DE102013018847A1

DE102013018847A1 - Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013018847A1
Application number: DE201310018847
Authority: DE
Inventors: Jens Meintschel; Dirk Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-11-09
Filing date: 2013-11-09
Publication date: 2015-05-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (12) und einer Versorgungsleitung (14), mit der die Mehrzahl von Batteriezellen (12) elektrisch in Reihe verbunden sind, wobei elektrisch parallel zu jeder der Batteriezellen (12) einer Wandlereinrichtung (18) geschaltet ist, mit der zum Laden der jeweiligen Batteriezelle (12) eine an der Versorgungsleitung (14) anliegende elektrische Spannung (Un1, Un2) und/oder ein durch die Versorgungsleitung (14) fließender elektrischer Strom (Ig) wandelbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 10.
Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen bestehen aus vielen elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten elektrochemischen Batteriezellen, die sich mit der dazugehörigen Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. Der sichere Betrieb der Batteriezellen erfordert das Einhalten eines vorbestimmten Bereichs für die elektrische Spannung und das Einhalten zulässiger Stromstärken. Bei Einzelzellen lässt sich dies durch individuelle Ansteuerung leicht umsetzen. In einer Batterieanordnung, die mehrere elektrische in Reihe geschaltete Batteriezellen umfasst, fließt überall ein konstanter Strom. Die an jeder einzelnen Zelle abfallende Spannung ist abhängig von deren Innenwiderstand und lässt sich somit nicht zentral beeinflussen. Die abgegebene oder beim Laden aufgenommene Leistung wird durch die „schwächsten” Zellen im Verbund bestimmt. Darf eine Batteriezelle nur noch bis zu einem bestimmten Wert bezüglich der Stromstärke belastet werden, muss der komplette Stromkreis auf diesen Wert limitiert werden.
Die Streuung der Belastbarkeit der einzelnen Batteriezellen kann verschiedene Ursachen haben. Denkbar sind Fertigungstoleranzen, verschiedenes Alterungsverhalten oder der Alterungszustand, insbesondere nach dem Austausch von gealterten Zellen durch neue Zellen. Ein weiterer Grund können Temperaturunterschiede durch ungleichmäßige Temperierung sein, da der Innenwiderstand abhängig von der Zelltemperatur ist.
Aus dem Stand der Technik sind zellintegrierte Sicherungen (current interrupt devices, CID) bekannt, die bei Überschreitung eines bestimmten Drucks oder einer bestimmten Temperatur den Strompfad trennen, um gefährliche Folgezustände, wie beispielsweise das Bersten der Zellen bei zu hohem Druck oder das sogenannten thermische Durchgehen durch exotherme Zersetzung der Zellchemie, zu vermeiden. Nachteilig ist auch hierbei, dass damit die komplette Batterie, das heißt alle in Reihe geschalteten Zellen, außer Betrieb gesetzt werden müssen. Dies hat zur Folge, dass das Elektrofahrzeug oder das Hybridfahrzeug komplett fahruntüchtig wird.
In diesem Zusammenhang beschreibt die US 2011/0234164 A1 eine Energieversorgungseinrichtung, die eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst. Dabei ist jeweils einer Gruppe von Batteriezellen eine Wandlereinrichtung zum Laden und Entladen der Batterie zugeordnet. Die Wandlereinrichtung kann einen bidirektionalen Gleichspannungswandler umfassen.
Des Weiteren beschreibt die US 2012/0043923 A1 eine Energiewandlereinrichtung für ein Solarsystem. Das System umfasst eine Mehrzahl von bidirektionalen Gleichspannungswandlern, mit denen elektrische Energie zwischen den einzelnen Photovoltaikeinrichtungen übertragen werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug effizienter und sicherer zu betreiben.
Diese Aufgabe wird durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen und eine Versorgungsleitung, mit der die Mehrzahl von Batteriezellen elektrisch in Reihe verbunden sind, wobei elektrisch parallel zu jeder der Batteriezelle eine Wandlereinrichtung geschaltet ist, mit der zum Laden der jeweiligen Batteriezelle eine an der Versorgungsanleitung anliegende elektrische Spannung und/oder ein durch die Versorgungsleitung fließender elektrischer Strom wandelbar ist.
