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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug, welches eine Mehrzahl von parallel verschaltbaren Batteriesträngen umfasst, wobei jeder Batteriestrang eine Mehrzahl von seriell verschalteten Batteriemodule umfasst, wobei jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle aufweist, und wobei Überwachungseinheiten zur Überwachung der einzelnen Batteriemodule vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Batteriesystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen werden. In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, wie Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, aber auch in stationären Anwendungen werden aufladbare Batteriesysteme eingesetzt, vorwiegend um elektrische Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Batteriezellen. Lithium-Batteriezellen zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Mehrere derartige Lithium-Batteriezellen werden elektrisch seriell als auch parallel miteinander verschaltet und zu Batteriemodulen verbunden. Mehrere solche Batteriemodule werden, insbesondere seriell, zu einem Batteriestrang miteinander verschaltet. Ein Batteriesystem des Elektrofahrzeugs umfasst mehrere derartig ausgebildete und parallel miteinander verschaltete Batteriestränge.
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Zur Überwachung der einzelnen Batteriemodule sind entsprechende Überwachungseinheiten bekannt. Je nach Topologie des Batteriesystems verursacht ein Ausfall eines Batteriemoduls einen Ausfall des kompletten Batteriesystems, wodurch das Elektrofahrzeug nicht mehr fahrbereit ist. Wenn Batteriemodule und/oder Überwachungseinheiten redundant vorgesehen sind erhöhen sich Gewicht, Bauraum und Kosten des Elektrofahrzeugs.
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Aus dem Dokument
DE 10 2014 102 366 A1 ist ein gattungsgemäßes Batteriesystem bekannt. Das Batteriesystem umfasst mehrere parallel verschaltete Batteriestränge. Jeder Batteriestrang umfasst mehrere seriell verschaltete Energiespeicherpakete, welche jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen. Jedem der Energiespeicherpakete ist dabei eine separate Messelektronik zugeordnet.
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Das Dokument
DE 10 2013 217 457 A1 offenbart ein Batteriepack. Das Batteriepack umfasst mehrere zu einem Batteriestrang seriell verschaltete Batteriemodule. Jedes Batteriemodul umfasst mehrere seriell verschaltete Batteriezellen. Die Batteriezellen können auch parallel miteinander verschaltet sein. Jedem Batteriemodul ist ein separates Modulsteuergerät zugewiesen. Das Batteriesystem umfasst ferner ein zentrales Steuergerät, welches mit dem Modulsteuergerät kommuniziert. Das Batteriesystem umfasst ein Unterbrechungselement, welches von dem zentralen Steuergerät ansteuerbar ist, und mit welchem der Batteriestrang des Batteriesystems getrennt werden kann.
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Das Dokument
DE 10 2014 223 278 A1 offenbart ein Batteriesystem mit mehreren Batterieblöcken. Jeder Batterieblock umfasst mehrere seriell verschaltete Ersatzzellen. Jede Ersatzzelle umfasst mehrere Batteriezellen, welche parallel verschaltet sind. Das Batteriesystem umfasst ferner eine Vorrichtung zur Überwachung der Batteriezellen.
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Das Dokument
DE 10 2016 213 844 A1 offenbart ein Batteriesystem mit mehreren parallel geschalteten Batteriesträngen. Jeder Strang umfasst dabei mehrere seriell verschaltete Batteriezellen. Ferner umfasst jeder Strang einen Schalter, mittels welchem der jeweilige Strang getrennt werden kann. Im Fehlerfall, beispielsweise bei einem Kurzschluss, kann somit ein Strang abgeschaltet werden, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Batteriesystems gewährleistet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Batteriesystem, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst dabei eine Mehrzahl von parallel verschaltbaren Batteriesträngen. Jeder der besagten Batteriestränge weist eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf, welche seriell miteinander verschaltetet sind. Dabei weist jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle auf. Wenn das Batteriemodul mehrere Batteriezellen aufweist, so können diese innerhalb des Batteriemoduls sowohl seriell als auch parallel miteinander verschaltetet sein.
