-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriemoduls, welches eine Gesamtanzahl von Batteriezellen, eine Anzahl von Schalteinheiten, wobei jeder der Batteriezellen eine Schalteinheit zugeordnet ist, mittels welcher die zugehörige Batteriezelle zuschaltbar sowie überbrückbar ist, und ein Managementsystem aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug, welches eine Gesamtanzahl von Batteriezellen, eine Anzahl von Schalteinheiten, wobei jeder der Batteriezellen eine Schalteinheit zugeordnet ist, mittels welcher die zugehörige Batteriezelle zuschaltbar sowie überbrückbar ist, und ein Managementsystem umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug.
-
Stand der Technik
-
Konventionelle Kraftfahrzeuge weisen Batteriemodule zur Versorgung eines Anlassers und weiterer Verbraucher mit elektrischer Energie auf. Elektrofahrzeuge weisen Batteriemodule zur Versorgung eines Traktionsmotors und weiterer Verbraucher mit elektrischer Energie auf. Ein gattungsgemäßes Batteriemodul umfasst dabei eine Mehrzahl von Batteriezellen, welche beispielsweise seriell verschaltet sind.
-
Ein gattungsgemäßes Batteriemodul umfasst auch mehrere Schalteinheiten mit Schaltern um einen Stromfluss durch die Batteriezellen zu steuern. Mittels der Schalteinheiten kann beispielsweise eine Batteriezelle zugeschaltet, also in eine Reihenschaltung aus mehreren Batteriezellen geschaltet, sowie überbrückt, also aus einer solchen Reihenschaltung entfernt werden. Ein gattungsgemäßes Batteriemodul umfasst ferner ein Managementsystem, welches den Betrieb der Batteriezellen überwacht und die Schalteinheiten derart ansteuert, dass die Batteriezellen sicher und nachhaltig bezüglich ihrer Lebensdauer betrieben werden.
-
Mit zunehmendem Alterungszustand wird die Performance einer Batteriezelle schlechter. Es ist bekannt, dass die Alterungszustände von Batteriezellen in dem gleichen Batteriemodul sich nicht gleichmäßig entwickeln. Somit können in einem Batteriemodul Batteriezellen mit signifikant unterschiedlichen Alterungszuständen vorhanden sein. Mit zunehmendem Alterungszustand einer Batteriezelle sinkt insbesondere ein maximaler Strom, welchen die betreffende Batteriezelle liefern kann.
-
Die maximalen Ströme der einzelnen Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls können also unterschiedlich sein. Bei einer seriellen Verschaltung aller Batteriezellen entspricht der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, dem geringsten der maximalen Ströme der einzelnen Batteriezellen. Somit wird eine mögliche Ausgangsleistung des Batteriemoduls von derjenigen Batteriezelle begrenzt, welche den geringsten der maximalen Ströme von allen Batteriezellen aufweist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriemoduls, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, welches eine Ausgangsspannung liefert. Das Batteriemodul weist dabei eine Gesamtanzahl von Batteriezellen auf, welche jeweils eine Zellenspannung liefern. Das Batteriemodul weist auch eine Anzahl von Schalteinheiten auf, wobei jeder der Batteriezellen eine Schalteinheit zugeordnet ist. Mittels der Schalteinheit ist die zugehörige Batteriezelle zuschaltbar sowie überbrückbar. Das Batteriemodul weist auch ein Managementsystem zum Überwachen der Batteriezellen und zum Ansteuern der Schalteinheiten auf.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die nachfolgend genannten Sch ritte:
- Zunächst erfolgt ein Messen der Zellenspannungen der einzelnen Batteriezellen.
- Ebenso erfolgt ein Ermitteln von maximalen Strömen der einzelnen Batteriezellen. Batteriezellen mit hohem Alterungszustand sowie defekte Batteriezellen weisen einen verringerten maximalen Strom auf, welchen die betreffende Batteriezelle liefern kann.
-
Anschließend erfolgt ein Berechnen von möglichen Ausgangsleistungen des Batteriemoduls für definierte Topologien des Batteriemoduls. Die mögliche Ausgangsleistung des Batteriemoduls für eine definierte Topologie entspricht dabei einem Produkt aus der Ausgangsspannung des Batteriemoduls mit dem größtmöglichen Strom, den das Batteriemodul liefern kann.
