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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie einer zumindest teilweise elektrisch betriebenen/angetriebenen Funktionsvorrichtung, wobei die Batterie mehrere elektrisch miteinander verschaltete, schaltbare Batteriezellen umfasst.
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Eine schaltbare Batteriezelle im Sinne der Erfindung ist eine Batteriezelle, die zumindest ein Schaltelement aufweist. Das Schaltelement dient dazu, die schaltbare Batteriezelle elektrisch leitend in einen Stromkreis einer Batterie einzubinden, oder die Batteriezelle aus einem solchen Stromkreis wegzuschalten. Mithilfe des mindestens einen Schaltelements kann die schaltbare Batteriezelle also aktiv und passiv geschaltet werden.
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Zusätzlich zu dem mindestens einen Schaltelement weist jede der schaltbaren Batteriezellen der erfindungsgemäßen Batterie eine Kontrolleinrichtung auf, welche wiederum mindestens eine Messeinheit zum Messen eines jeweiligen Betriebswerts oder Zellparameters einer jeweiligen Batteriezelle aufweist. Ein Zellparameter kann dabei beispielsweise einen Ladezustand und/oder einen Alterungszustand und/oder eine Temperatur einer jeweiligen Batteriezelle betreffen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren übermittelt die jeweilige Messeinheit ein Messsignal betreffend den jeweiligen Zellparameter an die Kontrolleinrichtung. Die Kontrolleinrichtung kann beispielsweise ein Mikrocontroller sein und das jeweilige Messsignal an eine Steuereinrichtung der Batterie weiterleiten. Die Kombination aus Kontrolleinrichtung und schaltbaren Batteriezellen wird auch als Smart-Cells bezeichnet.
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Batterien, beispielsweise zum Einsatz in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, die eine Vielzahl einzelner Batteriezellen umfassen, sind hinlänglich bekannt. Auch sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, die es ermöglichen, einzelne Batteriezellen aus einer Batterie wegzuschalten, sollten diese beispielsweise schadhaft sein. Auch sind Verfahren zum Betreiben solcher Batterien bekannt.
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Die
DE 10 2012 212 872 A1 offenbart beispielsweise ein Verfahren, eine Fahrzeugbatterie derart elektrisch aufzuladen, dass nicht ausreichend geladene Batteriezellen der Batterie aufgeladen werden und gleichzeitig übermäßig aufgeladene Batteriezellen umgangen werden. Ziel dabei ist es, den Gesamtwirkungsgrad des Aufladens zu erhöhen. Eine jeweilige Batteriezelle oder eine Vielzahl jeweiliger Batteriezellen können hierbei jedoch in nachteiliger Weise nicht beliebig aktiv und passiv geschaltet werden, sondern erst dann, wenn eine Zellenspannung einer jeweiligen Batteriezelle eine bauteilbedingte Durchbruchspannung einer verbauten Zenerdiode überschreitet.
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Die
US 8 987 935 B2 offenbart einen klassischen Anwendungsfall schaltbarer Batteriezellen: es wird eine Batterie für ein elektrisches Kraftfahrzeug und ein Verfahren zu deren Betrieb beschrieben, wobei schadhafte Batteriezellen der Batterie mittels Ansteuerung eines Bypassschalters überbrückt werden können, während die restlichen Batteriezellen der Batterie eine der Leistungsanforderung des Elektromotors des Kraftfahrzeugs entsprechende Leistung weiterhin bereitstellen können.
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Die
WO 2018/109744 A1 offenbart eine intelligente Batterie (Smart Battery) umfassend eine Vielzahl an Batteriezellen sowie einen peripheren Stromkreis, welcher mit der Vielzahl an Batteriezellen verbunden ist. Zu der Smart Battery gehört zudem eine Kontrolleinheit, welche mit der Vielzahl an Batteriezellen und dem peripheren Stromkreis verbunden und dazu ausgerichtet ist, eine Serviceanfrage auszulösen, wenn eine Wartungsmaßnahme oder ein Service an der Batterie vorgenommen werden muss.
