DE102017211027A1 - Battery system and motor vehicle - Google Patents

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DE102017211027A1
DE102017211027A1 DE102017211027.9A DE102017211027A DE102017211027A1 DE 102017211027 A1 DE102017211027 A1 DE 102017211027A1 DE 102017211027 A DE102017211027 A DE 102017211027A DE 102017211027 A1 DE102017211027 A1 DE 102017211027A1
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Peter Feuerstack
Michael Steil
Federico Brivio
Marius Cichon
Lars Bommer
Alexander Lautenschlaeger
Michael Donotek
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (10) für ein Fahrzeug, umfassend einen Batteriestrang (40) mit einer Vielzahl von seriell verschalteten Einzelzellen (20) zur Erzeugung einer ersten Ausgangsspannung (UA1) zwischen einer positiven ersten Ausgangsklemme (42) und einer negativen ersten Ausgangsklemme (41), sowie eine mit dem Batteriestrang (40) elektrisch verbundene Schaltvorrichtung (50) zur Erzeugung einer zweiten Ausgangsspannung (UA2) zwischen einer positiven zweiten Ausgangsklemme (52) und einer negativen zweiten Ausgangsklemme (51), wobei die Schaltvorrichtung (50) eine Vielzahl von ansteuerbaren Schaltern aufweist. Die Einzelzellen (20) sind dabei als hybride Superkondensatoren ausgeführt, welche jeweils eine Einzelspannung (UE) liefern. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, welches mindestens ein erfindungsgemäßes Batteriesystem (10) umfasst.The invention relates to a battery system (10) for a vehicle, comprising a battery string (40) having a multiplicity of series-connected individual cells (20) for generating a first output voltage (UA1) between a positive first output terminal (42) and a negative first output terminal ( 41), and a switching device (50) electrically connected to the battery string (40) for generating a second output voltage (UA2) between a positive second output terminal (52) and a negative second output terminal (51), the switching device (50) having a plurality having controllable switches. The individual cells (20) are designed as hybrid supercapacitors, which each deliver a single voltage (UE). The invention further relates to a motor vehicle which comprises at least one battery system (10) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Fahrzeug, welches einen Batteriestrang mit einer Vielzahl von seriell verschalteten Einzelzellen zur Erzeugung einer ersten Ausgangsspannung zwischen einer positiven ersten Ausgangsklemme und einer negativen ersten Ausgangsklemme, sowie eine mit dem Batteriestrang elektrisch verbundene Schaltvorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Ausgangsspannung zwischen einer positiven zweiten Ausgangsklemme und einer negativen zweiten Ausgangsklemme umfasst, wobei die Schaltvorrichtung eine Vielzahl von ansteuerbaren Schaltern aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst.The invention relates to a battery system for a vehicle, which has a battery string with a plurality of series-connected single cells for generating a first output voltage between a positive first output terminal and a negative first output terminal, and a battery connected to the battery string switching device for generating a second output voltage between a positive second output terminal and a negative second output terminal, wherein the switching device has a plurality of controllable switches. The invention also relates to a motor vehicle comprising a battery system according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Ein Kraftfahrzeug weist ein elektrisches Bordnetz auf, das von einem Batteriesystem gespeist wird. Bei einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor dient das Batteriesystem unter anderem als Starterbatterie. Konventionelle Bordnetze weisen in der Regel eine Nennspannung von 12 V auf. Für zukünftige höhere Energieanforderungen und höhere Leistungsanforderungen aufgrund der zunehmenden Anzahl von größeren elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugen muss die Nennspannung der Bordnetze erhöht werden, um zu hohe Leitungsverluste zu verhindern und um die Effizienz zu steigern. Beispielsweise ist eine Anpassung der Nennspannung der Bordnetze auf 48 V denkbar.A motor vehicle has an electrical system, which is powered by a battery system. In a motor vehicle with an internal combustion engine, the battery system serves, inter alia, as a starter battery. Conventional vehicle electrical systems generally have a rated voltage of 12 V. For future higher power requirements and higher power requirements due to the increasing number of larger electrical loads in automobiles, the rated voltage of the on-board electrical system must be increased to prevent excessive line losses and to increase efficiency. For example, an adaptation of the rated voltage of the vehicle electrical system to 48 V is conceivable.

Dabei werden viele konventionelle Verbraucher in Kraftfahrzeugen immer noch auf eine Spannung von 12 V ausgelegt sein, da ein Hochziehen auf die höhere Spannungslage nicht kosteneffizient realisiert werden kann. Insbesondere wird weiterhin eine Starterbatterie mit 12 V benötigt werden, da es nicht effizient ist, einen Startvorgang des Kraftfahrzeugs mit einer Standard 48 V Lithium Ionen Batterie durchzuführen.Many conventional consumers in motor vehicles will still be designed for a voltage of 12 V, because pulling up to the higher voltage level can not be realized cost-effectively. In particular, a 12V starter battery will still be needed because it is not efficient to start the vehicle with a standard 48V lithium ion battery.

