DE102015111989A1

DE102015111989A1 - Batteriesystem und Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems

Info

Publication number: DE102015111989A1
Application number: DE102015111989.7A
Authority: DE
Inventors: Steffen Flade; Josef Kallo
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Batterieeinrichtungen (Bn), umfassend eine Mehrzahl von Teileinheiten (12), wobei jede Teileinheit (12) umfasst: eine Batterieeinrichtung (Bn); mindestens einen seriell zu der Batterieeinrichtung (Bn) angeordneten Schalter (Sn, Sn + 1); und ein Steuerelement (Dn), welches parallel zu der Serienschaltung der Batterieeinrichtung (Bn) und dem mindestens einen Schalter (Sn, Sn + 1) angeordnet ist und welches so ausgebildet ist, dass durch das Steuerelement (Dn) bei entsprechender Ansteuerung ein elektrischer Strom unter Umgehung der Batterieeinrichtung (Bn) durch die Teileinheit (12) leitbar ist und welches eine Kurzschlussverbindung an der Serienschaltung verhindert; wobei beabstandete Teileinheiten (12) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Batterieeinrichtungen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems.
Aus der DE 10 2007 038 172 A1 ist ein Hybrid-Brennstoffzellensystem bekannt.
Aus der US 2010/0266921 A1 ist ein Hybrid-Brennstoffzellensystem bekannt.
Aus der US 2008/0012531 A1 ist ein Hybridbatteriemodul bekannt.
Aus der KR 1020050091862 A ist eine Spannungsbalance-Kontrollvorrichtung bekannt.
Aus der DE 10 2009 034 596 A1 ist ein System zum Speichern für elektrische Energie bekannt.
Aus der DE 199 35 873 A1 ist eine Schaltungsanordnung für ein Hybridfahrzeug bekannt.
Aus der DE 10 2013 111 231 A1 ist ein Wechselrichter mit einer tiefsitzenden Anpassschaltung zum Anschluss eines Gleichstromgenerators bekannt.
Aus der US 2009/0039781 A1 ist eine Elektrodenpaste bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Batteriesystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches umfangreiche Steuerungsmöglichkeiten und Regelungsmöglichkeiten bei hoher Variabilität ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Batteriesystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Mehrzahl von Teileinheiten vorgesehen ist, wobei jede Teileinheit eine Batterieeinrichtung, mindestens einen seriell zu der Batterieeinrichtung angeordneten Schalter und ein Steuerelement, welches parallel zu der Serienschaltung der Batterieeinrichtung und mindestens einen Schalter angeordnet ist und welches so ausgebildet ist, dass durch das Steuerelement bei entsprechender Ansteuerung ein elektrischer Strom unter Umgehung der Batterieeinrichtung durch die Teileinheit leitbar ist und welches eine Kurzschlussverbindung an der Serienschaltung verhindert, umfasst, wobei beabstandete Teileinheiten miteinander verbunden sind.
Das Batteriesystem lässt sich als Kette und insbesondere lineare Kette aus der Mehrzahl von Teileinheiten realisieren, welche miteinander verkettet sind und insbesondere seriell verkettet sind.
Das Batteriesystem lässt sich mit einer übergeordneten Steuerung bzw. Regelung mit hoher Variabilität steuern und/oder regeln. Für die Steuerung bzw. Regelung ist ein geringer Energieaufwand nötig.
Es ist insbesondere kein Stromrichter erforderlich, welcher einen entsprechenden Energieeigenverbrauch aufweist.
Das Batteriesystem der erfindungsgemäßen Lösung weist eine hohe Redundanz auf. Störungen lassen sich beheben. Beispielsweise lässt sich eine ausgefallene Batterieeinrichtung überbrücken.
Ein erfindungsgemäßes Batteriesystem lässt sich auf einfache Weise wieder aufladen, wenn entsprechende Batterieeinrichtungen wiederaufladbar sind.
Es lassen sich Schaltzustände realisieren, wobei ein Übergang von einem Zustand zu einem anderen Zustand nur durch Änderung der Schaltposition eines einzigen Schalters erreichbar ist. Dadurch werden undefinierte Schaltstellungen, die beispielsweise zu Spannungsspitzen führen können, vermieden.
Es lässt sich auf einfache Weise eine Spannung heruntersetzen.
Das Steuerelement einer Teileinheit sorgt dafür, dass kein Kurzschlusspfad an der Batterieeinrichtung entstehen kann, wobei bei Bedarf ein Strom unter Umgehung der Batterieeinrichtung durch die Teileinheit leitbar ist. Ein Beispiel eines solchen Steuerelements ist eine Diode und insbesondere Halbleiterdiode (insbesondere als diskretes Bauelement). Die Ansteuerung an einer solchen Diode um die erwähnte Funktionalität zu erzielen, ist "inhärent". Bei entsprechender Schalterstellung des mindestens einen Schalters kann durch die Teileinheit ein elektrischer Strom unter Umgehung der Batterieeinrichtung strömen, wobei ein Kurzschlusspfad an der Batterieeinrichtung stets vermieden ist.
Es ist aber beispielsweise auch möglich, dass als Steuerelement ein extern angesteuerter Schalter verwendet ist. Die externe Steuerung muss dafür sorgen, dass Kurzschlüsse vermieden werden. Der extern angesteuerte Schalter wird bei Bedarf so geschaltet, dass ein Strom unter Umgehung der Batterieeinrichtung durch die Teileinheit leitbar ist.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem lässt sich auf vorteilhafte Weise in einem Hybridsystem mit Brennstoffzelleneinrichtungen und Batterieeinrichtungen einsetzen. Wenn beispielsweise in einem solchen Hybridsystem eine oder mehrere Brennstoffzellen ausfallen, dann kommt es zum Absinken des Spannungsniveaus, sofern nicht eine sehr hohe Zahl von Brennstoffzellen vorgesehen ist. Es wird dann ausschließlich Energie über Batterieeinrichtungen bereitgestellt. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, einen Teil der Batterieeinrichtungen abzuschalten. Dadurch können die verbliebenen Brennstoffzellen wieder Energie liefern. Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann dabei die gesamte Batteriekapazität genutzt werden, ohne dass Batteriezellen der Batterieeinrichtung debalanciert werden.
Weiterhin ist es möglich, die Batterieeinrichtung bei höheren Lasten aus dem Brennstoffzellensystem wieder aufzuladen.
Eine Batterieeinrichtung umfasst eine Batteriezelle oder eine Mehrzahl von Batteriezellen, wobei insbesondere die mindestens eine Batteriezelle wiederaufladbar ist. Dadurch lässt sich ein Batteriesystem realisieren, welches wiederaufladbar ist.
Beispielsweise ist das Steuerelement so ausgebildet, dass ein Stromfluss nur in einer Richtung leitbar ist, wobei insbesondere diese Richtung entgegen einer Stromrichtung eines Entladestroms der Batterieeinrichtung ist. Dadurch ist es bei entsprechender Beschaltung der Teileinheit möglich, einen Strom durch die Teileinheit unter Umgehung der Batterieeinrichtung zu leiten. Die Leitung des Stromflusses in eine Richtung kann durch ein diskretes Bauteil wie eine Diode (und insbesondere Halbleiterdiode) erreicht werden, welche den Strom nur in einer Richtung durchlässt. Ein Stromfluss, welcher nur in einer Richtung möglich ist, ist beispielsweise auch über einen Schalter möglich, der entsprechend angesteuert wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Steuerelement ein gesteuerter Schalter oder umfasst einen solchen. Es ist eine externe Ansteuerung vorgesehen, welche in der Lage ist, Kurzschlüsse über die Batterieeinrichtung zu vermeiden und entsprechend bei Bedarf einen Stromfluss durch eine Teileinheit unter Umgehung der Batterieeinrichtung zu leiten. Es ist dazu eine entsprechende externe Ansteuerung (Ansteuerung außerhalb des gesteuerten Schalters) notwendig. Dies wird insbesondere durch eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung der Batterieeinrichtung übernommen.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Steuerelement eine Diode oder ist eine Diode. Eine Diode weist gewissermaßen eine interne (inhärente) Steuerung auf; der Stromfluss wird nur in einer Richtung durchgelassen. Bei einer Parallelanordnung zu der Serienschaltung der Batterieeinrichtung und des mindestens einen Schalters werden Kurzschlüsse an der Batterieeinrichtung verhindert. Bei entsprechender Ansteuerung des mindestens einen Schalters der Serienschaltung kann ein Stromfluss durch die Teileinheit unter Umgehung der Batterieeinrichtung erfolgen. Stromunterbrechungen und/oder Spannungsspitzen werden bei dem Vorsehen von Dioden als Steuerelemente bei einem Übergang von einem normalen Betrieb zu einem spannungsreduzierten Betrieb vermieden.
