering, etc. and the air conditioning, the energy consumption of the energy board network has steadily increased. In order to cover the high energy demand with conventional air-cooled 12V generators, electrical systems with several voltage levels and higher voltages are being developed. It also requires a battery with the same voltage levels.

Klimaschutzbestrebungen führen zu einem so genannten Boost- und Rekuperationssystem mit Motor-Generator, bei dem in Bremsphasen überschüssige Energie des Motor-Generators in die Starterbatterie gespeist und bei Beschleunigung der Motor-Generator zum Antrieb benutzt wird. Durch die erfindungsgemäße Batterie werden besonders bei diesem Boost- und Rekuperationssystem Systemkosten gespart und zusätzlich das Rekuperationspotential gesteigert.Climate protection efforts lead to a so-called boost and Rekuperationssystem with motor-generator, in which in braking phases excess energy of the motor-generator fed into the starter battery and is used in acceleration of the motor-generator for driving. The battery according to the invention saves system costs especially in this boost and recuperation system and, in addition, increases the recuperation potential.

Im LKW-Bereich hat die erfindungsgemäße Batterie weitere Vorteile. Die kommende Einführung von Start-Stop-Systemen und rekuperativem Bremsen erfordert eine Überwachung des Ladezustands SOC (State of Charge). Konventionelle Batterie-Sensorik-Systeme funktionieren nur für eine einzelne Batterie, aber nicht für zwei in Serie geschaltete 12 V Batterien mit Mittelabgriff. Der Integrationsaufwand bei der Einführung der erfindungsgemäßen Batterie bleibt zudem gering, da bestehende 12 V bzw. 24 V Komponenten beibehalten werden können.In the truck sector, the battery according to the invention has further advantages. The upcoming introduction of start-stop systems and recuperative braking requires monitoring the state of charge (SOC). Conventional battery sensing systems work only for a single battery, but not for two 12V center-tapped batteries in series. The integration effort in the introduction of the battery according to the invention also remains low, since existing 12 V or 24 V components can be maintained.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Batterie ist, dass mit einer einzigen Batterie mehrere Spannungslagen in einem Batteriegehäuse bereitgestellt werden. Dies senkt den Systemaufwand für die Bereitstellung mehrerer Spannungslagen und die Notwendigkeit mehrerer separater Energiespeicher entfällt. Die elektrischen Komponenten des Bordnetzes können mit einer besser geeigneten Betriebsspannung arbeiten. Another advantage of the battery according to the invention is that multiple voltage levels are provided in a battery housing with a single battery. This reduces the overhead of deploying multiple voltage levels and eliminates the need for multiple separate energy storage devices. The electrical components of the electrical system can work with a more suitable operating voltage.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Batterie ist, dass mehrere Spannungslagen geschaffen werden ohne einen internen oder externen Gleichspannungswandler zu benötigen.Another advantage of the battery according to the invention is that multiple voltage levels are created without the need for an internal or external DC-DC converter.

Ein anderer Vorteil ist die Verbesserung der Lebensdauer und der Leistungsfähigkeit von Starterbatterien. Dies wird durch eine bedarfsgerechte Auslegung der einzelnen Zell-Blöcke erreicht, d.h. Grad der Leistungsoptimierung bzw. Energieoptimierung der Zellen einzelner Blöcke entsprechend deren Verbraucheranforderungen.Another advantage is the improvement of the life and performance of starter batteries. This is achieved by tailoring the individual cell blocks, i. Degree of power optimization or energy optimization of the cells of individual blocks according to their consumer requirements.

Vorteilhaft ist weiterhin die Vermeidung einer teuren internen Ladeschaltung. Ein einfacher Betrieb ist mit nur einem Generator-Anschluss und einem entsprechenden Batterie Management System (Battery Management System BMS) und Cell-Balancing möglich.Another advantage is the avoidance of an expensive internal charging circuit. Simple operation is possible with only one generator connection and a corresponding Battery Management System (BMS) and cell balancing.

Die Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen hat den Vorteil, dass auch bei unterschiedlicher Belastung einzelner Blöcke eine hohe Lebensdauer und eine hohe Leistungsfähigkeit erreicht werden.The use of lithium-ion cells has the advantage that a long service life and a high level of performance are achieved even with different loading of individual blocks.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Batterieladeverfahrens ist, dass die Batterie als aktive Komponente fahrzustandsabhängig betrieben wird.One advantage of the battery charging method according to the invention is that the battery is operated as an active component depending on the driving state.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The present invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the drawings.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic representation of a vehicle battery with multiple voltage levels according to an embodiment of the present invention.

2 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Betrieb einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 FIG. 12 shows a flowchart of the method for operating a multi-voltage vehicle battery according to another embodiment of the present invention.

3 zeigt ein Flussdiagramm eines Block-Ausgleichs zu Verfahrensschritt c) des Verfahrens aus 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 FIG. 5 shows a flowchart of a block compensation to method step c) of the method 2 according to another embodiment of the present invention.

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.The accompanying drawings are intended to provide further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale to each other.