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Der zitierte Stand der Technik fokussiert im Allgemeinen in nachteiliger Weise auf die Überwachung eines Zustands oder eines Verhaltens einzelner Batteriezellen oder Zellenbereiche. So beschreiben die klassischen Anwendungsbeispiele zum Betreiben von Batterien mit mehreren schaltbaren Batteriezellen in der Regel Maßnahmen, welche zwangsläufig Inhomogenitäten betreffend einen oder mehrere Zellparameter innerhalb eines Batteriezellenverbundes oder innerhalb der ganzen Batterie hervorrufen, indem einzelne Batteriezellen umgangen oder deaktiviert werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie einer zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Funktionsvorrichtung bereitzustellen, wobei unter Ausnutzung der bekannten Vorteile schaltbarer Batteriezellen eine gemäß einer vorgegebenen Soll-Angabe optimale Betriebswertverteilung oder Zellparameterverteilung innerhalb der Batterie erreicht wird.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie einer zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Funktionsvorrichtung bereitgestellt. Die Batterie umfasst mehrere elektrisch miteinander verschaltete, schaltbare Batteriezellen. Jede der schaltbaren Batteriezellen weist zumindest ein Schaltelement zum abwechselnden Aktivschalten und Passivschalten der jeweiligen Batteriezelle auf. Ein Schaltelement kann beispielsweise ein Halbleiterschaltelement sein, also beispielsweise auf zumindest einem Transistor beruhen. Das zumindest eine Schaltelement kann dabei in den Nass- oder den Trockenbereich einer jeweiligen Batteriezelle integriert sein. Es kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass das zumindest eine Schaltelement in einem elektrische Anschlüsse der jeweiligen Batteriezelle verbindenden Zellzweig angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass das zumindest eine oder zumindest ein weiteres Schaltelement in einem eine jeweilige galvanische Zelle einer jeweiligen Batteriezelle überbrückenden Bypasszweig angeordnet ist. Durch Öffnen und Schließen des zumindest einen Schaltelements kann demnach ein elektrischer Strom in einer jeweiligen Batteriezelle hergestellt/eingeschaltet und unterbrochen/ausgeschaltet werden.
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Erfindungsgemäß weist eine jeweilige Batteriezelle darüber hinaus eine Kontrolleinrichtung mit einer Messeinheit zum Messen eines jeweiligen Betriebswerts oder Zellparameters auf. Eine Kontrolleinrichtung kann dabei beispielsweise ein Mikrocontroller sein. Eine Messeinheit kann ein Stromsensor und/oder Spannungssensor und/oder Temperatursensor sein. Ein jeweiliger Zellparameter kann zum Beispiel ein jeweiliger Ladezustand und/oder Alterungszustand und/oder eine jeweilige Temperatur einer jeweiligen Batteriezelle sein. Die Kontrolleinrichtung ist dazu ausgelegt, das jeweilige Messsignal an eine Steuereinrichtung der Batterie weiterzuleiten. Dies kann beispielsweise über einen Kommunikationsanschluss der Kontrolleinrichtung erfolgen. Ein solcher Kommunikationsanschluss kann dazu ausgelegt sein, eine drahtlose Kommunikation zwischen der Kontrolleinrichtung und der Steuereinrichtung der Batterie herzustellen. Es ist alternativ dazu möglich, dass die Kommunikation kabelgebunden, beispielsweise über einen Kommunikationsbus, erfolgt. Für den Fall, dass die erfindungsgemäße Funktionsvorrichtung ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug ist, kann die Steuereinrichtung zum Beispiel bestimmte Operationen oder Funktionen des Kraftfahrzeugs steuern, lenken und/oder auf andere Weise managen. Die Steuereinrichtung kann auch eine Speichereinheit umfassen, welche einen beliebigen Typ eines geeigneten elektronischen Speichermittels umfasst, mittels dessen beispielsweise durch die Kontrolleinrichtung übermittelte Messsignale gespeichert und/oder verarbeitet werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Steuereinrichtung das jeweilige Messsignal empfängt und basierend auf der Vielzahl der Messsignale der Batteriezellen eine über alle Batteriezellen der Batterie hinweg ortsaufgelöste jeweilige Verteilungsfunktion des jeweiligen Zellparametertyps erstellt, also beispielsweise je eine Verteilungsfunktion für die Temperatur