Insbesondere ist in einer Teileinheit eine Anodenseite der Diode an eine Anodenseite der Batterieeinrichtung und eine Kathodenseite der Diode an eine Kathodenseite der Batterieeinrichtung angeschlossen, wobei Anodenseite und Kathodenseite der Batterieeinrichtung auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung bezogen sind. Dadurch ergeben sich gute Variationsmöglichkeiten. Hier werden Kathodenseite und Anodenseite als feste Orte an der Batterieeinrichtung verwendet. Auch wenn die Batterieeinrichtung aufgeladen wird (wobei dann im Vergleich zum Entladen funktionell Kathode und Anode ihre Plätze tauschen), werden mit Anodenseite und Kathodenseite diejenigen Orte bezeichnet, die sie beim Entladevorgang haben. Beim Entladevorgang fließt in dem äußeren Stromkreis der elektrische Strom von der Kathodenseite zu der Anodenseite.
Insbesondere ist in einer Teileinheit ein erster Schalter zwischen der Batterieeinrichtung und dem Steuerelement angeordnet und beispielsweise zwischen einer Anodenseite der Batterieeinrichtung und einer Anodenseite einer Diode (als Steuerelement) angeordnet, wobei die Anodenseite der Batterieeinrichtung auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung bezogen ist. Dadurch ergeben sich umfangreiche Schaltmöglichkeiten.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn in einer Teileinheit ein zweiter Schalter zwischen der Batterieeinrichtung und dem Steuerelement angeordnet ist, wobei die Batterieeinrichtung zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter positioniert ist und beispielsweise der zweite Schalter zwischen der Kathodenseite der Batterieeinrichtung und der Kathodenseite einer Diode angeordnet ist, wobei die Kathodenseite der Batterieeinrichtung auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung bezogen ist.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass der zweite Schalter einer Teileinheit durch den ersten Schalter einer benachbarten Teileinheit gebildet ist, und dass der erste Schalter einer Teileinheit durch den zweiten Schalter einer benachbarten Teileinheit gebildet ist. Dadurch lässt sich ohne Einschränkung der Funktionalität die Anzahl der Schalter gering halten.
Günstig ist es, wenn eine Teileinheit einen ersten Anschlusspunkt aufweist, welcher zwischen einem ersten Schalter, der mit der Anodenseite der Batterieeinrichtung und dem Steuerelement und beispielsweise einer Anodenseite einer Diode verbunden ist, und der Batterieeinrichtung liegt, wobei die Anodenseite der Batterieeinrichtung auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung bezogen ist. Dadurch lassen sich auf einfache Weise Teileinheiten in der Art von Elementarzellen miteinander verketten.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine Teileinheit einen zweiten Anschlusspunkt aufweist, welcher zwischen einem zweiten Schalter, der mit dem Steuerelement und insbesondere einer Kathodenseite einer Diode und einer Kathodenseite der Batterieeinrichtung verbunden ist, und einer Anodenseite der Batterieeinrichtung liegt, wobei die Kathodenseite der Batterieeinrichtung auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung bezogen ist.
Es ist dann vorteilhaft, wenn eine Teileinheit mit der Nummer n + 1 (Ordnungszahl der Teileinheit), wobei n eine natürliche Zahl ist, und eine benachbarte Teileinheit mit der Nummer n an dem zweiten Anschlusspunkt der Teileinheit mit der Nummer n angeschlossen ist. Dadurch ergibt sich eine effektive Verkettung.
Ferner ist es günstig, wenn eine Teileinheit mit der Nummer n – 1 an eine Teileinheit mit der Nummer n über den ersten Anschlusspunkt der Teileinheit mit der Nummer n angeschlossen ist. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise eine (lineare) Kette an Teileinheiten mit den Teileinheiten als Elementarzellen realisieren.
Günstigerweise ist eine erste Reihe vorgesehen, in welcher Steuerelemente und Batterieeinrichtungen alternierend seriell angeordnet sind, wobei jeweils eine Kathodenseite einer entsprechenden Batterieeinrichtung mit einem Steuerelement und beispielsweise mit einer Anodenseite einer benachbarten Diode verbunden ist, und eine zweite Reihe von Steuerelementen und Batterieeinrichtungen vorgesehen ist, in welcher Steuerelemente und Batterieeinrichtungen alternierend seriell angeordnet sind, wobei jeweils eine Kathodenseite einer entsprechenden Batterieeinrichtung mit einem Steuerelement und beispielsweise mit einer Anodenseite einer benachbarten Diode verbunden ist, und wobei zwischen der ersten Reihe und der zweiten Reihe Schalter angeordnet sind, wobei jeweils ein Schalter zwischen Steuerelementen und beispielsweise Kathodenseiten von Dioden der ersten Reihe und Steuerelementen und beispielsweise Anodenseiten von Dioden der zweiten Reihe und zwischen Steuerelementen und beispielsweise Anodenseiten von Dioden der ersten Reihe und zwischen Steuerelementen und beispielsweise Kathodenseiten von Dioden der zweiten Reihe angeordnet sind.
Es ergeben sich umfangreiche Variationsmöglichkeiten. Insbesondere ergeben sich umfangreiche Schaltmöglichkeiten, wobei ein Zustand (Schaltzustand) das Batteriesystem als Ganzes sich in einen anderen Schaltzustand umwandeln lässt, indem nur ein Schalter betätigt wird.
Insbesondere ist ein erster Schaltzustand vorgesehen, in welchem alle Schalter geschlossen sind. Dies entspricht einer seriellen Schaltung von Batterieeinrichtungen.
Es ist ferner günstig, wenn ein zweiter Schaltzustand vorgesehen ist, in welchem Batterieeinrichtungen benachbarter Teileinheiten parallelgeschaltet sind, wobei insbesondere ein Schalter, welcher ein Steuerelement und beispielsweise eine Kathodenseite einer Diode einer Teileinheit mit der Nummer n (Ordnungszahl n) mit einem Steuerelement und beispielsweise mit einer Anodenseite einer Diode einer Teileinheit mit der Nummer n + 1 verbindet, geöffnet ist und die Batterieeinrichtung der Teileinheit mit der Nummer n und die Batterieeinrichtung der Teileinheit mit der Nummer n + 1 parallel zueinander geschaltet sind. Durch eine Parallelschaltung von Batterieeinrichtungen lässt sich der Ladezustand (SOC) von parallelgeschalteten Batterieeinrichtungen angleichen. Es ergibt sich in Regelung ein stabileres Verhalten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mit abnehmendem SOC eine Zellspannung an einer Batteriezelle kleiner wird. Mit zunehmendem Entladestrom sinkt auch die Klemmspannung. Damit die Klemmspannung von parallelgeschalteten Batterieeinrichtungen mit unterschiedlichem Ladezustand gleich groß ist, muss der Strom der Batterieeinrichtung mit hohem SOC größer sein als der der anderen Batterieeinrichtung. Die stärker entladene Batterieeinrichtung wird also weniger belastet als die andere. Es lässt sich auf einfache Weise eine Spannung heruntersetzen und es lässt sich dabei eine gleichmäßige Entladung aller Batterieeinrichtungen erreichen, wenn entsprechend Schaltzustände eingestellt werden.