In den Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. In the drawings, identical, functionally identical and identically acting elements, features and components - unless otherwise stated - each provided with the same reference numerals.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist eine Fahrzeug-Batterie 10 mit mehreren Spannungslagen 11–15 und ein Interface 50 zu einem Bordnetz eines Fahrzeugs dargestellt. Die Fahrzeug-Batterie 10 weist seriell angeordnete Batteriezellen 16, 17, 18 auf, die in Zellen-Blöcke 20, 21, 22 aufgeteilt sind. Ein erster Zellen-Block 20 enthält die Batteriezellen 16, ein zweiter Zellen-Block 21 enthält die Batteriezellen 17 und ein dritter Zellen-Block 22 enthält die Batteriezellen 18. Der erste Zellen-Block 20 enthält weiterhin die seriell angeordneten Batteriezellen 23 parallel zu den Zellen 16. Die Fahrzeug-Batterie 10 kann eine Lithium-Ionen-Batterie mit Lithium-Ionen-Batteriezellen sein.In 1 is a vehicle battery 10 with several voltage levels 11 - 15 and an interface 50 represented to a vehicle electrical system of a vehicle. The vehicle battery 10 has serially arranged battery cells 16 . 17 . 18 on that in cell blocks 20 . 21 . 22 are divided. A first cell block 20 contains the battery cells 16 , a second cell block 21 contains the battery cells 17 and a third cell block 22 contains the battery cells 18 , The first cell block 20 also contains the serially arranged battery cells 23 parallel to the cells 16 , The vehicle battery 10 may be a lithium-ion battery with lithium-ion battery cells.

Aus der Batterie 10 herausgeführt sind Pole 25, 26, 27 und 28, wobei die Pole 25 und 28 Endabgriffe der Batterie 10 bilden und die Spannungslage 13 der maximalen Spannung bilden. Pol 25 bildet gleichzeitig einen gemeinsamen Minuspol der Spannungslagen 11, 12 und 13.From the battery 10 led out are poles 25 . 26 . 27 and 28 , where the poles 25 and 28 End taps of the battery 10 form and the voltage level 13 to form the maximum voltage. pole 25 simultaneously forms a common negative pole of the voltage levels 11 . 12 and 13 ,

Die Zellen-Blöcke 20, 21, 22 sind seriell angeordnet, wobei zwischen den benachbarten Zellen-Blöcken 20, 21 sowie 21, 22 jeweils die gemeinsamen Pole 26 bzw. 27 als Zwischenabgriffe aus einem Batteriegehäuse 47 herausgeführt sind. Mit diesen Zwischenabgriffen werden Spannungslagen mit kleinerer Spannung als der maximalen Batterie-Spannung 13 bereitgestellt. So wird die Spannungslage 11 zwischen den Polen 25, 26, die Spannungslage 12 zwischen den Polen 25, 27, die Spannungslage 14 zwischen den Polen 26, 27, und die Spannungslage 15 zwischen den Polen 27, 28 bereitgestellt.The cell blocks 20 . 21 . 22 are arranged serially, with between the adjacent cell blocks 20 . 21 such as 21 . 22 each the common poles 26 respectively. 27 as intermediate taps from a battery case 47 led out. With these intermediate taps are voltages with a smaller voltage than the maximum battery voltage 13 provided. This is how the voltage is 11 between the poles 25 . 26 , the voltage situation 12 between the poles 25 . 27 , the voltage situation 14 between the poles 26 . 27 , and the tension 15 between the poles 27 . 28 provided.

Obwohl zwischen zwei aus dem Batteriegehäuse 47 herausgeführten Polen jeweils eine Spannungslage gebildet ist, muss nicht jede bereitgestellte Spannungslage im Bordnetz verwendet werden. Ein Beispiel für eine bereitgestellte, aber hier nicht verwendete Spannungslage ist die Spannungslage zwischen den Polen 26 und 28. Bei einem Abgriff ohne Benutzung des negativen Pols als Masse, z.B. Abgriff der Spannungslage 14 zwischen Pol 26 und Pol 27 ist zu beachten, dass die angeschlossenen Komponenten einen separaten Rückleiter benötigen, da die allgemeine Fahrzeugmasse, hier mit Pol 25 verbunden, nicht benutzt werden kann.Although between two out of the battery case 47 lead out Poland each a voltage level is formed, not every provided voltage level in the electrical system must be used. An example of a provided, but not used here voltage level is the voltage between the poles 26 and 28 , In a tap without using the negative pole as a mass, eg tapping the voltage 14 between pole 26 and pol 27 It should be noted that the connected components require a separate return conductor, as the general vehicle mass, here with Pol 25 connected, can not be used.