Neben den allgemein bekannten Lithium-Ionen-Batterien (LIB) spielen elektrochemische Kondensatoren, auch Superkondensatoren (SC) genannt, eine immer größer werdende Rolle. Bereits auf dem Markt erhältliche Superkondensatoren werden sowohl für automobile Anwendungen als auch für stationäre Systemen verwendet. Elektrochemische Energiespeicher lassen sich anhand ihrer Energie- und Leistungsdichte charakterisieren. Generell weisen Superkondensatoren eine höhere Leistungsdichte und eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien auf. Somit werden Lithium-Ionen-Batterien für energieintensive Anwendungen und Superkondensatoren für leistungsintensive Anwendungen bevorzugt.In addition to the well-known lithium-ion batteries (LIB) play electrochemical capacitors, also called supercapacitors (SC), an increasingly important role. Supercapacitors already available on the market are used both for automotive applications and for stationary systems. Electrochemical energy stores can be characterized by their energy and power density. In general, supercapacitors have a higher power density and a lower energy density than lithium-ion batteries. Thus, lithium ion batteries are preferred for energy intensive applications and supercapacitors for high power applications.

Generell unterteilen sich Superkondensatoren in „Electric Double Layer Capacitors“ (EDLC), „Pseudocapacitors“ und hybride Superkondensatoren (HSC). „Electric Double Layer Capacitors“ sowie „Pseudocapacitors“ weisen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte, aber eine verhältnismäßig geringe Energiedichte auf. Hybride Superkondensatoren hingegen besitzen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte und eine verhältnismäßig hohe Energiedichtedichte. Hybride Superkondensatoren weisen somit Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien und von Superkondensatoren auf.In general, supercapacitors are divided into "Electric Double Layer Capacitors" (EDLC), "Pseudocapacitors" and hybrid supercapacitors (HSC). "Electric Double Layer Capacitors" and "Pseudocapacitors" have a relatively high power density, but a relatively low energy density. By contrast, hybrid supercapacitors have a relatively high power density and a relatively high energy density. Hybrid supercapacitors thus have properties of lithium-ion batteries and supercapacitors.

Aus der US 5,793,603 A ist ein Superkondensator bekannt, welcher unter anderem als elektrischer Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug dient. Der Superkondensator ist dabei in Form einer Platte ausgestaltet, welche mehrere Zellen aufweist. Mehrere solcher Platten sind beispielsweise an Strukturteilen eines Kraftfahrzeugs angebracht.From the US 5,793,603 A is a supercapacitor known, which serves as an electrical energy storage in a motor vehicle, among other things. The supercapacitor is designed in the form of a plate which has a plurality of cells. Several such plates are for example attached to structural parts of a motor vehicle.

Die DE 10 2014 007 385 A1 offenbart eine Hybridkondensatorbatterie, welche zwei galvanische Zellen und einen asymmetrischen Doppelschichtkondensator umfasst.The DE 10 2014 007 385 A1 discloses a hybrid capacitor battery comprising two galvanic cells and an asymmetric double-layer capacitor.

Aus der DE 10 2014 006 772 A1 geht ein Batteriesystem für ein Fahrzeug hervor, das einen Batteriestrang mit einer Serienschaltung von Batteriezellen zwischen einem Gesamtspannungsabgriff umfasst. Der Batteriestrang ist mit einer Koppelvorrichtung verbunden, mittels welcher ein Teil der Batteriezellen mit einem Teilspannungsabgriff verbindbar sind.From the DE 10 2014 006 772 A1 discloses a battery system for a vehicle comprising a battery string with a series connection of battery cells between a total voltage tap. The battery string is connected to a coupling device, by means of which a part of the battery cells can be connected to a partial voltage tap.

Aus der DE 10 2014 006 746 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, das eine Batterie mit einer Serienschaltung von Batteriezellen zur Versorgung eines Verbrauchers mit einer Hauptspannung umfasst. Die Batterie ist mit einer Schaltvorrichtung zur Erzeugung einer Nebenspannung zur Versorgung eines weiteren Verbrauchers verbunden.From the DE 10 2014 006 746 A1 For example, a battery system is known that includes a battery having a series connection of battery cells for supplying a load with a main voltage. The battery is connected to a switching device for generating a secondary voltage to supply another consumer.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Batteriesystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst einen Batteriestrang mit einer Vielzahl von seriell verschalteten Einzelzellen zur Erzeugung einer ersten Ausgangsspannung zwischen einer positiven ersten Ausgangsklemme und einer negativen ersten Ausgangsklemme, sowie eine mit dem Batteriestrang elektrisch verbundene Schaltvorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Ausgangsspannung zwischen einer positiven zweiten Ausgangsklemme und einer negativen zweiten Ausgangsklemme. Die Schaltvorrichtung weist dabei eine Vielzahl von ansteuerbaren Schaltern auf.A battery system for a vehicle, in particular for a motor vehicle, is proposed. The battery system includes a battery string having a plurality of serially connected single cells for generating a first output voltage between a positive first output terminal and a negative first output terminal, and a switching device electrically connected to the battery string for generating a second output voltage between a positive second output terminal and a negative second output terminal. The switching device has a plurality of controllable switches.