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Ferner sind Überwachungseinheiten zur Überwachung der einzelnen Batteriemodule des Batteriesystems vorgesehen. Die Batteriemodule übertragen Daten zu den Überwachungseinheiten. Zu diesen Daten gehören beispielsweise eine Temperatur des Batteriemoduls, eine Ausgangsspannung des Batteriemoduls sowie die Ladezustände der einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls.
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Erfindungsgemäß umfasst jeder Batteriestrang einen separaten Hauptschalter, mittels welchem der Batteriestrang getrennt sowie zugeschaltet werden kann. Durch Schließen der Hauptschalter sind die Batteriestränge ausgangsseitig elektrisch miteinander verbunden. Bei geschlossenen Hauptschaltern sind die Batteriestränge somit elektrisch parallel verschaltet. Dabei sind jeweils mehrere Batteriemodule, welche in verschiedenen Batteriesträngen angeordnet sind, einer gemeinsamen Überwachungseinheit zugeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist jede Überwachungseinheit eine Umschalteinrichtung auf. Mittels der Umschalteinrichtung ist die jeweilige Überwachungseinheit mit den einzelnen zugeordneten Batteriemodulen verbindbar. Die Umschalteinrichtung ist beispielsweise in Form eines Multiplexers ausgeführt und kann die Überwachungseinheit zeitlich nacheinander mit den zugeordneten Batteriemodulen verbinden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner eine zentrale Steuereinheit vorgesehen, welche mit den Überwachungseinheiten des Batteriesystems kommuniziert. Insbesondere übertragen die Überwachungseinheiten die von den Batteriemodulen empfangenen Daten weiter an die zentrale Steuereinheit. Die zentrale Steuereinheit wertet die von den Überwachungseinheiten empfangenen Daten aus.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Hauptschalter der Batteriestränge von der zentralen Steuereinheit ansteuerbar. Insbesondere können die Hauptschalter von der zentralen Steuereinheit geöffnet werden, wenn die zentrale Steuereinheit einen Fehler in einem Batteriemodul des entsprechenden Batteriestrangs erkennt.
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Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Batteriesystems vorgeschlagen. Dabei werden jeweils mehrere Batteriemodule, welche in verschiedenen Batteriesträngen des Batteriesystems angeordnet sind, von einer gemeinsamen Überwachungseinheit überwacht. Dabei werden Daten der Batteriemodule zu der Überwachungseinheit übertragen. Zu den von einem Batteriemodul übertragenen Daten gehören beispielsweise eine Temperatur des Batteriemoduls, eine Ausgangsspannung des Batteriemoduls sowie die Ladezustände der einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Daten der Batteriemodule, welche der Überwachungseinheit zugeordnet sind, zeitlich nacheinander zu der Überwachungseinheit übertragen. Dazu weist jede Überwachungseinheit beispielsweise eine Umschalteinrichtung auf, welche beispielsweise in Form eines Multiplexers ausgeführt ist. Dadurch kann die Überwachungseinheit zeitlich nacheinander mit den zugeordneten Batteriemodulen verbunden werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Daten der Batteriemodule, welche der Überwachungseinheit zugeordnet sind, von der jeweiligen Überwachungseinheit zu einer zentralen Steuereinheit des Batteriesystems übertragen. Dabei werden die von der Überwachungseinheit an die zentrale Steuereinheit übertragenen Daten von der Steuereinheit ausgewertet.
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Beispielsweise werden in einem ersten Schritt von allen Überwachungseinheiten des Batteriesystems die Daten der Batteriemodule aus dem gleichen Batteriestrang abgefragt und empfangen. Die von den Überwachungseinheiten empfangenen Daten werden dann zu der zentralen Steuereinheit des Batteriesystems übertragen.
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Anschließend werden alle Überwachungseinheiten des Batteriesystems, zumindest annähernd gleichzeitig, auf die Batteriemodule eines anderen Batteriestrangs umgeschaltet. In einem folgenden Schritt werden die Daten der Batteriemodule aus dem anderen Batteriestrang abgefragt und empfangen. Auch diese von den Überwachungseinheiten empfangenen Daten werden dann zu der zentralen Steuereinheit des Batteriesystems übertragen.