Die Anzahl der Blöcke und der Batteriezellen in den Blöcken ist beispielhaft dargestellt. Gestrichelt gezeichnete Bereiche 19 können in jedem Block jeweils eine beliebige Anzahl Zellen repräsentieren. Die Batterie 10 ist hier eine Starter-Batterie eines Kraftfahrzeugs. Block 20 stellt die Spannungslage für einen Anlasser bereit. Daher ist Block 20 leistungsoptimiert mit zwei Maßnahmen. Erstens enthält Block 20 mehrere parallele Stränge serieller Zellen, von denen Stränge 30 und 31 mit Zellen 16 bzw. 23 gezeichnet sind. Zweitens sind die Zellen 16, 23 leistungsoptimiert ausgelegt. Die Zellen 17 und 18 der Blöcke 21 und 22 sind dagegen energieoptimiert ausgelegt.The number of blocks and the battery cells in the blocks is exemplified. Dashed lined areas 19 can each represent any number of cells in each block. The battery 10 Here is a starter battery of a motor vehicle. block 20 provides the voltage level for a starter. Therefore, block is 20 Performance optimized with two measures. First contains block 20 multiple parallel strands of serial cells, of which strands 30 and 31 with cells 16 respectively. 23 are drawn. Second, the cells 16 . 23 optimized performance. The cells 17 and 18 of the blocks 21 and 22 are designed to be energy-optimized.

Die Fahrzeug-Batterie 10 weist ein Batterie-Management-System (BMS) 32 auf, welches zwei Aufgaben erfüllt. Die erste Aufgabe des BMS ist ein blockweises Cell-Balancing der Zellen, wobei nach dem Abstellen des Fahrzeugs alle Zellen auf das Niveau der am schlechtesten geladenen Zelle gebracht werden zur Optimierung der Lebensdauer der Batterie. Dazu weisen alle Zellen der Batterie 10 jeweils eine Zellen-Schaltbrücke 33 bis 36 mit je einem Schalter 37 und einem Widerstand 38 auf. Das BMS ermittelt den Ladezustand der Zellen und steuert die Schalter 37 entsprechend.The vehicle battery 10 has a battery management system (BMS) 32 which fulfills two tasks. The first task of the BMS is a block-by-cell cell balancing, whereby after the vehicle has been switched off, all cells are brought to the level of the worst-loaded cell in order to optimize the service life of the battery. For this purpose, all cells of the battery 10 one cell jumper each 33 to 36 each with a switch 37 and a resistance 38 on. The BMS determines the state of charge of the cells and controls the switches 37 corresponding.

Die zweite Aufgabe des BMS ist ein Betrieb der Blöcke 20, 21, 22 der Batterie 10. Ein BMS nach dem Stand der Technik hat häufig eine Schnittstelle nach außen, z.B. LIN oder CAN Bus. Eine solche Schnittstelle wird nun erfindungsgemäß benutzt, um Daten über den aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs zu erhalten. Zum Verwenden dieser Information weisen die Blöcke 21, 22 parallel zu den Batteriezellen je eine Block-Schaltbrücke 39, 40 mit einem Schalter 41, 42 und einem Widerstand 43, 44 auf. In diesem Beispiel wurde bei dem Block 20 auf eine solche Schaltbrücke verzichtet. Das BMS ermittelt den Ladezustand der Blöcke 20, 21, 22 und steuert die Schalter 41, 42 und gegebenenfalls auch die Schalter 37 des Blocks 20 entsprechend, wie später mit dem Betriebsverfahren erläutert wird.The second task of the BMS is to operate the blocks 20 . 21 . 22 the battery 10 , A BMS according to the prior art often has an interface to the outside, eg LIN or CAN bus. Such an interface is now used according to the invention to obtain data about the current driving condition of the vehicle. To use this information, the blocks 21 . 22 one block jumper each parallel to the battery cells 39 . 40 with a switch 41 . 42 and a resistance 43 . 44 on. In this example, the block was 20 waived such a switching bridge. The BMS determines the state of charge of the blocks 20 . 21 . 22 and controls the switches 41 . 42 and optionally also the switches 37 of the block 20 accordingly, as will be explained later with the operating method.

Das BMS 32 der Batterie 10 weist weiterhin einen optionalen nach außen geführten Steueranschluss 45 auf, in diesem Beispiel ein CAN-Bus-Interface. Damit kann ein Fahrzustandssignal an das BMS 32 übermittelt werden und es ist ein fahrzustandsabhängiger Betrieb einzelner Blöcke 20, 21, 22 abhängig von einem Fahrzustandssignal möglich.The BMS 32 the battery 10 also has an optional outward control port 45 on, in this example, a CAN bus interface. This can be a driving condition signal to the BMS 32 be transmitted and it is a driving condition-dependent operation of individual blocks 20 . 21 . 22 depending on a driving condition signal possible.

Den nach außen geführten Polen 25 bis 28 und dem Steueranschluss 45 der Batterie 10 entspricht jeweils ein Anschluss 51 bis 54 und 55 im Interface 50 zu dem Bordnetz des Fahrzeugs.The outward Poland 25 to 28 and the control terminal 45 the battery 10 corresponds to one connection each 51 to 54 and 55 in the interface 50 to the electrical system of the vehicle.

Nach einer alternativen Ausführungsform übernimmt das BMS auch die Steuerung von restlichen Bordnetzkomponenten wie Generator, schaltbare Verbraucher etc.According to an alternative embodiment, the BMS also takes over the control of remaining on-board network components such as generator, switchable consumers, etc.