Erfindungsgemäß sind die Einzelzellen des Batteriestrangs dabei als hybride Superkondensatoren ausgeführt, welche jeweils eine Einzelspannung liefern. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, sind die als hybride Superkondensatoren ausgeführten Einzelzellen gleichartig, beziehungsweise baugleich, ausgeführt. According to the invention, the individual cells of the battery string are designed as hybrid supercapacitors, which each supply a single voltage. Preferably, but not necessarily, the single cells designed as hybrid supercapacitors are identical or identical in construction.

Hybride Superkondensatoren weisen in der Regel zwei Elektroden auf, die jeweils einen Stromableiter umfassen und durch einen Separator voneinander getrennt sind. Der Transport der elektrischen Ladungen zwischen den Elektroden wird durch Elektrolyte oder Elektrolytzusammensetzungen gewährleistet. Die Elektroden umfassen als Aktivmaterial in der Regel ein herkömmliches Superkondensationsmaterial, das auch als statisch kapazitives Aktivmaterial bezeichnet wird, sowie ein Material, welches in der Lage ist eine Redox-Reaktion mit den Ladungsträgern des Elektrolyten einzugehen und eine Interkalationsverbindung davon zu bilden. Ein solches Material wird auch elektrochemisches Redoxaktivmaterial genannt. Das Energiespeicherprinzip der hybriden Superkondensatoren beruht somit auf der Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht in Kombination mit der Bildung einer faradischen Lithium-Interkallationsverbindung.Hybrid supercapacitors usually have two electrodes, each comprising a current collector and separated by a separator. The transport of the electrical charges between the electrodes is ensured by electrolytes or electrolyte compositions. The electrodes typically comprise as active material a conventional supercapacitor material, also referred to as static capacitive active material, as well as a material which is capable of undergoing a redox reaction with the charge carriers of the electrolyte and forming an intercalation compound thereof. Such a material is also called electrochemical redox active material. The energy storage principle of the hybrid supercapacitors is thus based on the formation of an electrochemical double layer in combination with the formation of a faradischen lithium-Interkallationsverbindung.

Ein hybrider Superkondensator umfasst beispielsweise einen viskosen Elektrolyt. Bei dem viskosen Elektrolyt handelt es sich beispielsweise um ein Carbonat, eine ionische Flüssigkeit oder einen Gel-Elektrolyt. Ein hybrider Superkondensator kann auch einen festen Elektrolyt umfassen. Bei dem festen Elektrolyt handelt es sich beispielsweise um einen Polymer-Elektrolyt.For example, a hybrid supercapacitor includes a viscous electrolyte. The viscous electrolyte is, for example, a carbonate, an ionic liquid or a gel electrolyte. A hybrid supercapacitor may also comprise a solid electrolyte. The solid electrolyte is, for example, a polymer electrolyte.

Ein hybrider Superkondensator umfasst mindestens eine positive Elektrode und mindestens eine negative Elektrode. Die Elektroden umfassen jeweils einen elektrisch leitenden Stromableiter, auch Kollektor genannt, sowie ein darauf aufgebrachtes Aktivmaterial. Der Stromableiter umfasst beispielswiese Kupfer oder Aluminium als elektrisch leitendes Material.A hybrid supercapacitor comprises at least one positive electrode and at least one negative electrode. The electrodes each comprise an electrically conductive current collector, also called a collector, and an active material applied thereto. The current collector includes, for example, copper or aluminum as an electrically conductive material.

Auf die negative Elektrode des hybriden Superkondensators ist ein negatives Aktivmaterial aufgebracht. Das negative Aktivmaterial umfasst ein statisch kapazitives Aktivmaterial, ein elektrochemisches Redoxaktivmaterial oder ein Gemisch davon. Auf die positive Elektrode des hybriden Superkondensators ist ein positives Aktivmaterial aufgebracht. Das positive Aktivmaterial umfasst ein statisch kapazitives Aktivmaterial, ein elektrochemisches Redoxaktivmaterial oder ein Gemisch davon.On the negative electrode of the hybrid supercapacitor, a negative active material is applied. The negative active material includes a static capacitive active material, an electrochemical redox active material, or a mixture thereof. A positive active material is applied to the positive electrode of the hybrid supercapacitor. The positive active material includes a static capacitive active material, an electrochemical redox active material, or a mixture thereof.