Ferner ist es günstig, wenn ein dritter Schaltzustand vorgesehen ist, bei welchem eine Batterieeinrichtung abgeschaltet ist (und die anderen Batterieeinrichtungen nicht), wobei insbesondere eine Batterieeinrichtung einer Teileinheit mit der Nummer n abgeschaltet ist und ein Schalter zwischen einem Steuerelement und beispielsweise einer Anodenseite einer Diode der Teileinheit mit der Nummer n und einem Steuerelement und beispielsweise einer Kathodenseite einer Diode einer Teileinheit mit der Nummer n – 1 offen ist und ein Schalter zwischen einem Steuerelement und beispielsweise einer Kathodenseite der Diode der Teileinheit mit der Nummer n und einem Steuerelement und beispielsweise einer Anodenseite einer Diode der Teileinheit mit der Nummer n + 1 offen ist. Durch Durchlaufen der verschiedenen Schaltzustände lässt sich eine Spannungsherabsetzung mit gleichmäßiger Entladung erreichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Steuerelement einer Teileinheit einen parallelgeschalteten Überbrückungsschalter auf, wobei insbesondere der Überbrückungsschalter mit einer Kathodenseite und einer Anodenseite einer Diode verbunden ist, und es ist an den Überbrückungsschalter eine Wiederaufladeeinrichtung für die Batterieeinrichtung angeschlossen. Es lässt sich so auf gleichmäßige Weise eine Wiederaufladung von allen Batterieeinrichtungen des Batteriesystems erreichen; die Wiederaufladeeinrichtung sorgt für die Wiederaufladung.
Insbesondere ist eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen, welche die Überbrückungsschalter der Teileinheiten ansteuert, und dabei derart ansteuert, dass kein Kurzschluss an den Batterieeinrichtungen auftritt. Es ergibt sich so eine gleichmäßige Wiederaufladung von Batterieeinrichtungen auch bei herabgesetztem Spannungsniveau.
Erfindungsgemäß wird das erfindungsgemäße Batteriesystem so betrieben, dass ein Übergang von einem ersten Zustand des Batteriesystems zu einem zweiten Zustand allein durch die Stellung eines einzigen Schalters und/oder eines einzigen Überbrückungsschalters geändert wird.
Es werden dadurch undefinierte Schalterzustände vermieden, die zu Spannungsspitzen führen können.
Erfindungsgemäß ist es ferner vorgesehen, dass Schaltzustände von Schaltern und/oder Überbrückungsschaltern zyklisch geändert werden.
Wenn dafür gesorgt wird, dass eine Mehrzahl von Batterieeinrichtungen entladen wird bzw. aufgeladen wird, dann lässt sich eine im zeitlichen Mittel gleichmäßige Entladung bzw. Aufladung erreichen. Es lassen sich dadurch alle Batterieeinrichtungen des Batteriesystems ansprechen und eine ungleichmäßige Aufladung bzw. Entladung bezogen auf das Gesamtsystem wird vermieden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Teileinheit eines erfindungsgemäßen Batteriesystems;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Batteriesystems;
3 das Batteriesystem gemäß 2 in einer anderen Darstellung;
4 Schaltungsmöglichkeiten für das Batteriesystem gemäß 2;
5 eine tabellarische Übersicht für Schaltzustände des Batteriesystems gemäß 2 mit einer Schaltzustandsnummer;
6 eine Ablaufübersicht für eine Beschaltungsmöglichkeit des Batteriesystems gemäß 2, wobei die eingezeichneten Nummern die Schaltzustandsnummern gemäß 5 sind;
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems mit Überbrückungsschaltern;
8 ein schematisches Ablaufschema für einen Betriebsmodus des Batteriesystems gemäß 7 zu dessen Wiederaufladung;
9 eine tabellarische Übersicht von Schaltzuständen für den Verfahrensablauf gemäß 8; und
10 eine schematische Darstellung einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung für den Betrieb eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
Ein Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems, welches in den 2 und 3 gezeigt und mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Mehrzahl von Teileinheiten 12, welche miteinander verbunden sind. Das Batteriesystem 10 ist eine lineare Kette von Teileinheiten 12, welche miteinander verkettet sind. Die Teileinheiten 12 bilden Elementarzellen der Kette des Batteriesystems 10.
Eine Teileinheit 12 der Nummer n, wobei n eine natürliche Zahl ist, umfasst, wie in 1 gezeigt, eine Batterieeinrichtung Bn. Die Batterieeinrichtung Bn hat eine Anodenseite 14 und eine Kathodenseite 16, wobei Anodenseite 14 und Kathodenseite 16 auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung Bn bezogen sind. Der Ort der Anodenseite 14 und der Ort der Kathodenseite 16 wird hier gleich bezeichnet, auch wenn die Batterieeinrichtung Bn aufgeladen wird. Bei einem Entladevorgang fließt der elektrische Strom im äußeren Stromkreis von der Kathodenseite 16 zu der Anodenseite 14.
Die Batterieeinrichtung Bn ist durch eine Batteriezelle oder durch eine Mehrzahl von seriell geschalteten Batteriezellen gebildet.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Batterieeinrichtung Bn wiederaufladbar.
Die Teileinheit 12 mit der Ordnungsnummer n weist ferner einen ersten Schalter Sn auf, welcher seriell mit der Batterieeinrichtung Bn geschaltet ist und dabei an die Anodenseite 14 angeschlossen ist. Die Teileinheit 12 weist ferner einen zweiten Schalter Sn + 1 auf, welcher seriell mit der Batterieeinrichtung Bn geschaltet ist und an Kathodenseite 16 angeschlossen ist.
Der erste Schalter Sn, die Batterieeinrichtung Bn und der zweite Schalter Sn + 1 bilden eine Reihenschaltung 18. Zu dieser Reihenschaltung 18 ist parallel eine Diode Dn als Beispiel eines Steuerelements geschaltet. Die Diode Dn weist dabei eine Anodenseite 20 und eine Kathodenseite 22 auf. Ein Stromdurchfluss ist von der Anodenseite 20 zu der Kathodenseite 22 möglich. In der Gegenrichtung (von der Kathodenseite 22 zu der Anodenseite 20) ist der Stromdurchfluss gesperrt.
Die Anodenseite 20 der Diode Dn ist an die Anodenseite 14 der Batterieeinrichtung Bn angeschlossen, wobei zwischen der Anodenseite 20 der Diode Dn und der Anodenseite 14 der Batterieeinrichtung Bn der Schalter Sn angeordnet ist.
Die Kathodenseite 22 der Diode Dn ist an die Kathodenseite 16 der Batterieeinrichtung Bn angeschlossen, wobei zwischen der Kathodenseite 22 der Diode Dn und der Kathodenseite 16 der Batterieeinrichtung Bn der Schalter Sn + 1 angeordnet ist.
Die Diode Dn ist beispielsweise durch ein Halbleiterelement gebildet. Hier wird unter einer Diode generell ein Element verstanden, welches den Strom nur in einer Richtung durchlässt und in der Gegenrichtung sperrt. Die Diode Dn muss nicht unbedingt als Halbleiterelement ausgebildet sein.