-
Anschließend erfolgt eine Auswahl derjenigen Topologie des Batteriemoduls, bei welcher die Ausgangsleistung des Batteriemoduls maximal ist. Vorzugsweise werden die Schalteinheiten dann derart angesteuert, dass diejenige ausgewählte Topologie erzeugt wird.
-
Die Ausgangsspannung des Batteriemoduls entspricht einer Summe der Zellenspannungen der innerhalb des Batteriemoduls seriell verschalteten Batteriezellen. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, entspricht dem geringsten der maximalen Ströme der innerhalb des Batteriemoduls seriell verschalteten Batteriezellen.
-
Vorteilhaft ist eine erste Topologie des Batteriemoduls definiert, welche eine serielle Verschaltung der Gesamtanzahl der Batteriezellen darstellt. In diesem Fall entspricht die Ausgangsspannung des Batteriemoduls der Summe der Zellenspannungen der Gesamtanzahl der Batteriezellen. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, entspricht in diesem Fall dem geringsten der maximalen Ströme der Gesamtanzahl der Batteriezellen.
-
Vorteilhaft ist auch mindestens eine weitere Topologie definiert, welche eine serielle Verschaltung einer Teilanzahl von Batteriezellen darstellt, welche kleiner ist als die Gesamtanzahl. In diesem Fall entspricht die Ausgangsspannung des Batteriemoduls der Summe der Zellenspannungen der Teilanzahl der Batteriezellen. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, entspricht in diesem Fall dem geringsten der maximalen Ströme der Teilanzahl der Batteriezellen.
-
Vorzugsweise ist dabei die Teilanzahl von Batteriezellen um eins kleiner ist als die Gesamtanzahl von Batteriezellen. In diesem Fall sind alle Batteriezellen bis auf eine seriell innerhalb des Batteriemoduls verschaltet.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von zwei Zahlenbeispielen erläutert. Die Gesamtzahl von Batteriezellen sei jeweils gleich dreizehn, das Batteriemodul weist also dreizehn Batteriezellen auf. Jede der Batteriezellen liefere eine Zellenspannung von etwa 3,85 V.
-
In einem ersten Zahlenbeispiel weise eine der Batteriezellen einen maximalen Strom von 100 A auf. Die übrigen Batteriezellen weisen jeweils einen maximalen Strom von 200 A auf.
-
In der ersten Topologie des Batteriemoduls, welche eine serielle Verschaltung der Gesamtanzahl der Batteriezellen darstellt, beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls etwa 50,05 V. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, beträgt 100 A. Die Ausgangsleistung des Batteriemoduls beträgt somit 5050 W.
-
Es ist eine zweite Topologie definiert, welche eine serielle Verschaltung einer Teilanzahl von zwölf Batteriezellen darstellt. Dabei sei diejenige Batteriezelle überbrückt, die den geringsten maximalen Strom von vorliegend 100 A aufweist. In der zweiten Topologie beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls etwa 46,20 V. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, beträgt 200 A. Die Ausgangsleistung des Batteriemoduls beträgt somit 9240 W.
-
In dem ersten Zahlenbeispiel ist die Ausgangsleistung des Batteriemoduls bei der zweiten Topologie maximal. Daher wird die zweite Topologie ausgewählt. Die Schalteinheiten werden also derart angesteuert, dass diejenige Batteriezelle, die den geringsten maximalen Strom von vorliegend 100 A aufweist, überbrückt wird, und die übrigen Batteriezellen seriell verschaltet sind.
-
In einem zweiten Zahlenbeispiel weise eine der Batteriezellen einen maximalen Strom von 190 A auf. Die übrigen Batteriezellen weisen jeweils einen maximalen Strom von 200 A auf.
-
In der ersten Topologie des Batteriemoduls, welche eine serielle Verschaltung der Gesamtanzahl der Batteriezellen darstellt, beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls etwa 50,05 V. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, beträgt 190 A. Die Ausgangsleistung des Batteriemoduls beträgt somit 9595 W.