In einer einfachen Ausführungsform der Batterie ohne externen Anschluss 45 des BMS und ohne Block-Schaltbrücke 39, 40 wird ein Generator zwischen Pol 28 und dem negativen Pol 25 angeschlossen.In a simple embodiment of the battery without external connection 45 of the BMS and without block switching bridge 39 . 40 becomes a generator between pole 28 and the negative pole 25 connected.

Durch die Teil-Abgriffe sind die Zellen unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Die Lithium-Ionen-Zellen sind für diese Belastung geeignet. Das BMS übernimmt das Cell-Balancing der Lithium-Ionen-Zellen und den Ladestromausgleich der Blöcke 20, 21, 22. Dadurch kann die Batterie platzsparend und äußerst leicht realisiert werden.Due to the partial taps, the cells are exposed to different loads. The lithium-ion cells are suitable for this load. The BMS handles the cell balancing of the lithium-ion cells and the charging current compensation of the blocks 20 . 21 . 22 , This allows the battery to be space-saving and extremely easy to realize.

Um eine einfache Ladung dieser einfachen Ausführungsform zu ermöglichen, soll die Batterie mit nur einer Ladespannung, an den äußeren Polen 25, 28 anliegend, geladen werden. Die Ladespannung, Spannungslage 13, teilt sich in die Spannungslagen 11, 14, 15 der Blöcke 20, 21, 22 nach deren physikalischen Eigenschaften und aktuellen Zuständen auf. Die Blöcke 20, 21, 22 werden so ausgelegt, unter anderem hinsichtlich Innenwiderstand, Ladungsaufnahmefähigkeit, Kapazität und gewünschter Ziel-Ladezustand (SOC), dass über dem jeweiligen Block die bedarfsgerechte Ladespannung anliegt. Somit wird ein Auseinanderdriften der Block-SOCs im Betrieb minimiert und die SOCs der einzelnen Blöcke bleiben in ihrem vorgesehenen Bereich. Driftet ein Block in den Bereich einer Überladung, wird die Ladespannung der einzelnen Zellen mittels der Cell-Balancing-Widerstände 38, die parallel zu jeder Einzelzelle 16, 17, 18 geschaltet sind, verringert. Die Cell-Balancing-Widerstände 38 sind so dimensioniert, dass diese in jedem möglichen Zustand der Zellen 16, 17, 18 eine Ladung aller Blöcke ermöglichen. Daher können sie ein weiteres Aufladen eines gut geladenen Blocks unterbinden. Das Cell-Balancing wird vom BMS gesteuert.In order to allow a simple charge of this simple embodiment, the battery is designed with only one charging voltage, at the outer poles 25 . 28 attached, loaded. The charging voltage, voltage level 13 , divides into the tension 11 . 14 . 15 of the blocks 20 . 21 . 22 according to their physical properties and current states. The blocks 20 . 21 . 22 are designed, inter alia, in terms of internal resistance, charge acceptance, capacity and desired target state of charge (SOC), that above the respective block the on-demand charging voltage is applied. Thus, divergence of the block SOCs during operation is minimized and the SOCs of the individual blocks remain within their intended range. If a block drifts in the region of an overcharge, the charging voltage of the individual cells is determined by means of the cell balancing resistors 38 parallel to each single cell 16 . 17 . 18 are switched, reduced. The cell balancing resistors 38 are dimensioned so that these in any possible state of the cells 16 . 17 . 18 allow a charge of all blocks. Therefore, they can prevent further charging of a well-charged block. Cell balancing is controlled by the BMS.

Die beispielhaft in 1 gezeigte Starter-Batterie 10 weist den ersten Block 20 als leistungsoptimierten Energiespeicher für eine Spannungslage zur Bereitstellung einer Starter-Spannungslage auf. Eine Start-Stop-Automatik kann dank besserer Leistungsabgabe und Lebensdauer der erfindungsgemäßen Batterie häufiger aktiviert werden.The example in 1 shown starter battery 10 indicates the first block 20 as a power optimized energy storage for a voltage level to provide a starter voltage level. A start-stop system can be activated more frequently thanks to better power output and longer life of the battery according to the invention.

Eine entsprechende Auslegung der Blöcke 20, 21, 22 ermöglicht eine Speicherung und Abgabe rekuperierter Energie. Folgendes Anschluss-Beispiel betreibt Verbraucher basierend auf ihren typischen Spannungs- und Leistungsanforderungen. Spannungslage 11 versorgt Hochleistungsverbraucher wie aktive Lenkung, Klimakompressor und elektrische Zuheizer und Beleuchtung. An Spannungslagen 14, 15 liegen Niedervoltverbraucher wie Steuergeräte, Sensoren und Aktoren. Die Spannungslage 12 versorgt weitere Aktoren. Die Spannungslage 13 mit der maximalen Batteriespannung von z.B. < 60 V ist mit einem Motor-Generator verbunden, über den die Aufnahme und Abgabe rekuperierter Energie erfolgt.An appropriate layout of the blocks 20 . 21 . 22 allows storage and release of recuperated energy. The following connection example operates consumers based on their typical voltage and power requirements. voltage level 11 supplies high-performance consumers such as active steering, air conditioning compressor and electric heaters and lighting. At voltage levels 14 . 15 are low-voltage consumers such as control units, sensors and actuators. The voltage situation 12 supplies additional actuators. The voltage situation 13 with the maximum battery voltage of eg <60 V is connected to a motor generator, via which the recording and release of recuperated energy takes place.