Ein hybrider Superkondensator umfasst einen Separator, welcher die Aufgabe hat, die Elektroden von einem direkten Kontakt miteinander zu schützen und so einen Kurzschluss zu unterbinden. Gleichzeitig muss der Separator den Transfer der Ionen von einer Elektrode zu der anderen Elektrode gewährleisten. Geeignete Materialien für den Separator sind aus einem isolierenden Material mit einer porösen Struktur gebildet. Geeignete Materialien sind insbesondere Polymere, wie Cellulose, Polyolefine, Polyester und fluorierte Polymere. Besonders bevorzugte Polymere sind Cellulose, Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polytetrafluorethen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVdF). Ferner kann der Separator keramische Materialen umfassen oder aus diesen bestehen, sofern ein weitgehender Ionen-Transfer gewährleistet ist. Als Materialien sind insbesondere Keramiken, welche MgO oder Al2O3 umfassen, zu nennen. Der Separator kann aus einer Schicht aus einem oder mehreren der zuvor genannten Materialien bestehen oder auch aus mehreren Schichten, in denen jeweils eines oder mehrere der genannten Materialein miteinander kombiniert sind.A hybrid supercapacitor comprises a separator which has the task of protecting the electrodes from direct contact with each other and thus preventing a short circuit. At the same time, the separator must ensure the transfer of the ions from one electrode to the other electrode. Suitable materials for the separator are formed of an insulating material having a porous structure. Suitable materials are in particular polymers, such as cellulose, polyolefins, polyesters and fluorinated polymers. Particularly preferred polymers are cellulose, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVdF). Further, the separator may comprise or consist of ceramic materials, as far as a substantial ion transfer is ensured. In particular, ceramics comprising MgO or Al 2 O 3 may be mentioned as materials. The separator may consist of a layer of one or more of the aforementioned materials or else of several layers, in which in each case one or more of said materials are combined with one another.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Schalter der Schaltvorrichtung unabhängig voneinander ansteuerbar. Zur Ansteuerung der einzelnen Schalter der Schaltvorrichtung dient beispielsweise ein Batteriemanagementsystem. Durch geeignete Anordnung und Ansteuerung der Schalter der Schaltvorrichtung kann eine variable zweite Ausgangsspannung zwischen der positiven zweiten Ausgangsklemme und der negativen zweiten Ausgangsklemme erzeugt werden.According to an advantageous embodiment of the invention, the switches of the switching device are independently controllable. To control the individual switches of the switching device is for example a battery management system. By suitable arrangement and control of the switch of the switching device, a variable second output voltage between the positive second output terminal and the negative second output terminal can be generated.

Die Schalter der Schaltvorrichtung dabei bevorzugt derart angeordnet und ansteuerbar, dass die zweite Ausgangsspannung zwischen der positiven zweiten Ausgangsklemme und der negativen zweiten Ausgangsklemme gleich 0 V ist. Insbesondere kann die Schaltvorrichtung zwischen der positiven zweiten Ausgangsklemme und der negativen zweiten Ausgangsklemme einen Leerlauf sowie einen Kurzschluss bilden.The switch of the switching device preferably arranged and controllable such that the second output voltage between the positive second output terminal and the negative second output terminal is equal to 0 V. In particular, the switching device between the positive second output terminal and the negative second output terminal can form an open circuit as well as a short circuit.

Ebenso sind die Schalter der Schaltvorrichtung bevorzugt derart angeordnet und ansteuerbar, dass die zweite Ausgangsspannung zwischen der positiven zweiten Ausgangsklemme und der negativen zweiten Ausgangsklemme gleich der Einzelspannung genau einer Einzelzelle ist.Likewise, the switches of the switching device are preferably arranged and controllable such that the second output voltage between the positive second output terminal and the negative second output terminal is equal to the individual voltage of a single cell.

Ferner sind die Schalter der Schaltvorrichtung bevorzugt derart angeordnet und ansteuerbar, dass die zweite Ausgangsspannung zwischen der positiven zweiten Ausgangsklemme und der negativen zweiten Ausgangsklemme gleich einer Summe von Einzelspannungen mehrerer Einzelzellen ist.Furthermore, the switches of the switching device are preferably arranged and controllable such that the second output voltage between the positive second output terminal and the negative second output terminal is equal to a sum of individual voltages of a plurality of individual cells.

Auch sind die Schalter der Schaltvorrichtung bevorzugt derart angeordnet und ansteuerbar, dass die zweite Ausgangsspannung zwischen der positiven zweiten Ausgangsklemme und der negativen zweiten Ausgangsklemme gleich der ersten Ausgangsspannung ist.Also, the switches of the switching device are preferably arranged and controllable such that the second output voltage between the positive second output terminal and the negative second output terminal is equal to the first output voltage.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelzellen des Batteriestrangs jeweils ein Zwischenabgriff vorgesehen, wobei jeder der Zwischenabgriffe mit der Schaltvorrichtung verbunden ist.According to a preferred embodiment of the invention, an intermediate tap is provided in each case between two adjacent individual cells of the battery string, wherein each of the intermediate taps is connected to the switching device.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Schalter der Schaltvorrichtung derart angeordnet und ansteuerbar, dass jeder der Zwischenabgriffe des Batteriestrangs mit der positiven zweiten Ausgangsklemme verbindbar ist.According to an advantageous development of the invention, the switches of the switching device are arranged and controllable such that each of the intermediate taps of the battery string can be connected to the positive second output terminal.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Schalter der Schaltvorrichtung auch derart angeordnet und ansteuerbar, dass jeder der Zwischenabgriffe des Batteriestrangs mit der negativen zweiten Ausgangsklemme verbindbar ist.According to an advantageous development of the invention, the switches of the switching device are also arranged and controllable such that each of the intermediate taps of the battery string can be connected to the negative second output terminal.

Vorzugsweise ist auch ein positiver Endabgriff des Batteriestrangs, welcher mit der positiven ersten Ausgangsklemme verbunden ist, mit der Schaltvorrichtung verbunden. Vorteilhaft sind die Schalter der Schaltvorrichtung derart angeordnet und ansteuerbar, dass der positive Endabgriff des Batteriestrangs mit der positiven zweiten Ausgangsklemme verbindbar ist.Preferably, a positive Endabgriff of the battery string, which is connected to the positive first output terminal, connected to the switching device. Advantageously, the switches of the switching device are arranged and controllable such that the positive end of the battery string is connectable to the positive second output terminal.

