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
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Abstract
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
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.
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
Aus der Batterie
Die Zellen-Blöcke
Obwohl zwischen zwei aus dem Batteriegehäuse
Die Anzahl der Blöcke und der Batteriezellen in den Blöcken ist beispielhaft dargestellt. Gestrichelt gezeichnete Bereiche
Die Fahrzeug-Batterie
Die zweite Aufgabe des BMS ist ein Betrieb der Blöcke
Das BMS
Den nach außen geführten Polen
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
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
Um eine einfache Ladung dieser einfachen Ausführungsform zu ermöglichen, soll die Batterie mit nur einer Ladespannung, an den äußeren Polen
Die beispielhaft in
Eine entsprechende Auslegung der Blöcke
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.
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
Bei geschlossenen Schaltern
Dazu wird Verfahrensschritt c) mit dem Verfahrensschritt c1) begonnen, in dem der Ladezustand der Zellen-Blöcke
Bei gleichmäßigem SOC wird in Verfahrensschritt c3) verzweigt und alle Blöcke
Falls das SOC von Block
Falls der SOC von den Blöcken
Falls der SOC von Block
Falls der SOC von Block
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- US 2009/0286149 [0004] US 2009/0286149 [0004]
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