Eine alternative Ausgestaltung der Batterie sieht vor, dass die Batterie eine Hybrid-Fahrzeug-Batterie für ein Hybrid-Fahrzeug mit konventionellem Motor und zusätzlichem Motor-Generator ist. Diese Ausgestaltung sieht einen sehr großen Energiespeicher als ersten Block vor mit einer dem Motor-Generator angepassten Spannungslage. An alternative embodiment of the battery provides that the battery is a hybrid vehicle battery for a hybrid vehicle with a conventional engine and an additional motor generator. This embodiment provides a very large energy storage as the first block before with a motor generator adapted voltage.

2 zeigt ein Flussdiagramm 60 des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen, wie der Batterie 10 aus 1. Die Batterie weist mehrere seriell angeordnete Batteriezellen, aufgeteilt in einen ersten Zellen-Block und weitere Zellen-Blöcke, auf. Das in BMS der Batterie ablaufende Verfahren beginnt mit Verfahrensschritt a) Ermitteln des Ladezustands der Batterie. In Verfahrensschritt b) wird der Ladezustand mit einem Ladezustand-Sollwert verglichen. Falls der Ladezustand der Batterie schlecht ist, werden in Verfahrensschritt c) alle Zellen-Blöcke geladen und das Verfahren mit Verfahrensschritt a) fortgesetzt. Falls der Ladezustand der Batterie nicht schlecht ist, wird in Verfahrensschritt d) der Fahrzustand des Fahrzeugs ermittelt und in Verfahrensschritt e) erfolgt ein fahrzustandsabhängiger Betrieb der Batterie. 2 shows a flowchart 60 the inventive method for operating a vehicle battery with multiple voltage levels, such as the battery 10 out 1 , The battery has a plurality of serially arranged battery cells, divided into a first cell block and further cell blocks. The process running in BMS of the battery begins with method step a) determining the state of charge of the battery. In method step b) the state of charge is compared with a state of charge setpoint. If the state of charge of the battery is poor, all cell blocks are loaded in method step c) and the method continues with method step a). If the state of charge of the battery is not bad, the driving state of the vehicle is determined in method step d) and in step e), a running state-dependent operation of the battery takes place.

Nun erfolgt eine Verzweigung entsprechend dem ermittelten Fahrzustand. Falls der Fahrzustand Konstantfahrt ist, wird in Verfahrensschritt f) verzweigt und alle Zellen-Blöcke werden geladen. Falls der Fahrzustand Beschleunigung ist, wird in Verfahrensschritt g) verzweigt und kein Block wird geladen. Falls der Fahrzustand Verzögerung ist, wird in Verfahrensschritt h) verzweigt und der erste Zellen-Block geladen. Falls der Fahrzustand Motor aus ist, wird in Verfahrensschritt i) verzweigt und kein Block wird geladen. Nach der jeweiligen Verzweigung wiederholt sich das Verfahren.Now, a branch takes place in accordance with the determined driving state. If the driving state is constant travel, branching takes place in method step f) and all cell blocks are loaded. If the driving state is acceleration, branching is made in step g) and no block is loaded. If the driving state is deceleration, branching takes place in method step h) and the first cell block is loaded. If the driving state engine is off, branched in step i) and no block is loaded. After the respective branching, the procedure is repeated.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass im Fahrzustand Beschleunigung in Verfahrensschritt g) eine Abgabe von Batterieleistung an einen Motor-Generator erfolgt.An advantageous embodiment of the method provides that, in the driving state acceleration in method step g), a delivery of battery power to a motor generator takes place.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass im Fahrzustand Motor aus in Verfahrensschritt i) ein Cell-Balancing erfolgt.Another advantageous embodiment of the method provides that in the driving state engine in step i) a cell balancing takes place.

Das Verfahren wird nun an einem Beispiel mit Bezug auf die Batterie 10 aus 1 erläutert. Im Motor aus Zustand wird konventionell das Cell-Balancing durchgeführt. Nach Motor-Start wird zuerst in den Block-Balancing-Mode übergegangen. Hier werden unabhängig vom Fahrzustand alle drei Zellen-Blöcke 20, 21, 22 geladen. Bei ausreichend geladener Batterie wird die Batterie nun fahrzustandsabhängig geladen und entladen. Je nach Fahrzustand werden die energie-optimierten Zellen-Blöcke 21, 22 zu- oder abgeschaltet mittels der Schalter 41 und 42. Dadurch besteht eine direkte Verbindung vom Motor-Generator zu dem leistungsoptimierten Zellen-Block 20.The method will now be described by way of example with reference to the battery 10 out 1 explained. In the motor off state, the conventional method is cell balancing. After engine start, the first step is the block balancing mode. Here, regardless of the driving state, all three cell blocks 20 . 21 . 22 loaded. If the battery is sufficiently charged, the battery will now be charged and discharged depending on the driving condition. Depending on driving conditions, the energy-optimized cell blocks 21 . 22 switched on or off by means of the switch 41 and 42 , This provides a direct connection from the motor generator to the power optimized cell block 20 ,