-
Es ist eine zweite Topologie definiert, welche eine serielle Verschaltung einer Teilanzahl von zwölf Batteriezellen darstellt. Dabei sei diejenige Batteriezelle überbrückt, die den geringsten maximalen Strom von vorliegend 190 A aufweist. In der zweiten Topologie beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls etwa 46,20 V. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, beträgt 200 A. Die Ausgangsleistung des Batteriemoduls beträgt somit 9240 W.
-
In dem zweiten Zahlenbeispiel ist die Ausgangsleistung des Batteriemoduls bei der ersten Topologie maximal. Daher wird die erste Topologie ausgewählt. Die Schalteinheiten werden also derart angesteuert, dass alle Batteriezellen seriell verschaltet sind.
-
Es wird auch ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Das Batteriemodul umfasst eine Gesamtanzahl von Batteriezellen, welche jeweils eine Zellenspannung liefern. Das Batteriemodul umfasst auch eine Anzahl von Schalteinheiten. Dabei ist jeder der Batteriezellen eine Schalteinheit zugeordnet. Die Anzahl von Schalteinheiten entspricht somit der Gesamtzahl von Batteriezellen des Batteriemoduls.
-
Mittels der Schalteinheit ist die zugehörige Batteriezelle zuschaltbar sowie überbrückbar. Eine Batteriezelle ist zugeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen des Batteriemoduls elektrisch seriell verschaltet ist. Eine Batteriezelle ist überbrückt, wenn sie mit anderen Batteriezellen nicht elektrisch seriell verschaltet ist.
-
Durch entsprechende Ansteuerung der besagten Schalteinheiten des Batteriemoduls können verschiedene Topologien des Batteriemoduls erzeugt werden. Beispielsweise ist eine erste definierte Topologie erzeugbar, welche eine serielle Verschaltung aller Batteriezellen des Batteriemoduls darstellt. Beispielsweise ist auch eine weitere definierte Topologie erzeugbar, welche eine serielle Verschaltung von weniger als allen Batteriezellen des Batteriemoduls darstellt.
-
Das Batteriemodul umfasst auch ein Managementsystem zum Überwachen der Batteriezellen und zum Ansteuern der Schalteinheiten. Das Managementsystem ist beispielsweise mittels eines Kommunikationssystems mit den Batteriezellen und mit den Schalteinheiten verbunden.
-
Erfindungsgemäß weist das Managementsystem eine Messeinheit zum Messen von Zellenspannungen der Batteriezellen auf. Weiter weist das Managementsystem eine Ermittlungseinheit zum Ermitteln von maximalen Strömen der Batteriezellen auf. Ferner weist das Managementsystem eine Recheneinheit zum Berechnen von möglichen Ausgangsleistungen des Batteriemoduls für definierte Topologien des Batteriemoduls auf.
-
Erfindungsgemäß ist das Batteriemodul mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar. Dazu weist das Managementsystem beispielsweise einen Prozessor und einen Speicherbereich auf, in welchem entsprechender Programmcode abgelegt ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Managementsystem auch eine Steuereinheit zum Ansteuern der Schalteinheiten des Batteriemoduls auf.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist jede der Schalteinheiten einen Wechselschalter auf. Der Wechselschalter weist dabei eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung auf. Der Wechselschalter ist derart mit der zugehörigen Batteriezelle verbunden, dass in der ersten Schaltstellung die Batteriezelle durch den Wechselschalter überbrückt ist, und dass in der zweiten Schaltstellung die Batteriezelle durch den Wechselschalter zugeschaltet ist.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist jede der Schalteinheiten einen ersten Einschalter und einen zweiten Einschalter auf. Ein Einschalter ist in einem geschlossenen Zustand für einen Strom durchlässig. In einem geöffneten Zustand ist ein Einschalter für einen Strom sperrend. Der erste Einschalter ist elektrisch seriell zu der zugehörigen Batteriezelle geschaltet. Der zweite Einschalter ist elektrisch parallel zu der Serienschaltung aus der zugehörigen Batteriezelle und dem ersten Einschalter geschaltet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Einschalter der Schalteinheiten als Feldeffekttransistoren, insbesondere als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren, also MOSFET, ausgeführt.