und/oder den Ladezustand und/oder die Ruhespannung und/oder den Verschleißwert (SoH - State of Health). Mit anderen Worten verarbeitet die Steuereinrichtung die jeweiligen durch sie empfangenen Messsignale der Batteriezellen zu einer Art virtueller Landkarte der Batterie. Auf dieser virtuellen Landkarte werden die durch die Steuereinrichtung aus den jeweiligen Batteriezellen empfangenen jeweiligen Messsignale gemäß der örtlichen Position einer jeweiligen Batteriezelle im Batteriezellenverbund der Batterie dargestellt. Eine solche Zellparameterverteilung kann als eine virtuelle Landschaft angesehen werden, wobei niedrige Werte eines jeweiligen Zellparameters einem Tal und hohe Werte einem Berg entsprechen. Das technische Pendant kann beispielsweise realisiert werden, indem in einem Speicher pro Ort der Verteilungsfunktion, also pro Batteriezelle, jeder aktuelle Zellparameter als Wert gespeichert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Steuereinrichtung durch Ansteuern der Schaltelemente der Batteriezellen gemäß einer vorbestimmten Schaltvorschrift eine jeweilige Schaltkonfiguration zum Festlegen aktiv und passiv geschalteter Batteriezellen herstellt. Die Schaltvorschrift schreibt dabei vor, dass durch das Herstellen der jeweiligen Schaltkonfiguration, also durch das Herstellen eines jeweiligen Musters aus aktiv und passiv geschalteten Batteriezellen, eine vorbestimmte ortsaufgelöste Verteilungsfunktion des jeweiligen Zellparameters, also eine Soll-Verteilungsfunktion, erfüllt und mindestens eine vorbestimmte Nebenbedingung betreffend einen Betrieb der Funktionsvorrichtung und/oder der Batterie eingehalten wird. Eine Nebenbedingung kann beispielsweise sein, dass ein bauartbedingt maximal zulässiger Zellstrom einer jeweiligen Batteriezelle eingehalten wird und/oder dass ein minimaler oder maximaler zulässiger Ladezustand einer jeweiligen Batteriezelle eingehalten wird und/oder dass eine Temperatur einer jeweiligen Batteriezelle innerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs liegt und/oder dass eine an die Batterie gestellte Leistungsanforderung erfüllt oder eingehalten wird. Für den Fall, dass die Funktionsvorrichtung ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug ist, kann die Leistungsanforderung durch den Elektromotor des Kraftfahrzeugs an die Batterie gestellt werden.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass unter Ausnutzung der schaltbaren Batteriezellen und unter Berücksichtigung verschiedenster an die Batterie gestellter Anforderungen in Form der zumindest einer Nebenbedingung dennoch eine im Sinne der jeweiligen Soll-Verteilungsfunktion ideale Zellparameterverteilung in der Batterie erreicht wird. Es lässt sich somit beispielsweise ein gegenüber bekannten Verfahren verbessertes Alterungsverhalten der Batteriezellen erzielen. Die jeweils zugrunde gelegte Soll-Verteilungsfunktion kann eine ortsaufgelöste Werteverteilung von Sollwerten angeben oder für jeden Ort der ortsaufgelösten Werteverteilung ein Intervall von zulässigen Werten angeben.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Steuereinrichtung die jeweilige Schaltkonfiguration gemäß der vorbestimmten Schaltvorschrift adaptiv an eine Änderung des jeweiligen Messsignals anpasst. Hierdurch wird ein Fehler zwischen der tatsächlich gemessenen und der vorbestimmten (Soll-)Verteilungsfunktion verkleinert. Ein jeweiliges Messsignal kann beispielsweise einen Temperaturwert einer jeweiligen Batteriezelle angeben. Die Vielzahl jeweiliger Temperaturmesswerte der Batteriezellen kann von der Steuereinrichtung empfangen und zu einer virtuellen oder imaginären Landkarte der Batterie verarbeitet werden, auf welcher die unterschiedlichen Temperaturwerte Täler (niedrigere Werte) oder Berge (höhere Werte) bilden können. Um nun zu einer vorbestimmten Temperaturverteilung zu gelangen, um also auf der besagten imaginären Landkarte eine vorbestimmte Topographie zu erreichen, steuert die Steuereinrichtung die Schaltelemente der Batteriezellen gemäß einer vorbestimmten Schaltvorschrift an. Durch das Ansteuern werden aktive und passive Batteriezellen festgelegt, wobei eine aktive Batteriezelle bedingt durch ihren Betrieb eine höhere Temperatur aufweist als eine passiv geschaltete Batteriezelle.