Bei geschlossenen Schaltern 41 und 42 wird der Ladestrom in Zellen-Blöcke 21 und 22 deutlich verringert, wodurch die Batterie insgesamt mehr Strom aufnehmen kann. Bei offenen Schaltern 41 und 42 würden die begrenzte Stromaufnahme- und -abgabefähigkeit der Zellen-Blöcke 21 und 22 die Gesamtstromaufnahme und Abgabefähigkeit begrenzen. Die Zellen-Blöcke 20, 21 und 22 können damit sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb ihr volles Potential ausschöpfen. Die energieoptimierten Zellen werden nur während des Constant-Drive Mode geladen. Die Gesamt-Strategie ist so ausgelegt, dass die Ladezustände der drei Blöcke im Mittel möglichst gleich bleiben, z.B. bei ca. 70 % SOC.With closed switches 41 and 42 the charge current is in cell blocks 21 and 22 significantly reduced, allowing the battery to absorb more power overall. With open switches 41 and 42 would the limited power consumption and output capability of the cell blocks 21 and 22 limit the total power consumption and output capability. The cell blocks 20 . 21 and 22 Thus, they can exploit their full potential in both motor and generator operation. The energy-optimized cells are only loaded during the Constant-Drive mode. The overall strategy is designed so that the charge states of the three blocks remain as constant as possible on average, for example at about 70% SOC.

3 erläutert mit Flussdiagramm 70 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens, nämlich dass bei schlechtem Ladezustand eines Blocks der Batterie oder gegebenenfalls auch bei zu starkem Auseinanderdriften der Zellen in Verfahrensschritt c) in 2 ein Block-Ausgleich erfolgt. Hier wird unabhängig vom Fahrzustand die Batterie aufgeladen. Ziel ist es, die Zellen-Blöcke auf ein einheitliches Ladeniveau zu bringen. Die Feststellung des Ladezustandes während der Fahrt erfolgt mit üblichen Methoden wie z.B. algorithmische Ladebilanzierung oder Feststellung des Innenwiderstands durch Impedanzmessung. 3 explained with flow chart 70 a further advantageous embodiment of the method, namely that in poor state of charge of a block of the battery or possibly also in case of excessive drift apart of the cells in step c) in 2 a block compensation takes place. Here, regardless of driving condition, the battery is charged. The goal is to bring the cell blocks to a uniform level of charge. The determination of the state of charge while driving is carried out by conventional methods such as algorithmic charge balance or determination of the internal resistance by impedance measurement.

Dazu wird Verfahrensschritt c) mit dem Verfahrensschritt c1) begonnen, in dem der Ladezustand der Zellen-Blöcke 20, 21, 22 ermittelt wird. Nun werden in Verfahrensschritt c2) die Ladezustände SOC der Blöcke miteinander verglichen unter Berücksichtigung von Schalttoleranzen und abhängig von dem Vergleichsergebnis in ein Ladeschema verzweigt.For this purpose, method step c) is started with method step c1), in which the state of charge of the cell blocks 20 . 21 . 22 is determined. Now in step c2) the states of charge SOC of the blocks are compared with each other under consideration of switching tolerances and depending on the comparison result in a charging scheme branches.

Bei gleichmäßigem SOC wird in Verfahrensschritt c3) verzweigt und alle Blöcke 20, 21, 22 werden bei geöffneten Schaltern 41 und 42 und geöffneten Cell-Balancing Schaltbrücken 33, 34, 35, 36 gleichmäßig geladen.In the case of uniform SOC, branching takes place in method step c3) and all blocks 20 . 21 . 22 be with open switches 41 and 42 and open cell-balancing jumpers 33 . 34 . 35 . 36 evenly charged.

Falls das SOC von Block 20 kleiner ist als das SOC von Blöcken 21, 22, wird in Verfahrensschritt c4) verzweigt und Block 20 wird vorwiegend geladen bei geschlossenen Schaltern 41 und 42 und geöffneten Cell-Balancing Schaltbrücken 33, 34, 35, 36.If the SOC of block 20 smaller than the SOC of blocks 21 . 22 , is branched in process step c4) and block 20 is mainly loaded with closed switches 41 and 42 and open cell-balancing jumpers 33 . 34 . 35 . 36 ,

Falls der SOC von den Blöcken 21, 22 kleiner ist als der SOC von Block 20, wird in Verfahrensschritt c5) verzweigt und Blöcke 21, 22 werden vorwiegend bei geöffneten Schaltern 41 und 42, geschlossenen Cell-Balancing Schaltbrücken 33, 34 und geöffneten Cell-Balancing Schaltbrücken 35, 36 geladen.If the SOC from the blocks 21 . 22 is less than the block's SOC 20 , branched into method step c5) and blocks 21 . 22 become predominantly with opened switches 41 and 42 , closed cell-balancing jumpers 33 . 34 and open cell-balancing jumpers 35 . 36 loaded.