-
Es wird auch ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das ein erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
-
Vorteile der Erfindung
-
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein erfindungsgemäßes Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen derart betrieben werden, dass die Ausgangsleitung des Batteriemoduls maximal ist. Eine defekte Batteriezelle oder eine Batteriezelle mit einem hohen Alterungszustand und einem geringen maximalen Strom senkt die Ausgangsleistung nur unwesentlich ab. Der größtmögliche Strom, den das Batteriemodul liefern kann, entspricht dabei nicht zwingend dem geringsten der maximalen Ströme der einzelnen Batteriezellen. Durch Überbrücken von genau einer Batteriezelle sinkt eine Ausgangsspannung des Batteriemoduls nur unwesentlich ab. An das Batteriemodul angeschlossene Verbraucher, insbesondere Verbraucher eines Kraftfahrzeugs, können somit weiter mit elektrischer Energie von dem Batteriemodul versorgt werden.
-
Figurenliste
-
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls,
- 2 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer überbrückten Batteriezelle,
- 3 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit gemäß der ersten Ausführungsform mit einer zugeschalteten Batteriezelle,
- 4 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer überbrückten Batteriezelle und
- 5 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit gemäß der zweiten Ausführungsform mit einer zugeschalteten Batteriezelle.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
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.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 5. Eine Nennspannung des Batteriemoduls 5 beträgt beispielsweise 48V. Das Batteriemodul 5 weist einen negativen Pol 21 und einen positiven Pol 22 auf. Zwischen den Polen 21, 22 liegt eine Ausgangsspannung an, die zumindest annähernd der Nennspannung entspricht.
-
Das Batteriemodul 5 umfasst eine Gesamtzahl von Batteriezellen 2. Die Batteriezellen 2 sind elektrisch seriell verschaltbar. Jede der Batteriezellen 2 liefert eine Zellenspannung. Die von dem Batteriemodul 5 gelieferte Ausgangsspannung entspricht einer Summe der Zellenspannungen der jeweils seriell verschalteten Batteriezellen 2.
-
Das Batteriemodul 5 umfasst eine Anzahl von Schalteinheiten 60. Dabei ist jeder der Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5 eine Schalteinheit 60 zugeordnet. Mittels der Schalteinheit 60 ist die betreffende Batteriezelle 2 zuschaltbar sowie überbrückbar. Eine Batteriezelle 2 ist zugeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5 elektrisch seriell verschaltet ist. Eine Batteriezelle 2 ist überbrückt, wenn sie mit anderen Batteriezellen 2 nicht elektrisch seriell verschaltet ist.
-
Die Anzahl von Schalteinheiten 60 entspricht der Gesamtzahl von Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5. Eine Batteriezelle 2 und die zugeordnete Schalteinheit 60 bilden eine Zelleinheit 30. Das Batteriemodul 5 weist also eine Gesamtzahl von Zelleinheiten 30 auf.
-
Beispielsweise ist die Gesamtzahl gleich dreizehn, das Batteriemodul 5 weist also dreizehn Batteriezellen 2 auf. Wenn jede der Batteriezellen 2 eine Zellenspannung von etwa 3,85 V liefert, und wenn die Gesamtzahl von Batteriezellen 2 elektrisch seriell verschaltet ist, so beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5 etwa 50,05 V. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung geringfügig höher als die Nennspannung.
-
Wenn nur eine Teilanzahl von Batteriezellen 2 elektrisch seriell verschaltet ist, so ist die Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5 entsprechend geringer. Wenn beispielsweise die Teilanzahl gleich zwölf ist, und wenn jede der Batteriezellen 2 eine Zellenspannung von etwa 3,85 V liefert, so beträgt die Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5 etwa 46,20 V. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung geringfügig kleiner als die Nennspannung.
-
Das Batteriemodul 5 umfasst auch ein Managementsystem 40. Das Managementsystem 40 weist eine Messeinheit 41, eine Ermittlungseinheit 42, eine Recheneinheit 43 und eine Steuereinheit 44 auf. Das Managementsystem 40 ist mittels eines Kommunikationssystems 50, welches beispielsweise als CAN-Bus ausgestaltet ist, mit den besagten Zelleinheiten 30 des Batteriemoduls 5 verbunden.
-
Die Messeinheit 41 des Managementsystems 40 dient zum Messen der Zellenspannungen der Batteriezellen 2. Die Ermittlungseinheit 42 dient zum Ermitteln von maximalen Strömen der Batteriezellen 2. Die Recheneinheit 43 dient zum Berechnen von möglichen Ausgangsleistungen des Batteriemoduls 5 für definierte Topologien des Batteriemoduls 5. Die Steuereinheit 44 dient zum Ansteuern der Schalteinheiten 60.