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Somit können rotierend die Daten der Batteriemodule aus allen Batteriesträngen abgefragt und zu der zentralen Steuereinheit des Batteriesystems übertragen werden. Dabei sind in dem Batteriesystem nur so viele Überwachungseinheiten erforderlich wie Batteriemodule in einem einzelnen Batteriestrang vorhanden sind.
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Die Umschaltung der Überwachungseinheiten des Batteriesystems erfolgt bevorzugt synchronisiert und wird von der zentralen Steuereinheit des Batteriesystems gesteuert. Die zentrale Steuereinheit steuert dazu die Umschalteinrichtungen der Überwachungseinheiten entsprechend, zumindest annähernd, gleichzeitig an.
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Somit werden immer die Daten der Batteriemodule aus dem gleichen Batteriestrang gleichzeitig zu der zentralen Steuereinheit des Batteriesystems übertragen. Die zentrale Steuereinheit kann somit die empfangenen Daten jeweils genau einem Batteriestrang zuordnen.
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Wenn die zentrale Steuereinheit fehlerhafte Daten, oder Daten, die auf einen Fehler hinweisen, von einer Überwachungseinheit erhält, so kann ein Defekt eines Batteriemoduls vorliegen. Es kann aber auch ein Defekt der Überwachungseinheit vorliegen. Aufgrund der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems kann die zentrale Steuereinheit ermitteln, ob ein Batteriemodul oder eine Überwachungseinheit defekt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Fehler in einem Batteriemodul eines Batteriestrangs erkannt, wenn mindestens eine Überwachungseinheit fehlerhafte Daten, oder Daten, die auf einen Fehler hinweisen, von mindestens einem zugeordneten Batteriemodul in mindestens einem Batteriestrang erfasst und an die zentrale Steuereinheit überträgt. Dabei wird der Hauptschalter des mindestens einen Batteriestrangs, in dem das mindestens eine fehlerhafte Batteriemodul erkannt wurde, von der zentralen Steuereinheit zum Öffnen angesteuert.
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Durch Öffnen des Hauptschalters eines Batteriestrangs wird der betreffende Batteriestrang abgeschaltet. Dem Elektrofahrzeug steht somit eine geringere Leistung zur Verfügung als mit einem intakten Batteriesystem. Dem Elektrofahrzeug steht aber immer noch die Leistung aus den anderen Batteriesträngen zur Verfügung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Fehler in einer Überwachungseinheit erkannt, wenn die Überwachungseinheit fehlerhafte Daten von allen zugeordneten Batteriemodulen in allen Batteriesträngen erfasst und an die zentrale Steuereinheit überträgt.
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Dabei unterbleibt eine Ansteuerung zum Öffnen des Hauptschalters eines Batteriestrangs von der zentralen Steuereinheit, wenn ein Fehler in einer Überwachungseinheit des Batteriesystems erkannt wird. Vorzugsweise wird in diesem Fall eine Warnmeldung generiert.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung unterbleibt das Öffnen des zugehörigen Hauptschalters bei erkanntem Fehler in der Überwachungseinheit für eine begrenzte, festzulegende Zeit.
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Vorzugsweise begrenzt die zentrale Steuereinheit den zulässigen Batteriestrom nach erkanntem Fehler in einer Überwachungseinheit und/oder in einem oder mehreren der Batteriemodule eines oder mehrerer Batteriestränge.