Falls der SOC von Block 21 kleiner ist als das SOC von Blöcken 20, 22, wird in Verfahrensschritt c6) verzweigt und Block 21 wird vorwiegend bei geöffnetem Schalter 41, geschlossenem Schalter 42 und geschlossenen Cell-Balancing Schaltbrücken 33, 34 geladen. If the SOC of block 21 smaller than the SOC of blocks 20 . 22 , is branched in process step c6) and block 21 becomes predominantly when the switch is open 41 , closed switch 42 and closed cell-balancing jumpers 33 . 34 loaded.

Falls der SOC von Block 22 kleiner ist als der SOC von den Blöcken 20, 21, wird in Verfahrensschritt c7) verzweigt und Block 22 wird vorwiegend bei geöffnetem Schalter 42, geschlossenem Schalter 41 und geschlossenen Cell-Balancing Schaltbrücken 33, 34 geladen.If the SOC of block 22 less than the SOC of the blocks 20 . 21 , branched into process step c7) and block 22 becomes predominantly when the switch is open 42 , closed switch 41 and closed cell-balancing jumpers 33 . 34 loaded.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto but is modifiable in a variety of ways.

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Claims (10)

Fahrzeug-Batterie (10), mit: einem Batteriegehäuse (47); einer Vielzahl von seriell gekoppelten Batteriezellenblöcken (20; 21; 22), welche in dem Batteriegehäuse (47) angeordnet sind und welche jeweils mindestens eine Batteriezelle (16; 17; 18; 23) umfassen; einer Vielzahl von ersten Polanschlüssen (26; 27), welche mit jeweils einem Knoten zwischen den seriell gekoppelten Batteriezellenblöcken (20; 21; 22) verbunden sind und welche aus dem Batteriegehäuse (47) herausgeführt sind; und zwei zweiten Polanschlüssen (25; 28), welche mit den Endabgriffen der Fahrzeug-Batterie (10) verbunden sind, wobei an jeweils zwei der ersten und zweiten Polanschlüsse (25; 26; 27; 28) eine einer Vielzahl von Spannungslagen (11; 12; 13; 14; 15) in Abhängigkeit von den zwischen den zwei Polanschlüssen liegenden Batteriezellenblöcken (20; 21; 22) abgreifbar ist.Vehicle battery ( 10 ), comprising: a battery case ( 47 ); a plurality of serially coupled battery cell blocks ( 20 ; 21 ; 22 ), which in the battery case ( 47 ) and which in each case at least one battery cell ( 16 ; 17 ; 18 ; 23 ); a plurality of first pole terminals ( 26 ; 27 ), each with a node between the serially coupled battery cell blocks ( 20 ; 21 ; 22 ) are connected and which from the battery case ( 47 ) are led out; and two second pole terminals ( 25 ; 28 ) connected to the end taps of the vehicle battery ( 10 ) are connected to each of two of the first and second pole terminals ( 25 ; 26 ; 27 ; 28 ) one of a plurality of voltage levels ( 11 ; 12 ; 13 ; 14 ; 15 ) in dependence on the battery cell blocks lying between the two pole terminals ( 20 ; 21 ; 22 ) can be tapped. Fahrzeug-Batterie (10) nach Anspruch 1, wobei mindestens ein erster der Vielzahl von Batteriezellenblöcken (20) eine Parallelschaltung von Batteriezellen (16; 23) aufweist, und wobei mindestens ein zweiter der Vielzahl von Batteriezellenblöcken (21; 22) eine Serienschaltung von Batteriezellen (17; 18) aufweist.Vehicle battery ( 10 ) according to claim 1, wherein at least a first of the plurality of battery cell blocks ( 20 ) a parallel connection of battery cells ( 16 ; 23 ), and wherein at least a second of the plurality of battery cell blocks ( 21 ; 22 ) a series connection of battery cells ( 17 ; 18 ) having. Fahrzeug-Batterie (10) nach Anspruch 1, wobei mindestens ein erster der Vielzahl von Batteriezellenblöcken (20) leistungsoptimierte Batteriezellen (16; 23) aufweist, und wobei mindestens ein zweiter der Vielzahl von Batteriezellenblöcken (21; 22) energieoptimierte Batteriezellen (17; 18) aufweist.Vehicle battery ( 10 ) according to claim 1, wherein at least a first of the plurality of battery cell blocks ( 20 ) Power optimized battery cells ( 16 ; 23 ), and wherein at least a second of the plurality of battery cell blocks ( 21 ; 22 ) energy-optimized battery cells ( 17 ; 18 ) having. Fahrzeug-Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin mit: einer Vielzahl von ersten Schaltern (37), welche jeweils parallel zu jeder der Batteriezellen (16; 17; 18; 23) gekoppelt sind; und einer Schaltung (32), welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batteriezellen (16; 17; 18; 23) die Vielzahl der ersten Schalter (37) zum selektiven Überbrücken der Batteriezellen (16; 17; 18; 23) anzusteuern. Vehicle battery ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, further comprising: a plurality of first switches ( 37 ), which in each case parallel to each of the battery cells ( 16 ; 17 ; 18 ; 23 ) are coupled; and a circuit ( 32 ), which is designed, depending on the state of charge of the battery cells ( 16 ; 17 ; 18 ; 23 ) the plurality of first switches ( 37 ) for selectively bridging the battery cells ( 16 ; 17 ; 18 ; 23 ) head for. Fahrzeug-Batterie (10) nach Anspruch 4, weiterhin mit: einer Vielzahl von zweiten Schaltern (41; 42), welche jeweils parallel zu einem der Vielzahl von Batteriezellenblöcken (20; 21; 22) gekoppelt sind, wobei die Schaltung (32) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batteriezellenblöcke (20; 21; 22) die zweiten Schalter (41; 42) zum selektiven Überbrücken der Batteriezellenblöcke (20; 21; 22) anzusteuern.Vehicle battery ( 10 ) according to claim 4, further comprising: a plurality of second switches ( 41 ; 42 ), each parallel to one of the plurality of battery cell blocks ( 20 ; 21 ; 22 ), the circuit ( 32 ) is adapted, depending on the state of charge of the battery cell blocks ( 20 ; 21 ; 22 ) the second switches ( 41 ; 42 ) for selectively bridging the battery cell blocks ( 20 ; 21 ; 22 ) head for. Fahrzeug-Batterie (10) nach einem der Ansprüche 4 und 5, wobie die Schaltung (32) dazu ausgelegt ist, die ersten Schalter (37) zum selektiven Laden der jeweils parallel geschalteten Batteriezellen (16; 17; 18; 23) anzusteuern.Vehicle battery ( 10 ) according to one of claims 4 and 5, wherein the circuit ( 32 ) is designed to switch the first switches ( 37 ) for selectively charging the parallel-connected battery cells ( 16 ; 17 ; 18 ; 23 ) head for. Fahrzeug-Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobie die Batterie (10) eine Lithium-Ionen-Batterie ist.Vehicle battery ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the battery ( 10 ) is a lithium-ion battery. Verfahren zum Ansteuern einer Fahrzeug-Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten: Ermitteln des Ladezustands der Batteriezellen (16; 17; 18; 23); Vergleichen des Ladezustands der Batteriezellen (16; 17; 18; 23) mit einem Ladezustands-Sollwert; Laden der Batteriezellen (16; 17; 18; 23) über zwei der Polanschlüsse, falls der Ladezustand der Batteriezellen (16; 17; 18; 23) unterhalb des Ladezustands-Sollwerts liegt; und Laden der Batteriezellen (16; 17; 18; 23) über zwei der Polanschlüsse in Abhängigkeit von einem Fahrzustandssignal, falls der Ladezustand der der Batteriezellen (16; 17; 18; 23) unterhalb des Ladezustands-Sollwerts liegt.Method for driving a vehicle battery ( 10 ) according to any one of claims 1 to 7, comprising the steps of: determining the state of charge of the battery cells ( 16 ; 17 ; 18 ; 23 ); Compare the state of charge of the battery cells ( 16 ; 17 ; 18 ; 23 ) with a state of charge setpoint; Charging the battery cells ( 16 ; 17 ; 18 ; 23 ) over two of the pole terminals, if the state of charge of the battery cells ( 16 ; 17 ; 18 ; 23 ) is below the state of charge setpoint; and charging the battery cells ( 16 ; 17 ; 18 ; 23 ) over two of the Polanschlüsse in response to a driving condition signal, if the state of charge of the battery cells ( 16 ; 17 ; 18 ; 23 ) is below the state of charge setpoint. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Fahrzustandssignal Konstantfahrt des Fahrzeugs, ein Beschleunigen des Fahrzeugs, ein Bremsen des Fahrzeugs, und/oder einen Stillstand des Fahrzeugs indiziert.The method of claim 8, wherein the driving condition signal indicative of cruise travel of the vehicle, acceleration of the vehicle, braking of the vehicle, and / or stoppage of the vehicle. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, weiterhin mit den Schritten: Ermitteln des Ladezustands jedes der Batteriezellenblöcke (20; 21; 22); und selektives Laden der Batteriezellenblöcke (20; 21; 22) über je zwei der Polanschlüsse in Abhängigkeit von dem ermittelten Ladezustands der Batteriezellenblöcke (20; 21; 22).Method according to one of claims 8 and 9, further comprising the steps of: determining the state of charge of each of the battery cell blocks ( 20 ; 21 ; 22 ); and selectively charging the battery cell blocks ( 20 ; 21 ; 22 ) via in each case two of the pole connections as a function of the determined state of charge of the battery cell blocks ( 20 ; 21 ; 22 ).
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