Vorzugsweise ist auch ein negativer Endabgriff des Batteriestrangs, welcher mit der negativen ersten Ausgangsklemme verbunden ist, mit der Schaltvorrichtung verbunden. Vorteilhaft sind die Schalter der Schaltvorrichtung derart angeordnet und ansteuerbar, dass der negative Endabgriff des Batteriestrangs mit der negativen zweiten Ausgangsklemme verbindbar ist.Preferably, a negative Endabgriff of the battery string, which is connected to the negative first output terminal, connected to the switching device. Advantageously, the switches of the switching device are arranged and controllable such that the negative end of the battery string is connectable to the negative second output terminal.

Es wird auch ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches mindestens ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst.A motor vehicle is also proposed which comprises at least one battery system according to the invention.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Batteriesystem stellt eine erste Ausgangsspannung von beispielsweise nominal 48 V für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bereit. Ferner gestattet das erfindungsgemäße Batteriesystem die Bereitstellung einer variablen zweiten Ausgangsspannung, welche in einem Bereich zwischen 0 V und der ersten Ausgangsspannung in diskreten Schritten einstellbar ist. Beispielsweise kann die zweite Ausgangsspannung auf einen Wert von nominal 12 V eingestellt werden. Somit können mit der zweiten Ausgangsspannung konventionelle Verbraucher, insbesondere ein Anlasser zum Starten eines Verbrennungsmotors betrieben werden.The battery system according to the invention provides a first output voltage of, for example, nominally 48 V for an electrical system of a motor vehicle. Furthermore, the battery system according to the invention allows the provision of a variable second output voltage, which is adjustable in a range between 0 V and the first output voltage in discrete steps. For example, the second output voltage can be set to a value of nominal 12V. Thus, with the second output voltage conventional consumers, in particular a starter for starting an internal combustion engine can be operated.

Die als hybride Superkondensatoren ausgeführten Einzelzellen weisen eine ausreichend hohe Leistungsdichte auf um einen verhältnismäßig großen Strom für den Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs zu liefern. Eine separate Starterbatterie zum Starten des Verbrennungsmotors ist somit nicht erforderlich. Hybride Superkondensatoren können in einem verhältnismäßig großen Temperaturbereich betrieben werden. Im Vergleich zu Lithium Ionen Batterien weisen hybride Superkondensatoren insbesondere eine deutlich verbesserte Kaltstartfähigkeit auf. Hybride Superkondensatoren weisen auch eine verhältnismäßig hohe Temperaturstabilität auf.The single cells designed as hybrid supercapacitors have a sufficiently high power density to provide a relatively large current for the starter to start the internal combustion engine of the motor vehicle. A separate starter battery for starting the engine is thus not required. Hybrid supercapacitors can be operated in a relatively wide temperature range. Compared to lithium ion batteries, hybrid supercapacitors in particular have a significantly improved cold-start capability. Hybrid supercapacitors also have a relatively high temperature stability.

Mittels eines intelligenten Batteriemanagementsystems kann weiterhin jederzeit die Performance der Einzelzellen überprüft werden. Dies erlaubt, durch gezieltes aktives Balancing die Lebensdauer, beziehungsweise die Zyklenanzahl des Batteriestrangs zu erhöhen. Insbesondere sind durch ein intelligentes Batteriemanagementsystem ein verstärkter Einsatz von wenig gealterten Einzelzellen sowie ein Energieausgleich zwischen verschiedenen Einzelzellen möglich durch die intelligente Schaltung der entsprechenden Einzelzellen. Weiterhin kann zur Kostenreduktion passives Balancing mittels Zener-Dioden sowie Heizwiderständen eingesetzt werden.By means of an intelligent battery management system, the performance of the individual cells can be checked at any time. This allows to increase the lifetime, or the number of cycles of the battery string by targeted active balancing. In particular, by means of an intelligent battery management system, an increased use of less-aged single cells and an energy balance between different individual cells are possible by the intelligent switching of the corresponding individual cells. Furthermore, passive balancing by Zener diodes and heating resistors can be used to reduce costs.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung,
  • 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen Spannung und Ladung eines EDLC,
  • 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen Spannung und Ladung einer LIB und
  • 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen Spannung und Ladung eines HSC.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a battery system,
  • 2 a schematic representation of a switching device,
  • 3 a diagram to illustrate the relationship between voltage and charge of an EDLC,
  • 4 a diagram illustrating the relationship between voltage and charge of a LIB and
  • 5 a diagram illustrating the relationship between voltage and charge of an HSC.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The Figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 10. Das Batteriesystem 10 umfasst einen Batteriestrang 40 mit einer Vielzahl von seriell verschalteten Einzelzellen 20, welche hier nicht alle gestellt sind. Die Einzelzellen 20 des Batteriestrangs 40 sind dabei als hybride Superkondensatoren ausgeführt, welche jeweils eine Einzelspannung UE von vorliegend 2,8 V liefern. Die als hybride Superkondensatoren ausgeführten Einzelzellen 20 sind vorliegend gleichartig, beziehungsweise baugleich, ausgeführt und weisen jeweils einen negativen Pol und einen positiven Pol auf. 1 shows a schematic representation of a battery system 10 , The battery system 10 includes a battery string 40 with a large number of series-connected single cells 20 , which are not all set here. The single cells 20 of the battery string 40 are designed as hybrid supercapacitors, which each deliver a single voltage UE of 2.8 V present. The single cells designed as hybrid supercapacitors 20 In this case, they are identical, or identical in construction, and each have a negative pole and a positive pole.