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Es wird auch ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen, das ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem gestattet insbesondere einen weiteren Betrieb des Elektrofahrzeugs bei Ausfall einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls. Es kann der Batteriestrang abgeschaltet werden, in welchem der Fehler aufgetreten ist, und die übrigen Batteriestränge können in Betrieb bleiben. Mit einem oder auch mehreren abgeschalteten Batteriesträngen ist immer noch ein Notbetrieb des Elektrofahrzeugs möglich. Dieser Notbetrieb erfolgt zwar mit einer verringerten Leistung und verringerter Geschwindigkeit, jedoch ist noch eine weitere Bewegung des Elektrofahrzeugs, beispielsweise zu einer Werkstatt, möglich. Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems gestattet, mit einem verhältnismäßig geringen Hardwareaufwand ein höheres Sicherheitslevel zu erreichen als bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystem. Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist dabei insbesondere verhältnismäßig kostengünstig herstellbar. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriesystems gestattet vorteilhaft eine eindeutige Fehlerdetektion. Wenn ein Fehler erkannt wird, so kann mit hoher Sicherheit ermittelt werden, ob ein Fehler in einer Batteriezelle, beziehungsweise einem Batteriemodul, oder ob ein Fehler in einer Überwachungseinheit, beziehungsweise in einer Umschalteinrichtung, vorliegt. Ferner ist eine mögliche Signaldrift frühzeitig erkennbar, und eine prädiktive Diagnose ist möglich.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit mehreren Batteriesträngen und
- 2 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 10 für ein Elektrofahrzeug mit vorliegend zwei Batteriesträngen 6. Jeder der Batteriestränge 6 des Batteriesystems 10 umfasst mehrere Batteriemodule 5, die elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Jedes Batteriemodul 5 umfasst mindestens eine Batteriezelle 2, vorzugsweise mehrere Batteriezellen 2. Ein Batteriesystem 10 für ein Elektrofahrzeug kann auch eine größere Anzahl von Batteriesträngen 6 umfassen.
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Die Batteriestränge 6 sind vorliegend elektrisch parallel verschaltbar. Eingangsseitig sind die Batteriestränge 6 elektrisch miteinander verbunden. Jeder der Batteriestränge 6 umfasst einen separaten Hauptschalter 61, welcher elektrisch seriell mit den Batteriemodulen 5 verschaltet ist. Durch Schließen der Hauptschalter 61 sind die Batteriestränge 6 auch ausgangsseitig elektrisch miteinander verbunden. Bei geschlossenen Hauptschaltern 61 sind die Batteriestränge 6 somit elektrisch parallel verschaltet. Die Hauptschalter 61 der Batteriestränge 6 können beispielsweise als Schütz, als elektromechanisches Relais oder auch als Halbleiterschalter ausgebildet sein.
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Das Batteriesystem 10 umfasst ferner mehrere Überwachungseinheiten 20 zur Überwachung der einzelnen Batteriemodule 5 des Batteriesystems 10. Jeder Überwachungseinheit 20 sind dabei jeweils mehrere Batteriemodule 5 zugeordnet, welche in verschiedenen Batteriesträngen 6 angeordnet sind. Vorliegend sind jeder Überwachungseinheit 20 genau zwei Batteriemodule 5 zugeordnet. Die Anzahl der Überwachungseinheiten 20 entspricht vorliegend der Anzahl der Batteriemodule 5 pro Batteriestrang 6.
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Jede der Überwachungseinheiten 20 weist dabei eine Umschalteinrichtung 25 auf. Mittels der Umschalteinrichtung 25 ist die jeweilige Überwachungseinheit 20 mit den einzelnen zugeordneten Batteriemodulen 5 verbindbar. Die Überwachungseinheiten 20 sind mittels Signalleitungen mit den Batteriemodulen 5 verbunden, die der jeweiligen Überwachungseinheit 20 zugeordnet sind. Über die besagten Signalleitungen übertragen die Batteriemodule 5 Daten zu der Umschalteinrichtung 25 der Überwachungseinheit 20.
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Das Batteriesystem 10 umfasst ferner eine zentrale Steuereinheit 30. Die zentrale Steuereinheit 30 kommuniziert über Signalleitungen mit den Überwachungseinheiten 20. Die Überwachungseinheiten 20 übertragen insbesondere die Daten, die von den Batteriemodulen 5 zu der Umschalteinrichtung 25 der Überwachungseinheit 20 übertragen wurden, weiter zu der zentralen Steuereinheit 30. Die zentrale Steuereinheit 30 wertet die von den Überwachungseinheiten 20 übertragenen Daten aus.