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Ein jeweiliges Messsignal für einen Zellparameter, beispielsweise ein Temperaturwert, ist also nicht ein konstanter Wert, sondern ist Änderungen unterworfen. Dementsprechend entsteht zwangsläufig eine Abweichung zwischen einer tatsächlich gemessenen und einer vorbestimmten Verteilungsfunktion, wobei die Abweichung als Fehler gewertet werden kann. Dieser Effekt lässt sich anhand der virtuellen Landkarte der Batterie visualisieren, indem eine Landoberfläche, welche beispielsweise aus Temperaturmesswerten gebildet wird, nicht statisch ist, sondern sich mit der Zeit verformt. Durch die adaptive Anpassung einer jeweiligen Schaltkonfiguration, also eines jeweiligen Musters aus aktiven und passiven Batteriezellen, wird die Landoberfläche kontinuierlich nachgeführt oder korrigiert, sodass ihre Abweichung von der vorbestimmten Landoberfläche stets minimiert wird. Die Minimierung des Fehlers kann zum Beispiel durch die Methode der kleinsten Quadrate erzielt werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine so hergestellte Zellparameterverteilung im Rahmen der sie beschränkenden Nebenbedingungen stets ideal, das heißt möglichst ähnlich zu der vorbestimmten Zellparameterverteilung, sein wird.
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Da eine adaptive Anpassung einer jeweiligen Schaltkonfiguration an geänderte Messsignale jedoch eine rechenintensive Operation darstellt, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Schaltvorschrift vorschreibt, dass die Steuereinrichtung die Schaltelemente der Batteriezellen gemäß einer vorbestimmten Taktungsvorschrift ansteuert, durch welche zwischen mindestens zwei Schaltkonfigurationen in einem vorbestimmten Takt gewechselt wird. Mit anderen Worten findet keine kontinuierliche nachgeführte Anpassung der tatsächlich gemessenen Verteilungsfunktion an die vorbestimmte Verteilungsfunktion statt, sondern es wird in einem vorbestimmten Takt zwischen mindestens zwei Schaltkonfigurationen gewechselt, sodass beispielsweise in einem Bereich der Batterie, welcher sich in unmittelbarer Nähe zu einer Hitze abstrahlenden Vorrichtungskomponente befindet, standardmäßig und ohne kontinuierliche Überprüfung zwischen Schaltkonfigurationen gewechselt wird. So wird beispielsweise in vorteilhafter Weise ein Wärmetransport innerhalb der Batterie steuerbar und/oder regelbar.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die mindestens eine Nebenbedingung durch einen Betriebsmodus der Funktionsvorrichtung vorbestimmt ist und eine Mindestleistungsanforderung und/oder eine Höchstleistungsanforderung der Batterie betrifft. Mit anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass eine vorbestimmte Verteilungsfunktion eines jeweiligen Zellparameters durch Herstellen einer Schaltkonfiguration erreicht werden soll, wobei als Nebenbedingung eingehalten werden muss, dass, für den Fall, dass die Funktionsvorrichtung ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug ist, einem Elektromotor des Kraftfahrzeugs eine vorbestimmte Leistung zur Verfügung gestellt wird. Ein jeweiliger Betriebsmodus kann also durch eine Lastaufnahme des Elektromotors gekennzeichnet sein, also ein Motorbetriebsmodus sein. Ein solcher Betriebsmodus kann beispielsweise ein „Eco- und Boost-Modus“ sein. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass ein Kraftfahrzeug bei einer hohen Geschwindigkeit betrieben wird, wie es zum Beispiel bei einer Autobahnfahrt, im Zuge derer das Kraftfahrzeug regelmäßig bei einer Geschwindigkeit von 140 km/h oder mehr gesteuert wird, der Fall sein kann. Ein solcher Betrieb stellt für die Batterie des Kraftfahrzeugs eine hohe Leistungsanforderung dar. Gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfüllt die Batterie diese hohe Leistungsanforderung bei gleichzeitiger optimaler Zellparameterverteilung beispielsweise einer Temperaturverteilung.