Der negative Pol von einer der Einzelzellen 20 ist mit einem negativen Endabgriff 45 verbunden. Die negativen Pole der anderen Einzelzellen 20 sind jeweils mit dem positiven Pol einer benachbarten Einzelzelle 20 verbunden. Der positive Pol von einer der Einzelzellen 20 ist mit einem positiven Endabgriff 46 verbunden. Die positiven Pole der anderen Einzelzellen 20 sind jeweils mit dem negativen Pol einer benachbarten Einzelzelle 20 verbunden. Die Einzelzellen 20 sind somit zwischen den Endabgriffen 45, 46 des Batteriestrangs 40 seriell verschaltet. Der Batteriestrang 40 weist vorliegend achtzehn Einzelzellen 20 auf und liefert somit zwischen den Endabgriffen 45, 46 eine Nennspannung von 50,4 V, also näherungsweise 48 V.The negative pole of one of the single cells 20 is with a negative end tap 45 connected. The negative poles of the other single cells 20 are each with the positive pole of an adjacent single cell 20 connected. The positive pole of one of the single cells 20 is with a positive end tap 46 connected. The positive poles of the other single cells 20 are each with the negative pole of an adjacent single cell 20 connected. The single cells 20 are thus between the end taps 45 . 46 of the battery string 40 connected in series. The battery string 40 here has eighteen individual cells 20 on and thus delivers between the end taps 45 . 46 a rated voltage of 50.4 V, ie approximately 48 V.

Der negative Endabgriff 45 des Batteriestrangs 40 ist mit einer negativen ersten Ausgangsklemme 41 verbunden. Der positive Endabgriff 46 des Batteriestrangs 40 ist über einen Hauptschalter 72 mit einer positiven ersten Ausgangsklemme 42 verbunden. Der Hauptschalter 72 ist von einem Batteriemanagementsystem 70 ansteuerbar. Wenn der Hauptschalter 72 geschlossen ist liegt zwischen der positiven ersten Ausgangsklemme 42 und der negativen ersten Ausgangsklemme 41 eine erste Ausgangsspannung UA1 an, die der Nennspannung des Batteriestrangs 40 entspricht.The negative end tap 45 of the battery string 40 is with a negative first output terminal 41 connected. The positive end tap 46 of the battery string 40 is via a main switch 72 with a positive first output terminal 42 connected. The main switch 72 is from a battery management system 70 controllable. When the main switch 72 is closed lies between the positive first output terminal 42 and the negative first output terminal 41 a first output voltage UA1 at the rated voltage of the battery string 40 equivalent.

Das Batteriesystem 10 umfasst eine Schaltvorrichtung 50, die mit dem Batteriestrang 40 elektrisch verbunden ist. Dabei ist zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelzellen 20 des Batteriestrangs 40 jeweils ein Zwischenabgriff 44 vorgesehen, wobei jeder der Zwischenabgriffe 44 separat mit der Schaltvorrichtung 50 elektrisch verbunden ist. Ferner sind der positive Endabgriff 46 und der negative Endabgriff 45 des Batteriestrangs 40 mit der Schaltvorrichtung 50 elektrisch verbunden.The battery system 10 includes a switching device 50 that with the battery string 40 electrically connected. It is between each two adjacent single cells 20 of the battery string 40 one intermediate tap each 44 provided, each of the intermediate taps 44 separately with the switching device 50 electrically connected. Further, the positive end tap 46 and the negative end tap 45 of the battery string 40 with the switching device 50 electrically connected.

Die Schaltvorrichtung 50 ist ferner mit einer positiven zweiten Ausgangsklemme 52 und einer negativen zweiten Ausgangsklemme 51 elektrisch verbunden. Zwischen der positiven zweiten Ausgangsklemme 52 und der negativen zweiten Ausgangsklemme 51 liegt eine zweite Ausgangsspannung UA2 an. Je nach Ansteuerung der Schaltvorrichtung 50 nimmt die zweite Ausgangsspannung UA2 einen Wert zwischen 0 V und der ersten Ausgangsspannung UA1 an. Die zweite Ausgangsspannung UA2 kann dabei in Schritten von jeweils der Einzelspannung UE variiert werden.The switching device 50 is also with a positive second output terminal 52 and a negative second output terminal 51 electrically connected. Between the positive second output terminal 52 and the negative second output terminal 51 is a second output voltage UA2 at. Depending on the control of the switching device 50 takes the second output voltage UA2 a value between 0 V and the first output voltage UA1 at. The second output voltage UA2 can be varied in steps of each of the individual voltage UE.