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Die zentrale Steuereinheit 30 ist auch mit den Hauptschaltern 61 der Batteriestränge 6 verbunden. Insbesondere kann die zentrale Steuereinheit 30 die Hauptschalter 61 der Batteriestränge 6 zum Öffnen sowie zum Schließen ansteuern. Wenn die zentrale Steuereinheit 30 durch Auswertung der von den Überwachungseinheiten 20 übertragenen Daten einen Fehler in einem Batteriemodul 5 erkennt, so öffnet die zentrale Steuereinheit 30 die Hauptschalter 61 des entsprechenden Batteriestrangs 6.
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Durch Auswertung der übertragenen Daten kann die zentrale Steuereinheit 30 auch ermitteln, ob ein Fehler in einer Überwachungseinheit 20 vorliegt. Wenn die zentrale Steuereinheit 30 durch Auswertung der von den Überwachungseinheiten 20 übertragenen Daten einen Fehler in einer Überwachungseinheit 20 erkennt, so öffnet die zentrale Steuereinheit 30 die Hauptschalter 61 des entsprechenden Batteriestrangs 6 nicht. In diesem Fall wird eine entsprechende Warnmeldung generiert.
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Die zentrale Steuereinheit 30 ist ferner über hier nicht dargestellte Steuerleitungen mit den Umschalteinrichtungen 25 der Überwachungseinheiten 20 verbunden. Über die besagten Steuerleitungen steuert die zentrale Steuereinheit 30 die Umschalteinrichtung 25 an. Dabei steuert die zentrale Steuereinheit 30 insbesondere, welche Daten von welchem der Batteriemodule 5, die der entsprechenden Überwachungseinheit 20 zugeordnet sind, in welchem Zeitraum zu übertragen sind.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 5 des in 1 gezeigten Batteriesystems 10. Das Batteriemodul 5 des Batteriesystems 10 weist mehrere Batteriezellen 2 auf. Die Batteriezellen 2 sind innerhalb des Batteriemoduls 5 vorliegend elektrisch seriell verschaltet. Die Batteriezellen 2 können innerhalb des Batteriemoduls 5 beispielsweise auch parallel verschaltet sein.
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Jede Batteriezelle 2 des Batteriemoduls 5 umfasst eine Elektrodeneinheit, welche jeweils eine Anode und eine Kathode aufweist. Die Anode der Elektrodeneinheit ist mit einem negativen Terminal der Batteriezelle 2 verbunden. Die Kathode der Elektrodeneinheit ist mit einem positiven Terminal der Batteriezelle 2 verbunden. Zur seriellen Verschaltung der Batteriezellen 2 innerhalb des Batteriemoduls 5 ist jeweils das negative Terminal einer Batteriezelle 2 mit dem positiven Terminal der benachbarten Batteriezelle 2 elektrisch verbunden.
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Das Batteriemodul 5 umfasst ferner hier nicht dargestellte Sensoren zur Ermittlung von Daten des Batteriemoduls 5. Beispielsweise umfasst das Batteriemodul 5 einen Temperatursensor zur Messung einer Temperatur des Batteriemoduls 5. Ferner kann das Batteriemodul 5 einen Spannungsmesser zur Messung einer Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5 aufweisen. Auch können Sensoren zur Bestimmung der Ladezustände der Batteriezellen 2 innerhalb des Batteriemoduls 5 vorgesehen sein.
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Das Batteriemodul 5 ist, wie bereits erwähnt, mittels hier nicht dargestellter Signalleitungen mit einer der Umschalteinrichtungen 25 verbunden. Über die besagten Signalleitungen überträgt das Batteriemodul 5 die von den Sensoren ermittelten Daten zu der Umschalteinrichtung 25 und/oder zu der Überwachungseinheit 20.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014102366 A1 [0004]
- DE 102013217457 A1 [0005]
- DE 102014223278 A1 [0006]
- DE 102016213844 A1 [0007]