Die Versorgungsleitung kann insbesondere als Hochvoltleitung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Durch die Wandlereinrichtungen, die jeder der Batteriezellen zugeordnet sind, können die einzelnen Batteriezellen der Batterieanordnung individuell belastet werden. Das heißt der zulässige Strom kann speziell für jede der Zellen einzeln angepasst werden und/oder die Spannungsgrenzen können durch einen entsprechend reduzierten Strom eingehalten werden. Dabei können die Eingänge der Wandlereinrichtung mit den Polen der jeweiligen Batteriezelle verbunden sein. Die Ausgänge der Wandlereinrichtung können mit der Versorgungsleitung bzw. dem Hochvolt-Strompfad verbunden sein. Damit können die einzelnen Batteriezellen beim Laden optimal ausgelastet werden. Zudem kann die Betriebssicherheit durch die Vermeidung von kritischen Strömen und/oder Spannungen erhöht werden.
In einer Ausgestaltung ist mit der Wandlereinrichtung eine beim Entladen der Batteriezellen bereitgestellte Zellspannung und/oder ein beim Entladen der Batteriezelle bereitgestellter Zellstrom wandelbar. Ist beispielsweise bei einer einzelnen der Batteriezellen der zulässige elektrische Strom auf die Hälfte des Wertes der anderen Zellen limitiert, dann kann durch die Wandlereinrichtung auf Kosten der halbierten elektrischen Spannung zum Einspeisen in die Versorgungsleitung hochgesetzt werden. Durch die einzelnen Batteriezellen kann die Leistung der ganzen Batterieanordnung also nur um deren Minderleistung reduziert werden und halbiert sich nicht komplett.
Bevorzugt umfasst die Wandlereinrichtung einen bidirektionalen Gleichspannungswandler. Mit Hilfe eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers kann die elektrische Spannung, die beim Laden der Batteriezelle von der Versorgungsleitung an diese übertragen wird, entsprechend angepasst werden. Des Weiteren kann beim Entladen der Batterie die von der Batteriezelle bereitgestellte Zellspannung entsprechend angepasst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wandlereinrichtung eine Bypasseinheit zum Überbrücken der Batteriezellen. Zu diesem Zweck kann die Bypasseinheit einen entsprechenden Halbleiterschalter umfassen. Somit kann im Notfall verhindert werden, dass der komplette Stromkreis getrennt werden muss. Durch die Bypasseinheit kann die Wandlereinrichtung, die elektrisch mit der Versorgungsleitung verbunden ist, überbrückt werden. Zudem kann durch die Verwendung einer derartigen Wandlereinrichtung auf eine zellintegrierte Sicherung verzichtet werden, da der Strom für jede Zelle individuell geregelt werden kann.
Bevorzugt umfasst die Batterieanordnung eine Steuereinrichtung zum Steuern jeder der Wandlereinrichtungen. Die elektrische Stromstärke und die elektrische Spannung an den Ein- und Ausgängen der jeweiligen Wandlereinrichtung können durch Signale von einer Steuereinrichtung gesteuert werden. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit von Sensorsignalen, die beispielsweise die Temperatur, den Druck, die elektrische Spannung oder die Stromstärke zentral oder individuell an der Batteriezelle erfassen, erfolgen. Des Weiteren können Daten, die auf einem Rechenmodell basieren, herangezogen werden.
In einer Ausgestaltung sind die Steuereinrichtung und die Wandlereinrichtungen mit einem Signalbus verbunden. Somit können die jeweiligen Wandlereinrichtungen besonders einfach und zuverlässig mittels der Steuereinrichtung angesteuert werden.
Bevorzugt sind die Wandlereinrichtungen mit der Steuereinrichtung derart steuerbar, dass jede der Batteriezellen einen vorbestimmten Ladungszustand einnimmt. Somit kann durch die Wandlereinrichtungen die bislang insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen nötige Einrichtung zum Ladungsausgleich (Balancing) ersetzt werden. Durch die Wandlereinrichtungen kann unabhängig vom jeweiligen Innenwiderstand der Batteriezelle jede der einzelnen Zellen individuell vollständig geladen werden. Zudem kann die Entladung jeweils auf den gleichen Ladungszustand (state of charge, SOC) erfolgen. Hierbei entfallen weiterhin die Verluste, die beim üblichen passiven Balancing, also dem Entladen der Batteriezelle mit dem höchsten Ladungszustand über einen ohmschen Widerstand, entstehen.