Die Teileinheit 12 weist einen ersten Anschlusspunkt 24 auf. Dieser erste Anschlusspunkt 24 ist zwischen dem Schalter Sn und der Anodenseite 14 der Batterieeinrichtung Bn gebildet.
Die Teileinheit 12 weist ferner einen zweiten Anschlusspunkt 26 auf. Dieser ist zwischen der Kathodenseite 16 der Batterieeinrichtung Bn und dem Schalter Sn + 1 angeordnet.
Zur Bildung des Batteriesystems 10 mit der Verkettung von Teileinheiten 12 ist an den ersten Anschlusspunkt 24 einer Teileinheit mit der Ordnungszahl n eine Teileinheit mit der Ordnungszahl n – 1 angeschlossen und dabei ein Steuerelement Dn – 1 der Teileinheit mit der Ordnungszahl n – 1 angeschlossen.
An den zweiten Anschlusspunkt 26 der Teileinheit 12 mit der Ordnungszahl n ist eine Teileinheit mit der Ordnungszahl n + 1 angeschlossen, wobei ein Steuerelement Dn + 1 angeschlossen ist.
In den 2 und 3 ist ein Beispiel eines entsprechenden Batteriesystems mit n = 4 gezeigt. Dieses Batteriesystem weist Teileinheiten 12 ₁, 12 ₂, 12 ₃, 12 ₄ auf, welche wie oben beschrieben ausgebildet sind.
Diese sind so wie oben beschrieben miteinander verknüpft.
Es ist dabei vorgesehen, dass gemeinsame Schalter verwendet werden; ein Schalter Sn einer Teileinheit 12 mit der Ordnungszahl n + 1, welcher an die Anodenseite 14 der Batterieeinrichtung Bn + 1 angeschlossen ist, fällt mit dem Schalter Sn + 1 der Teileinheit 12 mit der Ordnungszahl n zusammen.
Entsprechende Bezeichnungen sind in 1 gewählt; der zweite Schalter Sn + 1 einer Teileinheit 12 fällt mit dem ersten Schalter einer nächstbenachbarten Teileinheit 12 zusammen.
Bei dem Batteriesystem 10 gemäß 2 sind dann insgesamt vier Dioden D1, D2, D3, D4 vorhanden sowie vier Batterieeinrichtung B1, B2, B3, B4. Es sind insgesamt fünf Schalter S1, S2, S3, S4, S5 vorhanden.
In 3 ist eine andere Darstellung des Batteriesystems gemäß 2 gezeigt.
Das Batteriesystem 10 weist eine erste Reihe 28 auf. In der ersten Reihe 28 sind Dioden Dn und Batterieeinrichtungen Bn seriell angeordnet und dabei alternierend angeordnet, d. h. auf eine Diode Dn folgt eine Batterieeinrichtung Bn + 1, dann eine Diode Dn + 2 usw.
In der ersten Reihe 28 ist dabei eine Kathodenseite 22 einer Diode Dn mit der Anodenseite 14 der nächstbenachbarten Batterieeinrichtung Bn + 1 verbunden. Eine Kathodenseite 16 der Batterieeinrichtung Bn + 1 ist mit der Anodenseite 20 der nächsten Diode Dn + 2 verbunden usw.
Das Batteriesystem 10 weist ferner eine zweite Reihe 30 auf. Die zweite Reihe 30 ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie die erste Reihe 28 mit alternierend aufeinanderfolgenden Batterieeinrichtungen und Dioden, welche seriell geschaltet sind.
Auf die Batterieeinrichtung Bn folgt die Diode Dn + 1, danach die Batterieeinrichtung Bn + 2 und dann die Diode Dn + 3 usw.
Es sind dabei in der zweiten Reihe 30 wiederum Anodenseiten 14 der entsprechenden Batterieeinrichtungen mit Kathodenseiten 22 der Dioden verbunden und Anodenseiten 20 der Dioden mit Kathodenseiten 16 der entsprechenden Batterieeinrichtungen.
Zwischen der ersten Reihe 28 und der zweiten Reihe 30 sind entsprechende Schalter angeordnet.
Es sind dabei Schalter Sn zwischen der Anodenseite 14 der Batterieeinrichtung Bn und der Anodenseite 20 der Diode Dn angeordnet.
Es sind jeweils Schalter zwischen Anodenseiten 20 von Dioden und Anodenseiten 14 von Batterieeinrichtungen angeordnet, und Schalter zwischen Kathodenseiten 22 von Dioden und Kathodenseiten 16 von Batterieeinrichtungen angeordnet, wobei die Schalter dann parallel zueinander angeordnet sind.
In dem obigen Ausführungsbeispiel wurde als Steuerelement an einer Teileinrichtung 12 eine Diode verwendet. Grundsätzlich ist es die Aufgabe eines Steuerelements, welches parallel zu der Serienschaltung aus den Schaltern Sn, der Batterieeinrichtung Bn und dem Schalter Sn + 1 geschaltet ist, bei entsprechender Ansteuerung einen Strom durch die Teileinheit 12 unter Umgehung der Batterieeinrichtung Bn durchleiten zu können, wobei ein Kurzschluss vermieden ist.
Eine Diode (und insbesondere Halbleiterdiode) als diskretes Schaltelement hat den Vorteil, dass gewissermaßen bei richtiger Polung eine interne Steuerung vorhanden ist und keine externe Ansteuerung zum Erreichen der beschriebenen Funktionalität (Vermeidung eines Kurzschlusspfades über die Batterieeinrichtung Bn, Durchleiten eines Stroms unter Umgehung der Batterieeinrichtung Bn) gewährleistet.
Das Steuerelement kann beispielsweise auch ein durch eine entsprechende Steuerungs-/Regelungseinrichtung angesteuerter Schalter sein, wobei die Steuerung dafür sorgt, dass kein Kurzschluss über eine Batterieeinrichtung Bn entstehen kann und entsprechend ein Strom durch die Teileinheit unter Umgehung der Batterieeinrichtung Bn durchgeleitet werden kann.
Grundsätzlich darf ein Steuerelement immer dann im leitenden Zustand sein (mit Stromdurchleitung), wenn einer der benachbarten Schalter Sn oder Sn + 1 offen ist, d. h. an dem Schalter Sn oder Sn + 1 kein Stromleitpfad bereitgestellt ist. Um Stromunterbrechungen und/oder Spannungsspitzen während eines Übergangs von einem normalen in einen spannungsreduzierten Betrieb zu vermeiden, ist eine Diode als diskretes Bauelement vorteilhaft.
In 4 sind in tabellarischer Übersicht mögliche Schaltungszustände für die Schalter S1 bis S5 für das Batteriesystem 10 gemäß den 2, 3 mit vier Teileinheiten gezeigt. Gezeigt ist die Ersatzschaltung für den entsprechenden Schaltzustand und auch eine Ersatzschaltung, wenn von idealen Dioden ausgegangen wird.
Das Batteriesystem 10 weist einen ersten Schaltzustand auf, in welchem alle Schalter Sn geschlossen sind.
Im Beispiel eines Batteriesystems mit vier Teileinheiten 12 sind alle Schalter S1 bis S5 geschlossen. Dies entspricht einer seriellen Schaltung von allen Batterieeinrichtung Bn.
Wenn ein Schalter geöffnet wird (Schaltzustand 0), welcher kein äußerer Schalter ist, d. h. wenn S2, S3 oder S4 geöffnet wird, dann erfolgt ein Parallelbetrieb von Batterieeinrichtungen. Wenn beispielsweise der Schalter S4 gemäß 2 oder 3 geöffnet wird und alle anderen Schalter S1, S2, S3 und S5 geschlossen sind, dann werden die Batterieeinrichtungen B3 und B4 parallel betrieben.
Je nachdem, welcher Schalter geöffnet wird, lassen sich unterschiedliche Batterieeinrichtungen parallel betreiben (vgl. die Tabelle gemäß 4).