2 zeigt eine schematische Darstellung der Schaltvorrichtung 50. Die Schaltvorrichtung 50 weist eine Vielzahl von ansteuerbaren Verbindungsschaltern Sx und eine Vielzahl von ansteuerbaren Trennschaltern Tx auf. Die Anzahl der Trennschalter Tx entspricht der Anzahl der Einzelzellen 20 des Batteriestrangs 40, vorliegend also achtzehn. Die Anzahl der Verbindungsschalter Sx ist um eins größer als die Anzahl der Einzelzellen 20 des Batteriestrangs 40, vorliegend also neunzehn. Die Verbindungsschaltern Sx und die Trennschalter Tx sind unabhängig voneinander von dem Batteriemanagementsystem 70 ansteuerbar. 2 shows a schematic representation of the switching device 50 , The switching device 50 has a plurality of controllable connection switches Sx and a plurality of controllable disconnectors Tx. The number of disconnectors Tx corresponds to the number of single cells 20 of the battery string 40 , in the present case eighteen. The number of connection switches Sx is one greater than the number of single cells 20 of the battery string 40 , in the present case nineteen. The connection switches Sx and the circuit breakers Tx are independent of each other from the battery management system 70 controllable.

Die Trennschalter Tx bilden eine Serienschaltung zwischen der positiven zweiten Ausgangsklemme 52 und der negativen zweiten Ausgangsklemme 51. Wenn alle Trennschalter Tx geschlossen sind besteht zwischen der positiven zweiten Ausgangsklemme 52 und der negativen zweiten Ausgangsklemme 51ein Kurzschluss und die zweite Ausgangsspannung UA2 beträgt 0 V.The circuit breakers Tx form a series connection between the positive second output terminal 52 and the negative second output terminal 51 , When all circuit breakers Tx are closed there is a positive second output terminal 52 and the negative second output terminal 51, a short circuit and the second output voltage UA2 is 0 V.

Der negative Endabgriff 45 des Batteriestrangs 40 ist an den Verbindungsschalter S0 angeschlossen, welcher auch an die negative zweite Ausgangsklemme 51 angeschlossen ist. Wenn der Verbindungsschalter S0 geschlossen ist, so ist der negative Endabgriff 45 mit der negativen zweiten Ausgangsklemme 51 verbunden. Der positive Endabgriff 46 des Batteriestrangs 40 ist an den Verbindungsschalter Sn angeschlossen, welcher auch an die positive zweite Ausgangsklemme 52 angeschlossen ist. Wenn der Verbindungsschalter Sn geschlossen ist, so ist der positive Endabgriff 46 mit der positiven zweiten Ausgangsklemme 52 verbunden.The negative end tap 45 of the battery string 40 is at the connection switch S0 which is also connected to the negative second output terminal 51 connected. When the connection switch S0 is closed, so is the negative end tap 45 with the negative second output terminal 51 connected. The positive end tap 46 of the battery string 40 is connected to the connection switch Sn, which also connects to the positive second output terminal 52 connected. When the connection switch Sn is closed, the positive end tap is 46 with the positive second output terminal 52 connected.

Die Zwischenabgriffe 44 des Batteriestrangs 40 sind ebenfalls jeweils an einen der Verbindungsschalter Sx angeschlossen. Die Verbindungsschalter Sx sind jeweils auch an zwischen den Trennschaltern Tx vorgesehene Anschlusspunkte angeschlossen. Bei entsprechender Stellung der Trennschalter Tx und der Verbindungsschalter Sx ist jeder der Zwischenabgriffe 44 des Batteriestrangs 40 mit der positiven zweiten Ausgangsklemme 52 verbindbar. Bei entsprechender Stellung der Trennschalter Tx und der Verbindungsschalter Sx ist ferner jeder der Zwischenabgriffe 44 des Batteriestrangs 40 mit der negativen zweiten Ausgangsklemme 51 verbindbar.The intermediate taps 44 of the battery string 40 are also connected to one of the connection switches Sx, respectively. The connection switches Sx are each also connected to connection points provided between the disconnectors Tx. With appropriate position of the circuit breaker Tx and the connection switch Sx each of the intermediate taps 44 of the battery string 40 with the positive second output terminal 52 connectable. In the appropriate position of the circuit breaker Tx and the connection switch Sx is also each of the intermediate taps 44 of the battery string 40 with the negative second output terminal 51 connectable.

3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen einer Spannung U und einer Ladung Q eines Electric Double Layer Capacitors. Der Zusammenhang zwischen der Spannung U und der Ladung Q des Electric Double Layer Capacitors ist annähernd linear. 3 shows a diagram illustrating the relationship between a voltage U and a load Q an Electric Double Layer Capacitor. The connection between the tension U and the cargo Q of the Electric Double Layer Capacitor is almost linear.