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Die mindestens eine Nebenbedingung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform durch einen Ladebetriebsmodus vorbestimmt sein und eine Maximierung eines Ladestroms bestimmen. Ein Ladebetriebsmodus kann durch einen Ladezustand einer jeweiligen Batteriezelle der Batterie gekennzeichnet sein. Ein Ladebetriebsmodus kann dabei so festgelegt sein, dass stets ein möglichst hoher Ladestrom fließen kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein Ladebetriebsmodus so festgelegt sein, dass eine möglichst kurze Ladezeit erreicht wird.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Batterie eine Temperiervorrichtung betreibt, wobei die Temperiervorrichtung einen batteriezellenübergreifenden Temperierkörper umfasst, der dazu ausgelegt ist, ein Temperiermittel aufzunehmen und von dem Temperiermittel durchströmt zu werden. Eine solche Temperiervorrichtung kann beispielsweise als eine Temperierplatte ausgebildet sein, auf welcher die Batteriezellen der Batterie angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kontaktiert der Temperierkörper jede der Batteriezellen der Batterie zu einem jeweils gleichen Anteil für einen Wärmeübertritt, also thermisch, wobei die Schaltkonfiguration dazu ausgelegt ist, dem Temperiermittel bei Durchströmen der Temperiervorrichtung abwechselnd eine aktiv geschaltete und eine passiv geschaltete Batteriezelle entlang der Durchströmungsrichtung bereitzustellen. Hierdurch ergibt sich ein besonders vorteilhafter Synergieeffekt zwischen dem bekannten Vorteil der Schaltbarkeit der Batteriezellen und dem ausgleichenden Effekt einer solchen alle Batteriezellen zu einem jeweils gleichen Anteil thermisch kontaktierenden Temperiereinrichtung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Temperiervorrichtung einen zentralen Temperiermitteleinspeisepunkt und einen zentralen Temperiermittelausleitungspunkt auf. Mit anderen Worten gibt es nur einen Einspeisepunkt für Temperiermittel und nur einen Ausleitungspunkt für Temperiermittel. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine solche Temperiervorrichtung besonders kostengünstig herzustellen und besonders bauraumunabhängig in der Funktionsvorrichtung einzubauen ist. Erst das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung schaltbarer Batteriezellen ermöglicht es, eine so einfach gestaltete Temperiervorrichtung zu nutzen. Da nämlich in besonders vorteilhafter Weise das Temperiermittel entlang seiner Durchströmungsrichtung abwechselnd an passiv und aktiv geschalteten Batteriezellen entlangströmen kann, hat es die Möglichkeit, sich auf seinem Weg durch den Temperierkörper immer wieder im Wechsel abzukühlen und zu erwärmen. Es muss also nicht an verschiedenen Punkten wiederholt gekühltes oder erwärmtes Temperiermittel in den Temperierkörper eingespeist werden, um eine gewünschte Temperaturverteilung innerhalb des Temperierkörpers zu erreichen. Die gewünschte Temperaturverteilung innerhalb des Temperierkörpers wird stattdessen im Zusammenspiel mit den gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuerten schaltbaren Batteriezellen erreicht.
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Die Erfindung betrifft auch eine Batterie, die dazu ausgelegt ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen, sowie eine Funktionsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Batterie.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterie, die die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterie hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Funktionsvorrichtung ist in bevorzugter Weise ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, ausgestaltet, der über einen zumindest teilweise elektrischen Antrieb verfügt. Die Funktionsvorrichtung kann beispielsweise auch ein Stationärspeicher sein.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer schaltbaren Batteriezelle;
- 2 eine schematische Darstellung einer Vielzahl miteinander elektrisch verschalteter schaltbarer Batteriezellen in einer Funktionsvorrichtung, wobei die Funktionsvorrichtung hier ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug ist;
- 3 eine schematische Darstellung einer Vielzahl miteinander verschalteter schaltbarer Batteriezellen und einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Schaltkonfiguration gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
- 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Schaltkonfiguration gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
- 6 eine schematische Darstellung von ortsverteilten Zellparametern anhand mehrerer virtueller Kartenebenen; und
- 7 schematisch virtuelle topographische Landkarten in Blockbilddarstellung einer erfindungsgemäßen Batterie und eine resultierende Schaltkonfiguration.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schaltbare Batteriezelle 10. Die schaltbare Batteriezelle 10 in der hier gezeigten Ausführungsform weist insgesamt drei Schaltelemente 12 auf. Bevorzugt ist zumindest ein Schaltelement 12 zum Zu- und Wegschalten der dargestellten galvanischen Zelle und ein Schaltelement 12 zum Überbrücken der galvanischen Zelle und Verbinden von Zellpolen der Batteriezelle 10 vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform können es daher zwei oder eine andere Anzahl an Schaltelementen 12 sein. Des Weiteren weist die Batteriezelle 10 in der hier gezeigten Ausführungsform eine Kontrolleinrichtung 14 mit einer Messeinheit 16 und einem Kommunikationsanschluss 18 auf. Der Kommunikationsanschluss 18 ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als ein drahtloser Kommunikationsanschluss ausgebildet. Ein solcher Kommunikationsanschluss kann beispielsweise ein Funkanschluss oder ein WLAN-Anschluss (WLAN - wireless local area network) sein.