In einer Ausgestaltung ist die Wandlereinrichtung an der zugehörigen Batteriezelle angeordnet. Die Wandlereinrichtung, die einen Gleichspannungswandler und optional eine Bypasseinheit umfasst, kann direkt an der jeweiligen Batteriezelle befestigt sein oder Bestandteil derselben sein. Somit kann eine platzsparende Anordnung erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Wandlereinrichtung jeweils an einem Zellverbinder der zugehörigen Batteriezelle angeordnet. Dabei kann die Wandlereinrichtung an einer entsprechenden Zellverbinderplatine angeordnet sein. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Ausgestaltung der Batterieanordnung.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst die erfindungsgemäße Batterieanordnung.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug; und
2 eine schematische Darstellung einer Wandlereinrichtung der Batterieanordnung.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung 10. Die Batterieanordnung 10 dient der Energieversorgung für die Komponenten eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Die Batterieanordnung 10 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 12. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Batteriezellen 12 dargestellt. Die einzelnen Batteriezellen 12 sind elektrisch mittels einer Versorgungsleitung 14 in Reihe geschaltet und bilden einen Zellverbund 16. Die Versorgungsleitung 14 ist insbesondere als Hochvoltleitung ausgebildet.
Elektrisch parallel zu jeder der Batteriezellen 12 ist eine Wandlereinrichtung 18 geschaltet. Die Wandlereinrichtung 18 weist einen hier nicht näher dargestellten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) auf. An der Versorgungsleitung 14 liegt eine elektrische Spannung an. Zudem wird in die Versorgungsleitung 14 ein elektrischer Strom I_g eingeprägt. An jeder der Batteriezellen 12 liegt eine Nutzspannung U_n1, U_n2 an, die nach einer Spannungswandlung in der jeweiligen Wandlereinrichtung 18 bereitgestellt wird. Somit kann beim Laden der jeweiligen Batteriezellen 12 mit der Wandlereinrichtung 18 die nutzbare Zellspannung U_n1, U_n2 entsprechend angepasst werden.
Von den jeweiligen Batteriezellen 12 wird jeweils eine Batteriespannung U_z1, U_z2 und ein Zellstrom I_z1, I_z2 bereitgestellt. Der jeweilige Zellstrom I_z1, I_z2 ist Bestandteil des eigentlichen Zellstromkreises und kann an die Versorgungsleitung 14 übertragen werden. Mit der Wandlereinrichtung 18 kann die jeweilige Zellspannung U_z1, U_z2 entsprechend gewandelt werden.
Die Steuerung der einzelnen Wandlereinrichtungen 18 erfolgt über eine Steuereinrichtung 20. Die Steuereinrichtung 20 ist durch einen jeweiligen Signalbus 22 mit den Wandlereinrichtungen 18 verbunden. Die Steuereinrichtung 20 kann auch einen Batterie-Managementsystem zugeordnet sein. Dabei ist auch eine Anordnung denkbar, bei der jede der Wandlereinrichtungen 18 eine eigene Steuereinrichtung 20 umfasst.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Wandlereinrichtung 18 einer Batterieanordnung 10. Die Wandlereinrichtung 18 umfasst einen Gleichspannungswandler 24 und eine elektrisch parallel zu diesem geschaltete Bypasseinheit 26. Die Bypasseinheit 26 umfasst ein entsprechendes Schaltelement, das beispielsweise als Halbleiterschalter ausgebildet sein kann. Beim Schließen des Schaltelements kann der Gleichspannungswandler 24 und die mit diesem verbundene Batteriezelle 12 überbrückt werden. Somit kann die jeweilige Batteriezelle 12 bei einem komplett deaktivierten Gleichspannungswandler 24 verlustlos überbrückt werden, ohne dass der Batteriestromkreis unterbrochen werden muss.