Wenn beispielsweise zwei Schalter, welche keine äußeren Schalter sind, geöffnet sind, dann folgt eine Parallelschaltung von zwei Batterieeinrichtungen zu einer Batterieeinrichtung, wobei aufgrund der Wirkung der Diode in einem Parallelzweig dieser Zweig bezüglich der Stromabgabefähigkeit abgeschaltet wird. Effektiv wird dadurch eine Serienschaltung von nur drei Batterieeinrichtungen erreicht.
Dieser Effekt wird auch erzielt, wenn entweder der äußere Schalter S1 oder S5 geöffnet wird. Dadurch wird die Batterieeinrichtung B1 bzw. die Batterieeinrichtung B4 abgeschaltet. (Im ersteren Fall ist es unabhängig davon, in welcher Schaltposition der Schalter S2 ist; deswegen sind in der Tabelle die Schaltzustände 1 und 0 eingetragen. Im letzteren Fall ist es unabhängig davon, in welcher Schaltposition der Schalter S4 ist; deshalb sind in der Tabelle dort die Schaltzustände 1 und 0 eingetragen.)
Das Batteriesystem 10 funktioniert wie folgt:
Bei dem Batteriesystem 10 kann durch Betätigung eines Schalters Sn eine Parallelschaltung von mindestens zwei Batterieeinrichtungen erreicht werden. Das Batteriesystem 10 ist dabei eine Verkettung der Teileinheiten 12. Eine Teileinheit 12 bildet ein Einzelmodul.
Zwischen verschiedenen Schaltzuständen kann durch eine Abfolge von Schaltvorgängen gewechselt werden.
In einem ersten Schaltzustand sind alle Schalter geschlossen und alle Batterieeinrichtungen in der Kette seriell geschaltet.
In einem zweiten Schaltzustand sind eine oder mehrere Batterieeinrichtungen parallel geschaltet. In einem dritten Schaltzustand sind einzelne Batterieeinrichtungen abgeschaltet. Durch entsprechendes Aneinanderreihen von Schaltzuständen können Batterieeinrichtungen im Mittel gleichmäßig bei reduzierter Gesamtspannung entladen werden.
Es ist dabei möglich, dass nur ein Schalter pro Schaltvorgang betätigt wird; dadurch wird das gleichzeitige Schalten mehrerer Schalter vermieden, was zu undefinierten Schaltzuständen und zu Spannungsspitzen führen kann.
Anhand der 5 und 6 wird ein Betriebsmodus erläutert, bei dem eine Spannung herabgesetzt wird. Dieser Betriebsmodus wird erläutert anhand eines Batteriesystems 10 mit vier Batterieeinrichtungen (vgl. 2).
In der Tabelle 5 sind entsprechende Schaltzustandsnummern gezeigt. Der grundsätzliche Ausgangszustand mit der Schaltzustandsnummer 0 ist der Zustand, in dem alle Schalter S1 bis S5 geschlossen sind. Dies entspricht einer Reihenschaltung der entsprechenden vier Batterieeinrichtungen.
Das Heruntersetzen der Spannung als Gesamtspannung des Batteriesystems 10, welche an den Abgreifpunkten 32a, 32b bei dem Batteriesystem gemäß 10 abgreifbar ist, wird erreicht, indem variierend eine Batterieeinrichtung abgeschaltet wird. Anfänglich wird dazu der Schalter S1 geöffnet. Der Schaltzustand wird als Eins-Übergang bezeichnet. In diesem Zustand ist die erste Batterieeinrichtung B1 abgeschaltet. Effektiv entspricht dies einer Reihenschaltung der drei verbliebenen Batterieeinrichtungen B2, B3 und B4.
Es ist auch möglich, dass ein beliebig anderer Schalter geöffnet wird. Es lässt sich dadurch direkt in den gemäß 5 zugeordneten Schaltzustand springen.
Es wird dann in die Schaltzustandsnummer 1 übergegangen, bei der auch der Schalter S2 geöffnet wird. Davon ausgehend werden Schaltzustandsnummern 2, 3, 4, 5, 6, 7 durchlaufen, wobei die entsprechenden Schalterstellungen in der Tabelle gemäß 5 gezeigt sind. Ausgehend von dem Schaltzustand mit der Schaltzustandsnummer 7 werden dann die Schaltzustände 6, 5, 4, 3, 2, 1 durchlaufen. Der entsprechende Ablauf ist in 6 gezeigt.
Bei dieser Betriebsweise beim Durchlaufen der Schaltzustände mit den Schaltzustandsnummern 1 bis 7 entsprechend dem Diagramm gemäß 6 wird die Spannung um den Betrag einer Batterieeinrichtung herabgesetzt. Es werden dabei zyklisch Schalter geschaltet, so dass im Mittel die Herabsetzung erreicht ist und dabei alle Batterieeinrichtungen gleichmäßig belastet und damit entladen werden. Der Übergang von einem Schaltzustand zu einem anderen Schaltzustand (ausgedrückt durch die entsprechende Schaltzustandsnummer) erfolgt dabei immer derart, dass nur ein Schalter betätigt werden muss.
Wenn in den Ausgangszustand übergegangen werden soll, bei dem alle Batterieeinrichtungen wirksam sind, dann wird beispielsweise ausgehend von dem Schaltzustand mit der Schaltzustandsnummer 7 ein Übergang "7-Übergang" durchgeführt, bei dem alle Schalter S1 bis S4 geschlossen sind und der Schalter S5 offen ist. Der Ausgangszustand wird dann dadurch erreicht, dass auch der Schalter S5 (als letzter Schalter in der Kette) geschlossen wird.
Es kann grundsätzlich auch aus jedem Zustand, in dem nur ein Schalter geöffnet ist, wieder in den Ausgangszustand gesprungen werden.
Wenn in einem Schaltzustand Batterieeinrichtungen parallelgeschaltet sind, dann besteht eine gewisse Tendenz, den Ladezustand (SOC) von parallelgeschalteten Zellen anzugleichen. Die Parallelschaltung von Batterieeinrichtungen und damit von Batteriezellen zeigt mit Bezug auf den Ladezustand bezüglich einer Regelung ein stabiles Verhalten. Grundsätzlich wird mit abnehmendem SOC eine Zellspannung kleiner. Mit zunehmendem Entladestrom wird die Klemmspannung ebenfalls kleiner. Damit die Klemmspannung von parallelgeschalteten Batterieeinrichtungen gleich groß ist, muss der Strom an der Batterieeinrichtung mit hohem SOC größer sein als der der anderen Batterieeinrichtung. Dies bedeutet, dass die stärker entladene Batterieeinrichtung weniger belastet wird als die andere.
Grundsätzlich ergibt sich mindestens näherungsweise die an den Abgreifpunkten 32a, 32b abgegriffene Spannung als Produkt der Spannungen einer Batterieeinrichtung (wenn näherungsweise davon ausgegangen wird, dass die Spannung in allen Batterieeinrichtungen gleich ist) und der Differenz zwischen der Anzahl aller Batterieeinrichtungen und der Anzahl parallelgeschalteter Batterieeinrichtungen.
Oben wird anhand der 5 und 6 ein Betriebsmodus erläutert, bei dem die an den Abgreifpunkten 32a, 32b abgreifbare Spannung um den Betrag einer Batterieeinrichtung herabgesetzt wird.