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2 zeigt eine Vielzahl an elektrisch miteinander verschalteten, schaltbaren Batteriezellen 10 in einer Funktionsvorrichtung KFZ, welche als zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug ausgestaltet sein kann. Die hier gezeigten schaltbaren Batteriezellen 10 weisen die in 1 detailliert beschriebenen Komponenten auf. Der Übersichtlichkeit halber sind die Komponenten in 2 nicht einzeln beschriftet. Die in 2 miteinander elektrisch verschalteten, schaltbaren Batteriezellen 10 sind über weitere Schaltelemente 20 mit den elektrischen Anschlüssen 21 der Fahrzeugbatterie elektrisch verbindbar. Wie in 2 gezeigt, verfügen die weiteren Schaltelemente 20 ebenfalls jeweils über einen Kommunikationsanschluss, der in der hier gezeigten Ausführungsform als kabelloser, beispielsweise als Funkanschluss, ausgebildet ist.
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3 zeigt eine Vielzahl schaltbarer Batteriezellen 10, welche zu einer Batterie 22 angeordnet sind. Des Weiteren zeigt 3 eine Temperiervorrichtung 24, welche einen batteriezellenübergreifenden Temperierkörper 26 aufweist. Der Temperierkörper 26 ist dazu ausgelegt, ein hier nicht gezeigtes Temperiermittel 28 aufzunehmen. Der Temperierkörper 26 ist weiterhin dazu ausgelegt, von dem Temperiermittel 28 frei durchströmt zu werden. 3 zeigt außerdem einen Temperiermitteleinspeisepunkt 30 (hier durch einen Pfeil dargestellt). Dem Temperiermitteleinspeisepunkt 30 gegenüber liegt ein Temperiermittelausleitungspunkt 32.
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Die 4 und 5 zeigen ebenfalls jeweils eine Vielzahl schaltbarer Batteriezellen 10, wobei die Batteriezellen jeweils zu einer Batterie 22 angeordnet sind. Ebenso zeigen die 4 und 5 jeweils einen erfindungsgemäßen Temperierkörper 26. Im Unterschied zu der in 3 gezeigten Batterie zeigen die 4 und 5 jeweils Schaltkonfigurationen 34 aus abwechselnd aktiv und passiv geschalteten Batteriezellen 10 und 10'. Die Schaltkonfiguration 34 der 4 sieht vor, dass die schaltbaren Batteriezellen 10, 10' in einem Schachbrettmuster angeordnet sind. Es wechseln sich also immer eine aktive Batteriezelle 10 und eine passive Batteriezelle 10' ab. In der hier gezeigten Ausführungsform kann in besonders vorteilhafter Weise die gesamte Oberfläche der Temperiervorrichtung 24 genutzt werden, um die Batterie 22 als Ganzes zu kühlen und/oder zu wärmen, wobei nur 50 Prozent der hier gezeigten schaltbaren Batteriezellen 10, 10' aktiv geschaltet sind.
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Ein ähnlicher Effekt lässt sich durch die in 5 gezeigte Ausführungsform der Schaltkonfiguration erzielen. Hier sind jeweils Doppelpacks aus aktiven und passiven schaltbaren Batteriezellen 10, 10' abwechselnd nebeneinander angeordnet. Die in 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen ermöglichen also eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der ganzen Batterie 22. Im Gegensatz zu dem bekannten Bank-Laden, bei dem in der Regel Batterieabschnitte abschnittsweise geladen werden, lässt sich in einer Anordnung gemäß der 4 und/oder 5 die gesamte Oberfläche der Temperiervorrichtung beispielsweise zur Kühlung nutzen, obwohl nur jeweils 50 Prozent der schaltbaren Batteriezellen 10, 10' aufgeladen werden. Zusätzlich zu den sehr regelmäßigen Schaltkonfigurationen 34 der 4 und 5 kann jede beliebige Anordnung aus aktiven und passiven schaltbaren Batteriezellen 10, 10' hergestellt werden.