Dabei muss die nutzbare Zellspannung U_n1 nicht der Zellspannung U_z1 der Batteriezelle 12 entsprechen, da zwischen den beiden Spannungskreisen ein aktives Bauteil, nämlich der Gleichspannungswandler 24 angeordnet ist. Damit entspricht der Zellstrom I_z1 nicht dem elektrischen Strom im Batteriestrompfad I_g. Im Hinblick auf die Batteriespannung U_z1 lässt sich bei der Verschaltung der Batteriezellen 12 mit den jeweiligen Wandlereinrichtungen 18 nicht mehr einfach die Zellspannung U_z1 der Anzahl der Zellen multiplizieren. Je nach Leistungsfähigkeit der einzelnen Batteriezellen in der Batterieanordnung 10 tragen diese unterschiedlich zur Gesamt-Systemspannung bei.
Durch die Wandlereinrichtungen 18 an den Batteriezellen 12 können diese optimal ausgelastet werden. Zudem kann die Betriebssicherheit durch die Vermeidung von kritischen Strömen und/oder Spannungen erhöht werden. Des Weiteren erhöht sich die Ausfallsicherheit der Batterieanordnung, da der Stromkreis in einem Fehlerfall nicht aufgetrennt werden muss. Zudem entfallen die üblichen Balancing-Einrichtung und die dabei entstehenden Verluste.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die bedarfsabhängige Zellstromregelung mittels elektronischer Schalter, den Betrieb von unterschiedlich leistungsfähigen Zellen 12 in einem Gesamtverbund durch Anpassung der Stromlasten und den indirekten Schutz der Batteriezellen 12 durch Reduzierung der Stromstärke I_g an den anderen Zellen 12 im Verbund. Darüber hinaus kann eine Einkopplung bzw. Adaption der Zellspannung über Verstärkerelemente auf elektronische Schalter ohne eine übergreifende Zellüberwachungseinheit erfolgen. Zudem kann die Batterieanordnung als aktives Bauelement ausgebildet werden. Schließlich kann eine parallele Anbindung von Batteriezellen 12 an einen Strompfad mittels DC/DC-Wandlern erfolgen.
Bezugszeichenliste

10: Batterieanordnung
12: Batteriezelle
14: Versorgungsleitung
16: Zellverbund
18: Wandlereinrichtung
20: Steuereinrichtung
22: Signalbus
24: Gleichspannungswandler
26: Bypasseinrichtung
I_g: elektrische Stromstärke
I_z1, I_z2: Zellstrom
U_n1, U_n2: Nutzspannung
U_z1, U_z2: Zellspannung

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 2011/0234164 A1 [0005]
US 2012/0043923 A1 [0006]

Claims

Batterieanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug mit – einer Mehrzahl von Batteriezellen (12) und – einer Versorgungsleitung (14), mit der die Mehrzahl von Batteriezellen (12) elektrisch in Reihe verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – elektrisch parallel zu jeder der Batteriezellen (12) einer Wandlereinrichtung (18) geschaltet ist, mit der zum Laden der jeweiligen Batteriezelle (12) eine an der Versorgungsleitung (14) anliegende elektrische Spannung (U_n1, U_n2) und/oder ein durch die Versorgungsleitung (14) fließender elektrischer Strom (I_g) wandelbar ist.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Wandlereinrichtung (18) eine beim Entladen der Batteriezelle (12) bereitgestellte Zellspannung (U_z1, U_z2) und/oder ein beim Entladen der Batteriezelle (12) bereitgestellter Zellstrom (I_z1, I_z2) wandelbar ist
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinrichtung (18) einen bidirektionalen Gleichspannungswandler (24) umfasst
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinrichtung (18) eine Bypasseinheit (26) zum Überbrücken Batteriezelle (12) umfasst.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieanordnung (10) eine Steuereinrichtung (20) zum Steuern jeder der Wandlereinrichtungen (18) umfasst
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) und die Wandlereinrichtungen (18) mit einem Signalbus (22) verbunden sind.
Batterieanordnung (10) nach einem Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinrichtungen (18) mit der Steuereinrichtung (20) derart steuerbar sind, dass jede der Batteriezellen (12) einen vorbestimmten Ladungszustand einnimmt.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinrichtungen (18) an der zugehörigen Batteriezelle (12) angeordnet ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinrichtung (18) jeweils an einem Zellverbinder der zugehörigen Batteriezelle (12) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.