Es ist auch möglich, die Spannung um den Betrag einer Mehrzahl von Batterieeinrichtungen herabzusetzen. So können beispielsweise mehrere benachbarte Schalter geöffnet werden; dadurch lassen sich zwei parallele Stränge von seriell verschalteten Batterieeinrichtungen erhalten. Es ist auch möglich, mehrere einzelne, nicht benachbarte Schalter zu öffnen. Dadurch werden mehrere Parallelschaltungen aus zwei Batterieeinrichtungen erhalten. Beide Möglichkeiten können auch miteinander vermischt werden.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem 10 lässt sich insbesondere vorteilhaft einsetzen in einer Hybridanordnung, welche die Batterieeinrichtungen und Brennstoffzellen umfasst. Bei einem solchen System kommt es, wenn eine oder mehrere Brennstoffzellen ausfallen und keine hohe Anzahl von Brennstoffzellen vorhanden ist, zum Absinken des Spannungsniveaus. Es wird dann ausschließlich die Batterieseite des Systems für die Energieversorgung genutzt. Dies hat aber zur Folge, dass beispielsweise die Reichweite eines Fahrzeugs, welches ein solches System nutzt, eingeschränkt wird.
Wenn nur ein Teil der Batterieeinrichtungen abgeschaltet wird, können die verbliebenen Brennstoffzellen wieder Energie liefern. Jedoch kann in diesem Fall nicht mehr die gesamte Batteriekapazität genutzt werden. Außerdem werden Batteriezellen debalanciert.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann ein Teil der Batterieeinrichtungen abgeschaltet werden, wobei dann aber bei entsprechender Verfahrensdurchführung wie beispielsweise oben beschrieben die gesamte Batteriekapazität genutzt werden kann und eine Debalancierung von Batteriezellen weitgehend vermieden wird.
Bei einem beschriebenen Direkthybridsystem kann auch das Problem auftreten, dass eine Wiederaufladung von Batterieeinrichtung bei höheren Lasten aus der Brennstoffzellenseite des Systems, sofern dies nötig ist, ein Grund dafür ist, dass das Spannungsniveau der Brennstoffzellen bei höherer Last stark absinkt. Dies kann wiederum dazu führen, dass die Spannung zu gering ist, um die Batterieeinrichtungen wiederaufladen zu können.
Insbesondere um eine effektive Wiederaufladbarkeit zu erzielen, ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (vgl. 7) an jeder Teileinheit 12 an der entsprechenden Diode Dn ein Überbrückungsschalter 34 angeordnet. Der entsprechende Überbrückungsschalter 34 ist parallel zu seiner zugeordneten Diode Dn geschaltet. Über einen Überbrückungsschalter 34 lässt sich eine entsprechende zugeordnete Diode Dn für einen Ladevorgang überbrücken, um die entsprechende Batterieeinrichtung Bn laden zu können.
Prinzipiell funktioniert dabei das Laden der entsprechenden Batterieeinrichtung bei verringerter Spannung auf die gleich Art wie das Entladen, wobei anstelle der Dioden Schalter 34 verwendet werden.
Es ist eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen, welche dafür sorgt, dass beim Ladevorgang keine Kurzschlüsse entstehen. Es wird dafür gesorgt, dass an einem Zweig mit Überbrückungsschalter 34 und entsprechender zugeordneter Diode Dn und dem benachbarten Schalter Sn + 1 nicht gleichzeitig eine leitende Schaltung vorliegt, da sonst ein Kurzschluss an der Batterieeinrichtung Bn auftritt. (Die Anordnung aus Überbrückungsschalter 34 und zugeordneter Diode kann als "Ersatzschalter" Dn* angesehen werden.)
Bei einem Ladevorgang des Batteriesystems 10 dürfen Strompfade, in denen Dioden Dn sind, erst dann leitfähig werden, wenn die Ausgangsspannung bereits durch Öffnen (mindestens) eines benachbarten Schalters herabgesetzt wurde, somit könnte dann, wenn gleichzeitig benachbarte Schalter Sn und Sn + 1 geschlossen sind, ein Kurzschluss entstehen.
Bei dem Batteriesystem gemäß 7 (welches dort als 36 bezeichnet wird) ist ein Entladevorgang möglich, wenn die Überbrückungsschalter 34 offen sind oder die Überbrückungsschalter 34 geschlossen sind und gleichzeitig Sn und Sn + 1 offen sind.
Ein Beladevorgang der Batterieeinrichtung Bn ist möglich, wenn Überbrückungsschalter 34 geschlossen werden mit der oben genannten Vorgabe.
Grundsätzlich erfolgt zum Laden bei herabgesetzter Spannung die Umschaltung wie folgt:

1. Zum Herabsetzen der Spannung wird ein Schalter Sj geöffnet.
2. In einem nächsten Schritt wird dann der davon rechts befindliche Ersatzschalter Dj* (Überbrückungsschalter 34 mit Diode Dj) überbrückt. Es kann dann in beiden Richtungen Strom durch die Batterieeinrichtungen fließen. Es wird die Batterieeinrichtung Bj mit vollem Strom geladen und die Batterieeinrichtung Bj + 1 gar nicht geladen.
3. Anschließend wird der Schalter Sj + 1 geöffnet.
4. Es wird dann der Schalter Sj wieder geschlossen.
5. Nun wird der Ersatzschalter Dj + 1 (Kombination aus Überbrückungsschalter 34 und Diode Dj + 1) in den leitfähigen Zustand versetzt. Es werden dadurch die Module Bj und Bj + 1 parallel geladen.
6. In einem nächsten Schritt wird der Überbrückungsschalter 34 an der Diode Dj wieder geöffnet. Dadurch wird nur noch die Batterieeinrichtung Bj + 1 geladen und die Batterieeinrichtung Bj nicht mehr.
7. Die Punkte 3 bis 6 werden (mit j + 1 statt j) so lange zyklisch durchlaufen, bis der letzte Schalter S geöffnet ist und der Ersatzschalter D* für die letzte Diode D geschlossen ist. Danach wird diese Zustandsfolge in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen. So können die Batterieeinrichtungen analog zum Entladen gleichmäßig bei niedriger Spannung aufgeladen werden.

Zu geeigneten Zeitpunkten müssen die Ersatzschalter, bestehend aus Überbrückungsschalter 34 und zugeordneter Diode Dn, umgeschaltet werden, so dass kein Kurzschluss entsteht.
In den 8 und 9 ist beispielhaft ein Schema für einen Beladevorgang anhand des Batteriesystems 36 mit vier Teileinheiten gezeigt.
In der Tabelle gemäß 9 geben die Nummern in der linken Spalte der Tabelle entsprechende Schaltzustände an, welche der jeweiligen Schalterstellung der Schalter S1 bis S5 entsprechen. Es sind die zugehörigen Ersatzschaltungen gezeigt, wobei auch eine Version gezeigt ist, in der die Dioden als ideal angenommen sind.
Ausgangspunkt ist der Zustand mit der Nummer 0, in dem alle Schalter S1 bis S5 geschlossen sind. Es erfolgt ein Übergang "1-Ü", in dem der Schalter S1 geöffnet wird. Dadurch wird gewissermaßen die Diode D1 aktiv und die Diode D2 ist aktiv. Dies ist in dem Diagramm gemäß 8 durch "ein" angedeutet.
Es wird dann in den Schaltzustand mit der Nummer 1 gegangen, in dem auch der Schalter S2 geöffnet wird. Davon ausgehend werden sie Sequenzen mit den Schaltzuständen 2, 3, 4, 5, 6, 7 usw. durchfahren, wobei die entsprechende Schaltzustandsnummer in 9 gezeigt ist.
In 8 ist auch der jeweilige Zustand der Dioden gezeigt.
Es lässt sich dadurch sukzessive bei einem zyklischen Verlauf eine gleichmäßige Aufladung der entsprechenden Batterieeinrichtungen B1 bis B4 erreichen.