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6 zeigt schematisch virtuelle Landkarten einer erfindungsgemäßen Batterie 22. Jede der Landkarten entspricht dabei einer jeweiligen ortsaufgelösten Verteilungsfunktion 36. Jede der hier gezeigten virtuellen Landkarten veranschaulicht also die ortsaufgelöste Verteilung eines jeweiligen Zellparameters 38. Zudem ist in der obersten Kartendarstellung der 6 ein Hitze abstrahlendes Bauteil 40 dargestellt, dessen aufheizender Effekt durch die erfindungsgemäß beschriebene Taktung der Schaltkonfiguration 34 kompensiert werden kann. Werden die in 6 gezeigten virtuellen Landkarten übereinandergelegt oder gestapelt, so ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise eine resultierende Gesamtverteilungsfunktion G der hier dargestellten Zellparameter. Diese resultierende Gesamtverteilungsfunktion G kann nun durch das erfindungsgemäße Ansteuern der Schaltelemente 12 gemäß der vorbestimmten Schaltvorschrift an eine vorbestimmte Soll-Verteilungsfunktion angepasst werden.
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7 zeigt veranschaulichend schematisch virtuelle topographische Landkarten in Blockbilddarstellung einer erfindungsgemäßen Batterie 22. Die x- und y-Achse eines jeden Blockbilds spannen dabei die Grundfläche der Batterie 22 auf. Entlang der z-Achse sind Werte eines jeweiligen Zellparameters 38 aufgetragen. Die Landoberfläche 37 jedes Blockbilds entspricht dabei einer jeweiligen ortsaufgelösten Verteilungsfunktion 36 der Werte eines jeweiligen Zellparameters 38. Jede der hier gezeigten virtuellen Landoberflächen 37 veranschaulicht also die ortsaufgelöste Verteilung der Werte eines jeweiligen Zellparameters 38.
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Im hier gezeigten Beispiel ist im obersten Blockbild der Zellparameter 38 eine Temperatur, im mittleren Blockbild ein Ladezustand, wobei Ladezustandswerte beispielsweise in Prozent einer möglichen Gesamtladung einer jeweiligen Batteriezelle 10, 10' und/oder als Ruhespannungswert einer jeweiligen Batteriezelle 10, 10' vorliegen können, und im untersten Blockbild ein Verschleißzustand, wobei Verschleißzustandswerte beispielsweise Verschleißwerte der Batteriezellen 10, 10' sein können. Zudem ist in der obersten Blockbilddarstellung der 7 ebenfalls ein Hitze abstrahlendes Bauteil 40 dargestellt, dessen aufheizender Effekt durch die erfindungsgemäß beschriebene Taktung der Schaltkonfiguration 34 kompensiert werden kann. Werden die in 7 gezeigten virtuellen Landoberflächen 37 übereinandergelegt oder gestapelt, so ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise eine resultierende, hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigte, Gesamtverteilungsfunktion G der hier dargestellten Zellparameterwerte 38.
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Die Batteriezellen 10, 10' in dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen zusammengefasst oberhalb des Hitze abstrahlenden Bauteils 40 erhöhte Temperaturwerte, niedrige Ruhespannungswerte und stark erhöhte Verschleißwerte auf. Die vorbestimmte Soll-Verteilungsfunktion sieht hier beispielsweise vor, dass innerhalb der Batterie 22 eine gleichmäßige Temperaturverteilung und eine gleichmäßige Entladung der Batteriezellen 10, 10', also ein gleichmäßiger Ladezustand, erzielt werden soll. Gleichzeitig sollen Batteriezellen 10, 10', deren Verschleißwerte oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts V liegen, passiv geschaltet werden. Als Nebenbedingung 39 muss dabei beispielsweise eine vorbestimmte Leistungsanforderung der Funktionsvorrichtung KFZ erfüllt werden. Um diese Soll-Verteilungsfunktion zumindest anzunähern, kann gemäß der vorbestimmten Schaltvorschrift durch das erfindungsgemäße Ansteuern der Schaltelemente 12 eine Schaltkonfiguration 34 aus aktiv und passiv geschalteten Batteriezellen 10 und 10' hergestellt werden. Eine entsprechende Schaltkonfiguration 34 ist schematisch in 7 auf der rechten Seite gezeigt. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur passiv geschaltete Batteriezellen 10' eingezeichnet. Der restliche Bereich der Batterie 22 umfasst aktiv geschaltete Batteriezellen 10.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung mittels schaltbarer Batteriezellen eine optimierte Zellparameterverteilung in einer Batterie unter Berücksichtigung unterschiedlicher Nebenbedingungen bereitgestellt werden kann.