4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen einer Spannung U und einer Ladung Q einer Lithium-Ionen-Batterie. In einem mittleren Bereich des gezeigten Diagramms der Lithium-Ionen-Batterie ist die Spannung U dabei annähernd konstant und somit unabhängig von der Ladung Q. 4 shows a diagram illustrating the relationship between a voltage U and a load Q a lithium-ion battery. In a middle portion of the illustrated diagram of the lithium-ion battery is the voltage U while approximately constant and thus independent of the charge Q ,

5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen einer Spannung U und einer Ladung Q eines hybriden Superkondensators. In einem Arbeitsbereich A des hybriden Superkondensators ist die Spannung U dabei annähernd konstant und somit unabhängig von der Ladung Q. 5 shows a diagram illustrating the relationship between a voltage U and a load Q a hybrid supercapacitor. In a working area A of the hybrid supercapacitor is the voltage U while approximately constant and thus independent of the charge Q ,

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Batteriesystem (10) für ein Fahrzeug, umfassend einen Batteriestrang (40) mit einer Vielzahl von seriell verschalteten Einzelzellen (20) zur Erzeugung einer ersten Ausgangsspannung (UA1) zwischen einer positiven ersten Ausgangsklemme (42) und einer negativen ersten Ausgangsklemme (41), sowie eine mit dem Batteriestrang (40) elektrisch verbundene Schaltvorrichtung (50) zur Erzeugung einer zweiten Ausgangsspannung (UA2) zwischen einer positiven zweiten Ausgangsklemme (52) und einer negativen zweiten Ausgangsklemme (51), wobei die Schaltvorrichtung (50) eine Vielzahl von ansteuerbaren Schaltern (Sx, Tx) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (20) als hybride Superkondensatoren ausgeführt sind, welche jeweils eine Einzelspannung (UE) liefern.A battery system (10) for a vehicle, comprising a battery string (40) having a plurality of serially connected single cells (20) for generating a first output voltage (UA1) between a positive first output terminal (42) and a negative first output terminal (41) a switching device (50) electrically connected to the battery string (40) for generating a second output voltage (UA2) between a positive second output terminal (52) and a negative second output terminal (51), wherein the switching device (50) comprises a plurality of controllable switches (50). Sx, Tx), characterized in that the individual cells (20) are designed as hybrid supercapacitors, which each deliver a single voltage (UE). Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Sx, Tx) der Schaltvorrichtung (50) unabhängig voneinander ansteuerbar sind.Battery system (10) after Claim 1 , characterized in that the switches (Sx, Tx) of the switching device (50) are independently controllable. Batteriesystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Sx, Tx) der Schaltvorrichtung (50) derart angeordnet und ansteuerbar sind, dass die zweite Ausgangsspannung (UA2) gleich 0 V ist.Battery system (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the switches (Sx, Tx) of the switching device (50) are arranged and controllable such that the second output voltage (UA2) is equal to 0 V. Batteriesystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Sx, Tx) der Schaltvorrichtung (50) derart angeordnet und ansteuerbar sind, dass die zweite Ausgangsspannung (UA2) gleich der Einzelspannung (UE) genau einer Einzelzelle (20) ist.Battery system (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the switches (Sx, Tx) of the switching device (50) are arranged and controllable such that the second output voltage (UA2) equal to the single voltage (UE) of exactly one single cell (20 ). Batteriesystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Sx, Tx) der Schaltvorrichtung (50) derart angeordnet und ansteuerbar sind, dass die zweite Ausgangsspannung (UA2) gleich einer Summe von Einzelspannungen (UE) mehrerer Einzelzellen (20) ist.Battery system (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the switches (Sx, Tx) of the switching device (50) are arranged and controllable such that the second output voltage (UA2) equal to a sum of individual voltages (UE) of a plurality of single cells ( 20). Batteriesystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Sx, Tx) der Schaltvorrichtung (50) derart angeordnet und ansteuerbar sind, dass die zweite Ausgangsspannung (UA2) gleich der ersten Ausgangsspannung (UA1) ist.Battery system (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the switches (Sx, Tx) of the switching device (50) are arranged and controllable such that the second output voltage (UA2) is equal to the first output voltage (UA1). Batteriesystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelzellen (20) des Batteriestrangs (40) jeweils ein Zwischenabgriff (44) vorgesehen ist, wobei jeder der Zwischenabgriffe (44) mit der Schaltvorrichtung (50) verbunden ist.Battery system (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that between each two adjacent individual cells (20) of the battery string (40) is provided in each case an intermediate tap (44), wherein each of the intermediate taps (44) connected to the switching device (50) is. Batteriesystem (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Sx, Tx) der Schaltvorrichtung (50) derart angeordnet und ansteuerbar sind, dass jeder der Zwischenabgriffe (44) mit der positiven zweiten Ausgangsklemme (52) verbindbar ist.Battery system (10) after Claim 7 , characterized in that the switches (Sx, Tx) of the switching device (50) are arranged and controllable such that each of the intermediate taps (44) with the positive second output terminal (52) is connectable. Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Sx, Tx) der Schaltvorrichtung (50) derart angeordnet und ansteuerbar sind, dass jeder der Zwischenabgriffe (44) mit der negativen zweiten Ausgangsklemme (51) verbindbar ist.Battery system (10) after Claim 1 , characterized in that the switches (Sx, Tx) of the switching device (50) are arranged and controllable such that each of the intermediate taps (44) with the negative second output terminal (51) is connectable. Kraftfahrzeug, umfassend mindestens ein Batteriesystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.Motor vehicle comprising at least one battery system (10) according to one of the preceding claims.
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