Nach Abschluss wird ausgehend von dem Schaltzustand 7 in den Schaltzustand "7-Ü" gegangen, bei dem die Schalter S1 bis S4 geschlossen sind und der Schalter S5 offen ist. Bei entsprechend langer Durchführung, wobei an die Abgriffpunkte 32a, 32b eine Wiederaufladeeinrichtung angeschlossen ist (beispielsweise durch ein Brennstoffzellensystem gebildet), ergibt sich ein aufgeladenes Batteriesystem 36.
Die verwendeten Schalter (einschließlich Ersatzschalter) weisen Schaltverzögerungen auf und leicht unterschiedliche Zustandsübergänge. Mit geeignet gewählten Schaltabständen können Kurzschlüsse vermieden werden. Es gibt dadurch eine bestimmte Zeit, in der Schalter geöffnet sind und einer der beiden parallelen Strompfade einer Batterieeinrichtung Strom führen kann. Dadurch kann auch kein Laststrom mehr fließen. Bei Umschaltvorgängen mit dem gleichen Niveau der Ausgangsspannung kann die Reihenfolge der Umschaltungen so gewählt werden, dass keine Unterbrechung des Laststroms auftritt.
Da Dioden spannungsgesteuert arbeiten, weisen diese keine Verzögerung zu den Schaltern auf. Wenn Dioden und Schalter parallel betrieben werden, dann kann die Änderung eines Schaltungszustands auch dazu verwenden werden, die Verluste für Spannungsabfall über Dioden im Entladefall zu minimieren.
Zur Steuerung bzw. Regelung des Batteriesystems 10 bzw. 36 ist eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 38 vorgesehen (10). Diese umfasst eine Laststrommesseinrichtung 40, oder dieser ist eine Laststrommesseinrichtung 40 zugeordnet, welche an Batterieeinrichtungen Bn Batterieströme misst.
Es ist eine Berechnungseinheit 42 vorgesehen. Die Berechnungseinheit 42 ist signalwirksam mit der Laststrommesseinrichtung 40 verbunden. Die Berechnungseinheit 42 berechnet einen Sollwert Qb für die entnommene Ladungsmenge anhand des gemessenen Laststroms und einer Periode T. Die Periode T ist dabei eine Schaltfrequenzperiode.
Der ermittelte Wert Qb entspricht einem Sollwert. Dieser Sollwert wird einer Vergleichseinheit 44 übermittelt. Die Vergleichseinheit 44 vergleicht den Sollwert Qb mit einem Istwert. Der Istwert wird dabei durch eine Messeinheit 46 ermittelt, welche die entnommene Energie misst, wobei diese signalwirksam mit der entsprechenden Batterieeinrichtung Bn verbunden ist.
Ein Regler 48 der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 38 ist signalwirksam mit einem Stellglied 50 verbunden. Je nach Differenz zwischen dem Sollwert Qb und dem Istwert Qb wirkt der Regler auf das Stellglied ein, welches entsprechende Steuergrößen an den Batterieeinrichtungen Bn einstellt.
Weiterhin umfasst die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 38 eine Berechnungseinheit 52, welche Ausgleichsstromfaktoren berechnet. Diese werden aus Batterieströmen berechnet. Die Ausgleichsstromfaktoren werden bei der Einstellung der Steuergrößen über das Stellglied 50 berücksichtigt.
Die Ausgleichsfaktoren sind Parameter, welche ein Maß sind für Entladeraten von Batterieeinrichtungen Bn. Unterschiedliche Batterieeinrichtungen Bn können unterschiedliche Entladeraten haben. Dies kann durch die Ausgleichsstromfaktoren berücksichtigt werden.
Es kann auch eine Einrichtung 54 zur Batteriezustandsschätzung vorgesehen sein. Diese schätzt den Zustand einer Batterieeinrichtung Bn aus gemessener Spannung und Temperatur ab. Der abgeschätzte Zustandswert kann dann bei der Ermittlung des Sollwerts für Qb herangezogen werden.
Durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 38 können Batterieeinrichtungen entsprechend ihrer Kapazität entladen werden. Es kann eingestellt werden, dass der prozentuale Ladezustand bei allen Batterieeinrichtungen Bn gleichmäßig sinkt. Dadurch lässt sich ein Balancing zwischen den Batterieeinrichtungen realisieren.
Es ist dadurch beispielsweise auch möglich, Batterieeinrichtungen mit unterschiedlichen Anzahlen von Batteriezellen zu kombinieren.
Es können auch nicht lineare Klemmspannungen der Batterieeinrichtung Bn berücksichtigt werden.
Die Steuergrößen sind dabei im Wesentlichen Schaltzeiten für die Schalter Sn und auch für die Überbrückungsschalter 34 in einem Ladevorgang.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 38 steuert entsprechend auch über die Steuergrößen die Schalter Sn an, die dann auf die Batterieeinrichtungen Bn wirken.
Bezugszeichenliste

10: Batteriesystem
12: Teileinheit
1₂₁, 1₂₂, 1₂₃, 1₂₄: Teileinheit
14: Anodenseite
16: Kathodenseite
18: Reihenschaltung
20: Anodenseite
22: Kathodenseite
24: erster Anschlusspunkt
26: zweiter Anschlusspunkt
28: erste Reihe
30: zweite Reihe
32a: Abgreifpunkt
32b: Abgreifpunkt
34: Überbrückungsschalter
34₁, 34₂, 34₃, 34₄: Überbrückungsschalter
36: Batteriesystem
38: Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
40: Laststrommesseinrichtung
42: Berechnungseinheit
44: Vergleichseinheit
46: Messeinheit
48: Regler
50: Stellglied
52: Berechnungseinheit
54: Einrichtung zur Batteriezustandsschätzung
Bn: Batterieeinrichtung
Sn: erster Schalter
Sn + 1: zweiter Schalter
Dn: Diode
Dn*: Ersatzschalter

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

DE 102007038172 A1 [0003]
US 2010/0266921 A1 [0004]
US 2008/0012531 A1 [0005]
KR 1020050091862 A [0006]
DE 102009034596 A1 [0007]
DE 19935873 A1 [0008]
DE 102013111231 A1 [0009]
US 2009/0039781 A1 [0010]

Claims

Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Batterieeinrichtungen (Bn), umfassend eine Mehrzahl von Teileinheiten (12), wobei jede Teileinheit (12) umfasst: eine Batterieeinrichtung (Bn); mindestens einen seriell zu der Batterieeinrichtung (Bn) angeordneten Schalter (Sn, Sn + 1); und ein Steuerelement (Dn), welches parallel zu der Serienschaltung der Batterieeinrichtung (Bn) und dem mindestens einen Schalter (Sn, Sn + 1) angeordnet ist und welches so ausgebildet ist, dass durch das Steuerelement (Dn) bei entsprechender Ansteuerung ein elektrischer Strom unter Umgehung der Batterieeinrichtung (Bn) durch die Teileinheit (12) leitbar ist und welches eine Kurzschlussverbindung an der Serienschaltung verhindert; wobei beabstandete Teileinheiten (12) miteinander verbunden sind.
Batteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterieeinrichtung (Bn) eine Batteriezelle oder eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst, wobei insbesondere die mindestens eine Batteriezelle wiederaufladbar ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (Dn) so ausgebildet ist, dass ein Stromfluss nur in einer Richtung leitbar ist, wobei insbesondere diese Richtung entgegen einer Stromrichtung eines Entladestroms der Batterieeinrichtung (Bn) ist.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (Dn) ein gesteuerter Schalter ist oder umfasst.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement eine Diode (Dn) ist oder umfasst.
Batteriesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Teileinheit (12) eine Anodenseite (20) der Diode (Dn) an eine Anodenseite (14) der Batterieeinrichtung (Bn) und eine Kathodenseite (22) der Diode (Dn) an eine Kathodenseite (16) der Batterieeinrichtung (Bn) angeschlossen ist, wobei Anodenseite (14) und Kathodenseite (16) der Batterieeinrichtung (Bn) auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung (Bn) bezogen sind.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Teileinheit (12) ein erster Schalter (Sn) zwischen der Batterieeinrichtung (Bn) und dem Steuerelement (Dn) angeordnet ist und insbesondere zwischen einer Anodenseite (14) der Batterieeinrichtung (Bn) und einer Anodenseite (20) einer Diode (Dn) angeordnet ist, wobei die Anodenseite (14) der Batterieeinrichtung (Bn) auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung (Bn) bezogen ist.
Batteriesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Teileinheit (12) ein zweiter Schalter (Sn + 1) zwischen der Batterieeinrichtung (Bn) und dem Steuerelement (Dn) angeordnet ist, wobei die Batterieeinrichtung (Bn) zwischen dem ersten Schalter (Sn) und dem zweiten Schalter (Sn + 1) positioniert ist und insbesondere zwischen der Kathodenseite (16) der Batterieeinrichtung (Bn) und der Kathodenseite (22) einer Diode (Dn) angeordnet ist, wobei die Kathodenseite (16) der Batterieeinrichtung (Bn) auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung (Bn) bezogen ist.
Batteriesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schalter (Sn + 1) einer Teileinheit (12) durch den ersten Schalter einer benachbarten Teileinheit gebildet ist, oder dass der erste Schalter (Sn) einer Teileinheit (12) durch den zweiten Schalter einer benachbarten Teileinheit gebildet ist.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teileinheit (12) einen ersten Anschlusspunkt (24) aufweist, welcher zwischen einem ersten Schalter (Sn), der mit der Anodenseite (14) der Batterieeinrichtung (Bn) und dem Steuerelement (12) und insbesondere einer Anodenseite (20) einer Diode (Dn) verbunden ist, und der Batterieeinrichtung (Bn) liegt, wobei die Anodenseite (14) der Batterieeinrichtung (Bn) auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung (Bn) bezogen ist.
Batteriesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teileinheit (12) einen zweiten Anschlusspunkt (26) aufweist, welcher zwischen einem zweiten Schalter (Sn + 1), der mit dem Steuerelement (Dn) und insbesondere mit einer Kathodenseite (22) einer Diode (Dn) und einer Kathodenseite (16) der Batterieeinrichtung (Bn) verbunden ist, und einer Kathodenseite (16) der Batterieeinrichtung (Bn) liegt, wobei die Kathodenseite (16) der Batterieeinrichtung (Bn) auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung (Bn) bezogen ist.
Batteriesystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teileinheit (12) mit der Nummer n + 1, wobei n eine natürliche Zahl ist, an eine benachbarte Teileinheit (12) mit der Nummer n an dem zweiten Anschlusspunkt (26) der Teileinheit (12) mit der Nummer n angeschlossen ist.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teileinheit (12) mit der Nummer n – 1 an eine Teileinheit (12) mit der Nummer n über den ersten Anschlusspunkt (24) der Teileinheit (12) mit der Nummer n angeschlossen ist.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Reihe (28), in welcher Steuerelemente (Dn) und Batterieeinrichtungen (Bn) alternierend seriell angeordnet sind, wobei jeweils eine Kathodenseite (16) einer entsprechenden Batterieeinrichtung (Bn) mit einem Steuerelement (Dn) und insbesondere mit einer Anodenseite (20) einer benachbarten Diode (Dn) verbunden ist, und eine zweite Reihe (30) von Steuerelementen (Dn) und Batterieeinrichtungen (Bn), in welcher Steuerelemente (Dn) und Batterieeinrichtungen (Bn) alternierend seriell angeordnet sind, wobei jeweils eine Kathodenseite (16) einer entsprechenden Batterieeinrichtung (Bn) mit einem Steuerelement (Dn) und insbesondere mit einer Anodenseite (20) einer benachbarten Diode (Dn) verbunden ist, und wobei zwischen der ersten Reihe (28) und der zweiten Reihe (30) Schalter (Sn) angeordnet sind, wobei jeweils ein Schalter (Sn) zwischen Steuerelementen (Dn) und insbesondere Kathodenseiten (22) von Dioden (Dn) der ersten Reihe (28) und Steuerelementen (Dn) und insbesondere Anodenseiten (20) von Dioden (Dn) der zweiten Reihe (30) und Steuerelementen (Dn) und insbesondere zwischen Anodenseiten (20) von Dioden (Dn) der ersten Reihe (28) und Steuerelementen (Dn) und insbesondere Kathodenseiten (22) von Dioden (Dn) der zweiten Reihe (30) angeordnet sind, wobei die Kathodenseite (16) einer Batterieeinrichtung (Bn) auf einen Entladestrom der Batterieeinrichtung (Bn) bezogen ist.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Schaltzustand, in welchem alle Schalter (Sn, Sn + 1) geschlossen sind.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten Schaltzustand, in welchem Batterieeinrichtungen (Bn) benachbarter Teileinheiten (12) parallelgeschaltet sind, wobei insbesondere ein Schalter (Sn + 1), welcher ein Steuerelement (Dn) und beispielsweise eine Kathodenseite (22) einer Diode (Dn) einer Teileinheit (12) mit der Nummer n mit einem Steuerelement (Dn + 1) und beispielsweise einer Anodenseite (20) einer Diode (Dn + 1) einer Teileinheit (12) mit der Nummer n + 1 verbindet, geöffnet ist und die Batterieeinrichtung (Bn) der Teileinheit (12) mit der Nummer n und die Batterieeinrichtung (Bn + 1) der Teileinheit mit der Nummer n + 1 parallel zueinander geschaltet sind.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dritten Schaltzustand, bei welchem eine Batterieeinrichtung (Bn) abgeschaltet ist, wobei insbesondere eine Batterieeinrichtung (Bn) einer Teileinheit (12) mit der Nummer n abgeschaltet ist und ein Schalter (Sn) zwischen einem Steuerelement (Dn) und beispielsweise zwischen einer Anodenseite (20) einer Diode (Dn) der Teileinheit (12) mit der Nummer n und einem Steuerelement (Dn – 1) und beispielsweise einer Kathodenseite (22) einer Diode (Dn – 1) einer Teileinheit (12) mit der Nummer n – 1 offen ist und ein Schalter (Sn + 1) zwischen einem Steuerelement (Dn) und beispielsweise zwischen einer Kathodenseite (22) der Diode (Dn) der Teileinheit mit der Nummer n und einem Steuerelement (Dn + 1) und beispielsweise einer Anodenseite (20) einer Diode (Dn + 1) der Teileinheit (12) mit der Nummer n + 1 offen ist.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerelement (Dn) einen parallelgeschalteter Überbrückungsschalter (34) aufweist, wobei insbesondere der Überbrückungsschalter (34) mit einer Kathodenseite (22) und einer Anodenseite (20) einer Diode (Dn) verbunden ist, und dass an den Überbrückungsschalter (34) eine Wiederaufladeeinrichtung für die Batterieeinrichtung angeschlossen ist.
Batteriesystem nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (38), welche die Überbrückungsschalter (34) der Teileinheiten (12) ansteuert, und dabei derart ansteuert, dass kein Kurzschluss an Batterieeinrichtungen (Bn) auftritt.
Verfahren zum Betreiben des Batteriesystems gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Übergang von einem ersten Zustand des Batteriesystems zu einem zweiten Zustand die Stellung eines einzigen Schalters (Sn) und/oder eines einzigen Überbrückungsschalters (34) geändert wird.
Verfahren zum Betreiben des Batteriesystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 oder nach Anspruch 20, bei dem Schaltzustände von Schaltern (Sn) und/oder Überbrückungsschaltern (34) zyklisch geändert werden.