-
Über das Kommunikationssystem 50 werden Messwerte der Zelleinheiten 30, insbesondere Messwerte der Batteriezellen 2, zu dem Managementsystem 40 übertragen. Ebenso werden über das Kommunikationssystem 50 Steuersignale des Managementsystems 40 zu den Zelleinheiten 30, insbesondere zu den Schalteinheiten 60, übertragen.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 des Batteriemoduls 5 gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer überbrückten Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 weist ein negatives Terminal 15 und ein positives Terminal 16 auf. Zwischen den beiden Terminals 15, 16 der Batteriezelle 2 liegt die Zellenspannung der Batteriezelle 2 an.
-
Die Schalteinheit 60 weist einen ersten Einschalter 61 und einen zweiten Einschalter 62 auf. Der erste Einschalter 61 ist elektrisch seriell zu der Batteriezelle 2 geschaltet. Der zweite Einschalter 62 ist elektrisch parallel zu der Serienschaltung aus der Batteriezelle 2 und dem ersten Einschalter 61 geschaltet.
-
In der hier gezeigten Darstellung ist der erste Einschalter 61 geöffnet und der zweite Einschalter 62 ist geschlossen. Die Batteriezelle 2 ist somit durch den zweiten Einschalter 62 der Schalteinheit 60 überbrückt. Die Zelleinheit 30 stellt daher einen elektrischen Kurzschluss dar. Die Zellenspannung der überbrückten Batteriezelle 2 liefert somit keinen Beitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 des Batteriemoduls 5 gemäß der ersten Ausführungsform mit einer zugeschalteten Batteriezelle 2. Es handelt sich dabei um die in 2 gezeigte Zelleinheit 30, welche die Schalteinheit 60 aufweist. In der in 3 gezeigten Darstellung befindet sich die Schalteinheit 60 in einem anderen Schaltzustand als in der in 2 gezeigten Darstellung.
-
In der hier gezeigten Darstellung ist der erste Einschalter 61 geschlossen und der zweite Einschalter 62 ist geöffnet. Die Batteriezelle 2 ist somit nicht durch den zweiten Einschalter 62 der Schalteinheit 60 überbrückt. Die Batteriezelle 2 ist somit zugeschaltet. Die Zellenspannung der zugeschalteten Batteriezelle 2 liefert daher einen Beitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 des Batteriemoduls 5 gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer überbrückten Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 weist ein negatives Terminal 15 und ein positives Terminal 16 auf. Zwischen den beiden Terminals 15, 16 der Batteriezelle 2 liegt die Zellenspannung der Batteriezelle 2 an. Die Schalteinheit 60 weist einen Wechselschalter 65 auf.
-
In der hier gezeigten Darstellung befindet sich der Wechselschalter 65 in einer ersten Schaltstellung. In dieser ersten Schaltstellung ist die Batteriezelle 2 durch den Wechselschalter 65 der Schalteinheit 60 überbrückt. Die Zelleinheit 30 stellt daher einen elektrischen Kurzschluss dar. Die Zellenspannung der überbrückten Batteriezelle 2 liefert somit keinen Beitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5.
-
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 des Batteriemoduls 5 gemäß der zweiten Ausführungsform mit einer zugeschalteten Batteriezelle 2. Es handelt sich dabei um die in 4 gezeigte Zelleinheit 30, welche die Schalteinheit 60 aufweist. In der in 5 gezeigten Darstellung befindet sich die Schalteinheit 60 in einem anderen Schaltzustand als in der in 4 gezeigten Darstellung.
-
In der hier gezeigten Darstellung befindet sich der Wechselschalter 65 in einer zweiten Schaltstellung. In dieser zweiten Schaltstellung ist die Batteriezelle 2 nicht durch den Wechselschalter 65 der Schalteinheit 60 überbrückt. Die Batteriezelle 2 ist somit zugeschaltet. Die Zellenspannung der zugeschalteten Batteriezelle 2 liefert daher einen Beitrag zu der Ausgangsspannung des Batteriemoduls 5.
-
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.