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Als Basis einer konkreten Ausführungsform dient eine schaltbare, überbrückbare, intelligente Batteriezelle (Smart Cell). Eine Vielzahl solcher Smart Cells ist in einem Batteriesystem, welches als Smart Battery bezeichnet werden kann, elektrisch miteinander verschaltet.
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Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der beschriebenen Ausführungsformen sind unter anderem:
- Auch wenn z.B. nur 50% von 100% Smart Cells aktiv sind, können 100% des Kühlsystems (also der Temperiervorrichtung), sowie die Kühlfläche der einzelnen Smart Cells (also deren Kühlfläche) zu 100% genutzt werden. Es ist also eine homogene Temperaturverteilung möglich, auch wenn z.B. nur 50% der Zellen aktiv sind.
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Auch im ECO & BOOST Modus als speziellem Motorbetriebsmodus ist eine optimale Temperaturverteilung + Kühlung möglich. Es kann eine optimale Wärmeverteilung erreicht werden.
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Selbst bei Ein- und Mehr-P-System ist die Verschaltung sinnvoll umsetzbar.
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Es ist eine dynamische Anpassung einer jeweiligen Schaltkonfiguration möglich. Es können dabei beliebige Muster aus aktiven und passiven Zellen hergestellt werden. Batteriezellen [0... max. Anzahl (z.B. 432 - C-BEV)] sind beliebig zu- und abschaltbar.
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Es ist ein Zu- und Abschalten von Batteriezellen (ggf. Taktung) möglich, um z.B. Hotspots zu minimieren oder zu verschieben (z.B. wenn ein heißes oder Hitze abstrahlendes Bauteil in der Nähe der Batterie ist und dadurch immerzu ein Hotspot vorherrscht). Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Wärmetransport im Batteriesystem gesteuert und/oder geregelt werden.
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In einem Ladebetriebsmodus sind 400 V/800 V bzw. sämtliche Spannungslagen dazwischen darstellbar, wobei gleichzeitig die Kühlung sämtlicher Batteriezellen optimiert werden kann. D.h., es lässt sich damit z.B. beim Laden mittels einer 150/300 kW Ladesäule immer der maximal verfügbare Ladestrom abrufen, was eine Optimierung hinsichtlich „Derating“/ Leistungsbegrenzung ermöglicht, falls das Batteriesystem durch den Ladungsvorgang die Gesamtbatteriespannung anhebt (P=U*I). D.h., wenn UBatt ansteigt und PLadesäule gleich bleiben sollte, so müsste normalerweise der Ladestrom I reduziert werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren reduziert sich die UBatt, wenn Zellen z.B. weggeschaltet werden können. So kann der Strom wieder erhöht werden und in weiterer Folge erfolgt eine Umschaltung, welche zu einer Leistungsanpassung führt.
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Folglich kann ggf. Ladezeit eingespart werden, da die Batteriezellen in einem optimaleren Temperaturbereich betrieben werden. Ggf. ist somit (Ultra-)Fast-Charging besser realisierbar. Außerdem lässt sich ein besseres Alterungsverhalten der Batteriezellen erzielen, bedingt durch bessere Kühlung.
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Nachteilig am bekannten Bank-Laden bei 800 V ist demgegenüber, dass 2x 400 V sequentiell (en bloc) aufgeladen werden. D.h. nur 50% der Kühlfläche können sinnvoll genutzt werden und es entsteht zudem eine sehr hohe Temperatur-Inhomogenität.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212872 A1 [0005]
- US 8987935 B2 [0006]
- WO 2018/109744 A1 [0007]
